本申请是1990年9月26日提交的未审定的 美国专利申请序列号07/588591的部分继续，后 者是已放弃的1989年4月7日提交的美国专利申 请序列号07/335044的部分继续。

本发明总的涉及用于固定部件的方法和设备， 而更具体地涉及由聚烯烃类材料构成的管道例如用 于天然气配气的聚乙烯管道的粘接方法和制品。

常规天然气的配气系统使用不同直径的聚乙烯 管道从供应者向用户传送天然气。由于管道断面的 不适当的连接，或者由于在地面安置之后可能出现 的破裂，在这种管道系统中有不断出现泄漏的问 题。这种连接和破裂的修理是使用各种粘合剂(例 如参看美国专利3826521)一次实现的，但是在一 段长的时间期间之后，由于聚乙烯的不同粘附特 性，可能导致固化粘合剂的裂缝或粘合剂从管道表 面脱开，这一般是不能接受的。实际上，几乎粘接 任何东西到聚乙烯都是非常困难的，如在美国专利 3143364号中公认的。

另一种把管道固定在一起的技术包括使用电熔 接头(例如，参看美国专利4486650号)。这些接 头克服了由与连接管道相同的热塑材料构成的聚烯 烃类成分的粘附特性。电阻加热元件被模压成接 头，在其内表面，当用直流对该元件加电能时，使 在接头和已固定在接头中的相邻管道的热塑材料的 温度上升。然后该接头和管道的材料流到一起并在 它冷却时熔合。但是，正如其它的现有技术一样， 电熔接头常常不能形成完全的密封，而且整个过程 有时必须重复。电熔接头也相当昂贵，因此没有广 泛地应用。

管道的熔化还可以使用特定薄膜，这种薄膜涂 在连接或破裂处并加热以充满管道材料中。例如， 专利合作条约(PCT)的申请US88/02909叙述 一种把导电的聚合填料加在管道连接处并通过电流 加热该填料的方法。在日本的专利申请(公开) 54-58777号中公开了一种类似的方法，使用电介 质加热器熔化已缠绕在管道周围的导电层。这些技 术的一个缺点是它们要求相当高的导电性，还要求 使用金属的或碳质的填充物。在粘接基体中这些填 充物的杂质使粘接更易脆裂，这可导致长时间的破 裂。关于在粘接材料中使用这些填充物的问题由工 业(ASTM与塑料管道研究所)的要求所强调， 即金属部分的量不大于总重量的1％。同样明显的 缺点是涉及这些熔接技术所要求的电源。电介质加 热技术要求特别的电极对和设备，它既重又笨，这 使它在天然气管道沟的环境中使用困难很多。因 此，设计一种粘接聚烯烃类管道的方法是希望的和 有益的，这种方法既简化粘接过程且提供天然气配 气工业可接受的粘接材料。

上述目的粘接热塑聚合物构成的导管的一种方 法达到：把可用微波加热的、复合粘接材料的窄带 放入导管并给该材料加上微波能。复合粘接材料 (CBM)的组成为：(i)热塑聚合物基体，可与导 管的聚合材料混合，最好是与导管的材料相同；和 (ii)分散在整个CBM基体中的微波感受材料。所 用的特定的感受材料已改善了加热性能，在CBM 中金属材料的总重量低到1％的1/10。

CBM可做成圆柱体的套管，它可放置在被连 接的两管道的管端，然后两管道的管端被放置在标 准的管接头中，接着进行微波辐射。另一种方法， 还提供一种制品，通过提供在管接头内表面预定位 置的CBM套管来简化这个过程。类似的CBM套 管或窄带可用于修理管道中间部分的破裂或用于修 理已有破裂的现有连接处。

本发明的新颖特征和范围在所附的权利要求书 中提出。但是，本发明本身参阅附图可更好地了 解，其中：

图1是根据本发明的复合粘接材料的放大的剖 视图；

图2是根据本发明说明为了连接两管道的端面 而把复合粘接材料的套管加在两端面的方法的透视 图；

图3是根据本发明的管道接头的透视截面图， 该接头在其内表面有复合粘接材料；和

图4表示以图3的接头连接的两管道的的剖视 图；

现在参看附图，特别参看图1，以剖视图叙述 本发明的复合粘接材料(CBM)窄带10。CBM 一般由多个感受粒子11组成的，粒子是由具有一 层或多层涂层13的基片12构成的，粒子11分散 在基体14中。在专利申请序列号07/588591中 可以看到关于各种感受粒子和基体材料的更详细情 况，引用该申请的公开内容供参考。公开的基体材 料包括硅、硅橡胶和热熔粉。公开的感受基片包括 玻璃、云母、陶瓷、聚合物和粘合剂，能够接纳和 支持薄的、连续的、导电的或半导间的薄膜涂层。 公开的基片涂层包括具有电阻率在10-6欧姆厘米 到107欧姆·厘米范围内的导电和半导电的材料， 最好使感受粒子具有范围为10-2欧姆·厘米到108 欧姆·厘米的大幂次电阻率；优选的涂层材料包括 钨、锆、铜、铁、钛、铬、银、钼和铝，以及金属 的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物和磷 化物。涂层厚度最好在1到100埃的范围内。感 受基片可以使用在美国4618525号专利中描述的 相同技术(即汽相沉积，如在溅射或汽相涂覆 中)，该专利也引用供参考。

本发明指导使用CBM粘接热塑导管，特别是 粘接在天然气配气中使用的聚乙烯管道。在这里使 用的术语：“连接”和“粘接”不仅要产生一个新的连 接，如在管道的管端拼接和T型连接那样，而且 也修理(修补)管道中间部分中的旧接点或破裂。 另外，术语“管道”指任何导管，不论其尺寸或截面 形状如何。

现有参看图2，说明本发明用CBM连接两管 道的一种方法。有两管道20，其管端22在它们的 外表面已被切削，以提供管端部分具有比管道20 的其余部分稍微小点的外径。外表面切削的量大约 等于套管24的厚度，套管24是由本发明的CBM 构成的。套管24围绕切削的管端固定，然后每个 管道20的管端22插入传统的管道接头26。

接头26一般是空心圆柱体，用于接受管道 22，即接头26内壁的截面形状和尺寸与管道22 外壁的形状和尺寸大约相同。关于这点，应理解 为：根据管道20的尺寸，接头26可以是不同的 尺寸和形状，而且，两个不同尺寸(或形状)的管 道可以用在其每端具有两个不同内径(或截面形 状)的接头连接。接头26最好是在大约中心处其 内壁有环形凸缘28，以便保证管道22以适当距离 插入接头26。

当管道这样插入(具有固定在恰当位置的套管 24)时，可以对组装的接点加上微波能，使感受 粒子11快速地热起来。可以预料微波发生器具有 抓斗样式，因此，它可以放置在接点附近，在野外 环境中将提供可接受的微波辐射。这种发生器使用 一种电源，它与加利福尼亚州摩得斯托 (Modesto)的GerIing Laboratories销售的型号 为GL137R的电源相类似。这使得套管22熔化， 并进一步使管道20的管端22部分在其外表面熔 化，同样地使接头部分26在与套管22相邻的内 表面熔化。在微波发生器关断以后，所熔化的部分 迅速冷却，当它们冷却时熔合在一起形成一体的接 合体。因此基体14的材料最好与管道20的材料 和接头26的材料都能混合的。

这个技术比现有技术的粘接方法和材料有很多 优点。首先，与电熔接头相比，它相当便宜且极简 单。而且如果该方法引起不完全的粘接时，技术人 员简单地再给微波发生器接通电源再加热该接合处 和提供更完全的封接。由于CBM实际上与管道和 接头中的材料熔合在一起，所以得到的接合处清楚 地给予很强的粘接。由于热量直接集中在接头和管 道之间的分界面上，防止了由于过热使管道或接头 的大部分变形，所以功率损耗也比其它熔接技术 小。另外，使用上述技术提供了管道和接头之间的 机械锁定作用的意想不到的效果。由于热胀，已经 证明管道的外径稍微增加了，即，管道的管端向外 扩张。由于接头内表面的热量，这个影响产生接头 变形，使得管道的管端埋入管道接头中，大大地改 善了接合处的强度。这个锁定效果还可有效地用于 连接两个直径稍微不同的管道(即一个管道的内径 稍微大于第二管道的外径)，通过把CBM材料的 套管定位在较小管道的管端并把它插入较大的管 道。在加热CBM之后，内管道的管端将扩张并扩 展到外管道。最后，使用这里所教导的特别的感受 粒子和基体材料使得接合处具有很少的金属材料， 小到重量为1％的1/10，它满足天然气工业的严 格要求。当然，CBM可以复合成包括多到金属材 料重量为1％。

根据用途，由CBM构成的薄片或窄带粒子尺 寸可能变化很大。例如，在图2所示的应用中，很 明显套管周长必须等于管道切削部分的外部周长， 而套管22的宽度约等于从接头26的边缘到环形 凸缘28的距离。CBM的材料的厚度可以在约0.1 到10mm的范围内变化，而且取决于粒子的应用 和要求的加热及粘接的程度。

图3和图4中说明连接管道管端的另一个方 法。在这个方法中，使用接头26′，接头26′的内 径稍大于管道的标称外径。这允许CBM衬套预定 位在接头26′内，技术人员的任务减少到下列之 一：(1)把管道插入接头内，和(2)加上微波 能。本领域的技术人员认识到这些技术类似于上面 叙述的进行T型连接以及修补管道中间部分的破 裂或裂缝的技术，而且进一步认识到，一般地讲， 其它的连接技术也可利用本发明的CBM进行接合 处的微波粘接，例如，对头焊接(管道管端平 接)。两个相同的管道也可以不进行对头焊接而通 过切削一个管道的管端的外表面，从而减小该管端 的外径，并切削另一管道管端的内表面，从而减小 该管端的内径；则切削外表面的管道可以插入切削 内表面的管道，当然，在两管道管端之间放一个 CBM套管。

对在这里所考虑的特别用途，CBM的优选成 分包括中或高密度的聚乙烯基体，类似于用于构成 天然气配气管道的聚乙烯材料。该基体应与填塞的 材料可混合。关于这点，术语“可混合”意味着能够 在界面的表面溶解或拌合，不需要渗透填塞壁或电 缆外套的整个深度。感受粒子最好是玻璃纤维，该 玻璃纤维有低价氧化铝外涂层的钨涂层。另一种方 案，感受基片可以是聚乙烯溶珠，它进一步减少接 合外中“杂质”(即非聚烯烃类材料)的数量。 CBM窄带也可以提供格状中的很多孔，因而管道 或接头的热塑材料实际上渗透入CBM并与CBM 另一侧的材料直接熔合。

例如通过用额外的氧化铜涂层外涂典型的感受 粒子并增加感受粒子的容量填充，可以知道抗静电 特性。根据填充，这可知道CBM的电阻率低到 109欧姆·厘米，但是它可导致CBM具有比工业 标准要求更高的金属含量。

当参看下面的例子后，本领域的普通技术人员 将很清楚CBM的其它可替代的成分。在这些例子 中，所用的玻璃纤维是可以从俄亥俄州托茉多市的 Owens-Corning Fiberglass公司买到的 Owens-Corning739-DD1/16英寸。所用的云 母片是可从马里兰州猎谷的Marietta Resources International有限公司买到的 SUZORITETM200HK。

CBM的制造或者是将感受粒子11与所要求 的基体材料14混合并把这样的组合的材料热压为 薄片或窄带，或者是直接将混合物挤压为薄片。这 些CBM垫片的厚度是1.0mm。

所有要粘接的管道接合处包括由被扩大(约 2mm)的内径的标准2″聚乙烯接头，以接纳圆柱 体的CBM的衬套并仍然允许一根标准的2″聚乙 烯管道插入每一侧。管道插入接头25mm。CBM 衬套加在要熔接的接合处，然后用Ammana RC/20SE微波炉的微波能以约2千瓦的功率对该 组合件加热一段预定的时间。在通过加上微波能和 CBM之间的互作用产生的熔接之后，该组合件沿 它们的纵轴被截为四片用于检查和测试。所指的弯 曲试验是在Plexco-Chevron Bulletin 105Y中叙述 的工业标准90°弯曲试验，而且是熔接的接合处 的严格试验。“LDPE”是指低密度聚乙烯 (D＝0.910到0.925g/cm3)，“MDPE”是指中密度 聚乙烯(D＝0.926到0.940g/cm3)，而“HDPE” 是指高密度聚乙烯(D＝0.941到0.959g/cm3)。

例1：具有涂覆玻璃纤维的LDPE

玻璃纤维溅涂3.4毫微米的钨并外涂15毫微 米的低价氧化铝。线性的LDPE，联合碳化物 (Union Carbide)HS-7064，是以这样涂覆的玻璃 纤维量的10％在Heake Buchler RHEOCORDTM 系统40中混合。该CBM被热压为1.0mm的薄 片。由Dupont ALDYLTM“A”p E2406聚乙烯树 脂制作的管道接头AF08-1421PS的内径是钻孔 的，以容纳CBM圆柱体衬套。一根Dupont ALDYLTM“A”管道插入到接头的每一侧。该组合 件放置在微波炉中1.5分钟。熔接的组合件可观看 检查并在管道与接头的界面上表面熔化的痕迹。该 组合件在纵轴方向被截为四片。所有的粘接线显现 出均匀一致。一段经受弯曲试验并合格了。

例2：具有涂覆云母片的MDPE

云母片溅涂0.34毫微米的钨并外涂2毫微米 的低价氧化铝。MDPE Chevron9301-T由这样涂 覆的云母片量的10％混合并热压为CBM。具有上 述CBM衬套的黄色Plexco PE2406的聚乙烯直通 接头和两根黄色Plexco PE2406管道装配在一起并 放入微波炉中2.0分钟。在熔接之后，该组合件被 切开。粘接处显现完全均匀一致。

例3：具有涂覆云母片的MDPE

云母片溅涂0.34毫微米的钨并外涂2毫微米 的低价氧化铝。MDPE Chevron9301-7由这样涂 覆的云母片量的15％组合并热压为CBM。这种 CBM用于构成例2的管道和接头的组合件，然后 把它放入微波炉中熔接1.0分钟。该组合件被截为 四部分，而粘接处显现完全均匀一致。

例4：具有涂覆玻璃纤维的MDPE

玻璃纤维溅涂7.3毫微米的钨、外涂15毫微 米的低价氧化铝。MDPE Chevron9301-T由使用 2″的Baker Perkins型共同转动双螺旋压出机将涂 覆纤维量的5.4％混合。使用K-Tron T-35供料 器将该聚合物送入螺旋压出机。使用最高的20cc 径流聚合物齿轮传动泵来产生必须的压力这使混合 物通过具有模片开口约0.020″的标准6″单凸缘 压模。然后压出的材料进入由紧靠钢轧辊滚动的橡 胶滚子构成的辊隙，两者都用自来水冷却。使用标 准的输送带处理设备把该材料卷到收紧辊。 Orangc Wayne制造的具有上述CBM衬套的直通 聚乙烯接头500238238081 PE2406和二根桔黄色 Driscopipe PE2406聚乙烯管道装配在一起并放入 微波炉中4.0分钟。没有熔接或熔化出现。因此可 以相信，这个例子建立一个熔接的总的下限，包括 百分比粒子填充参数。粒子加热性能，CBM的厚 度和加上能源的瓦特·秒。

例5：具有涂覆玻璃纤维的MDPE

玻璃纤维溅涂3.4毫微米的钨，外涂15毫微 米的低价氧化铝。使用例4的压出过程，MDPE Chevron9301-T与涂覆玻璃纤维量的14.1％混合 制成CBM。二根黑色Plexco黄色带 PE3408HDPE管道与一根黑色Plexco直通接头装 配在一起，在用砂布擦管道的管端之后，使用上述 CBM并把组合件放入微波炉中1.5分钟。在接头 和管道之间的界面处周围熔化是很明显的。组合件 被切开而粘接显现完全均匀一致。一段经受弯曲试 验并且合格了。

例6：具有涂覆玻璃纤维的MDPE

玻璃纤维溅涂3.4毫微米的钨，外涂15毫微 米的低价氧化铝。使用例4的压出过程，MDPE Chevron9301-T与涂覆玻璃纤维量的14.1％混合 制成CBM。二根黄色PlexcoPE2406管道和一根 黄色PlexcoPE2406直通接头用上述CBM衬套装 配在一起并放入微波炉中45秒。组合件被切开， 而粘接显现完全一致。一段经受弯曲试验并且合格 了。

例7：具有涂覆玻璃纤维的MDPE

玻璃纤维溅涂7.3毫微米的钨，外涂15毫微 米低价氯化铝。使用例4的压出过程，MDPE Chevron9301-T与涂覆玻璃纤维量的19.5％混合 制成CBM。两根黄色Plexco PE2406管道和一个 黄色Plexco PE2406直通接头用上述CBM衬套装 配在一起放入微波炉中2.5分钟。组合件被切开， 粘接显现完全均匀一致，一段经受弯曲试验并且合 格了。

例8：具有涂覆玻璃纤维的MDPE

玻璃纤维溅涂7.3毫微米的钨，外涂覆15毫 微米低价氧化铝。使用例4的压出过程，MDPE Chevron9301-T与涂覆玻璃纤维量的19.5％混合 制成CBM。两根黄色PlexcoPE2406管道和一个 黄色PlexcoPE2406直通接头用上述CBM衬套装 配在一起放入LittonGENERATIONIITM型700 瓦的微波炉中7.0分钟。组合件被切开，粘接显现 完全均匀一致的，而且一段经受弯曲试验并且合格 了。这后两个例子说明粒子的加热性能与加能的瓦 特·秒确定合适的熔化条件。这些粒子即例8的粒 子不如所用的其它粒子那样有效，因此要求较长的 加热时间。要求的加能时间是按照微波源功率比的 倒数计算的。

例9：具有涂覆玻璃纤维的HDPE

玻璃纤维溅涂2.6毫微米的钨，外涂15毫微 米的低价氧化铝。使用例4的压出过程， HDPEChevronHiDTM9006-T与涂覆玻璃纤维量 的10.3％混合构成CBM#1。和使用例4的压出 过程，与同样的涂覆的纤维量的14.1％还混合构 成CBM#2。两根桔黄色DriscopipePE2406和一 个中央PE2406直通接头用CBM#1衬套装配在 一侧和用CBM#2衬套装配在第二侧。CBM约 0.76mm厚。组合件放入微波炉中1.5分钟。该组 合件被切开，粘接处显现完全均匀一致，一段经受 弯曲试验而且双侧都合格没有任何明显的损坏。

例10：具有涂覆玻璃纤维的HDPE

玻璃纤维溅涂2.6毫微米的钨，外涂15毫微 米的低价氧化铝。使用例4的压出过程， HDPEChevronHiDTM9006-T与涂覆玻璃纤维量 的20.4％混合构成CBM。两根桔黄色 PE2406Driscopipe和一个中央PE2406直通接头 在一侧使用20.4％CBM的衬套而在另一侧使用例 9的14.1％CBM的衬套装配在一起。组合件放入 微波炉中1.5分钟。该组合件被切开，粘接处显现 完全均匀一致。一段经受弯曲试验而且双侧都合 格。没有观察到明显的粘结和粘合的损坏。

例11：具有涂覆云母片的HDPE

云母片溅涂5.7毫微米的304不锈钢，利用例 4的压出过程，HDPEDOW8054与涂覆粒子量 7.4％混合产生CBM。两根桔黄色 PE2406Driscopipe和Wayne公司制造的 500238238081PE2406直通接头用上述CBM衬套 装配在一起，组合件放入微波炉中2分钟。固化的 组合件被切开，粘接显现完全均匀一致。

例12：具有涂覆云母片的HDPE

组合件与例11中的一样。组合件经受微波炉 3.0分钟。该组合件被切开，粘接显现完全均匀一 致。

例13：具有涂覆云母片的HDPE

组合件与例11中的一样。组合件经受微波炉 4.0分钟。该组合件被切开，粘接线显现完全均匀 一致。但是其它区域表示明显的过热。

例14：具有涂覆云母片的HDPE

云母片溅涂0.34毫微米的钨，并外涂2毫微 米的低价氧化铝。如例1那样， HDPEChevronHiDTM9006-T与涂覆粒子量10％ 混合产生CBM。两根桔黄色PE2406Driscopipe 和Wayne公司制造的桔黄色PE2406直通接头用 上述CBM的衬套装配在一起。组合件放入微波炉 中1.5分钟。组合件被切开，粘接显现完全均匀一 致。

例15：具有云母片的HDPE

除了在CBM中使用涂覆云母片量5％以外， 组合件与例14相似。组合件放入微波炉中3分 钟。熔化的外观很好。CBM塑变很好，并说明熔 化很好，在粘接切开后显现完全均匀一致。

例16：具有涂覆云母片的HDPE

云母片溅涂钨并外涂低价氧化铝。 HDPEChcvronHiDTM9006-T以例1的方法与涂 覆粒子量20％混合产生CBM。3″外径的聚乙烯管 道与两个聚乙烯管端盖帽及CBM衬套装配在一 起，并且相熔接。在一个盖帽钻一个孔并接入一根 压力管。该组合件通过增加气压量进行压力实验。 在所加压力为700磅/英寸2时管道段可看到扩张， 但是没有出现任一个盖帽密封的破裂。第二管道段 类似地与两个管端盖帽装配在一起并且进行类似的 实验，但是加更高的压力。管道段在中间部分出现 破裂，但是熔接处仍无损伤。

虽然参照特定的实施例叙述了本发明，但是这 些叙述并不意味着以有限的意义进行解释。在参照 本发明的叙述之后，本领域的技术人员将会明白所 公开的实施例的各种修改以及本发明的各种替代的 实施例。因此可以预料到：进行这些修改是不脱离 如所附的权利要求书中确定的本发明的精神和范围 的。