Vol.1
行业痛点——桥梁索杆老化开裂原因
根据《斜拉桥用热挤聚乙烯高强钢丝拉索》（GB∕T 18365-2018）及《悬索桥吊索》（GB∕T 39133-2020）的规定，无论是平行钢丝拉/吊索还是钢绞线拉索均使用了高密度聚乙烯（HDPE）作为护套材料，可以为桥梁索体系内部的钢丝提供防水保护，避免钢丝因为雨水或者湿气侵蚀的原因而发生腐蚀。
港珠澳大桥斜拉索
聚乙烯是一种比较常见的有机高分子聚合物，聚乙烯分子链结构如下：
聚乙烯分子结构式
从上述结构式我们可以发现，聚乙烯分子以C-C键作为分子主链，主链上的的每个碳原子还分别以C-H键的形式连接了两个氢原子，形成饱和的稳定分子结构，赋予了聚乙烯分子稳定的化学特性，机械强度高，冲击强度高，无毒，耐酸碱，耐低温，低介电损耗等。
桥梁索体系护套所采用的种类为高密度聚乙烯，将高密度聚乙烯按照一定比例加入色粉，功能性填料，各种加工助剂以及合适的防老化助剂可以制成各种具有不同性能的改性材料，通过挤出机进行双层共挤就得到了我们常见的索体护套。
在桥梁应用实践中我们发现，采用改性高密度聚乙烯制成的拉索护套综合防护效果好，强度高兼具一定的柔软性，能够满足拉索打卷，运输，放卷，吊装等各种工况的要求。
我们使用视觉检查机器人对数千根不同运营期的拉索表面进行了外观检查，发现HDPE护套表面会存在各种各样的病害情况，病害的分类主要包括以下几类：
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建设期的机械损伤（运输，挂索时造成的刮伤，撞伤或者夹伤等）；
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运营期的应力开裂（高密度聚乙烯材料耐环境应力开裂性能不足）；
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老化开裂（天候老化）。
第三种老化开裂是属于聚乙烯分子本身结构的问题，必须通过配方设计以及其他辅助措施来解决（材料应用层面）。
爬索机器人外观检查
老化微裂纹
经过大量的数据统计分析，我们发现了一些规律：拉索护套在通车6年内多数不会发生明显的老化迹象，一般在使用年限接近10年左右的拉索表面通常肉眼可见明显的裂纹，但也存在部分在5年左右就开始明显老化，拉索的向阳面尤为明显。由此可见，拉索表面的老化现象与太阳光照有很大相关性。
使用12年斜拉索护套表面裂纹情况
我们通常认为太阳光中的紫外线波长分布是从200nm-380nm，但到达地表的紫外线一般都以280nm以上波段为主，而280nm以下波段的紫外光由于大气臭氧的吸收，其辐射强度以4次幂的速率随波长递减，到达地表的紫外线辐射已经微乎其微。
根据爱因斯坦光子能量理论E=hc/λ，可以计算出不同波段的紫外光所对应的能量，其中280nm波长紫外线对应的能量应为428KJ/mol，我们以428KJ/Mol作为评估材料受到紫外线老化的一个标度，键能低于该数字的化学键可能会在紫外线的照射下发生断键老化。
常见化学键键能键长及原子范德华半径
由上表可知，聚乙烯分子内部C-C键键能为346KJ/Mol，C-H键键能为411KJ/mol，均小于280nm紫外线对应能量级别，因此在地表环境下，聚乙烯材料容易因为紫外线的照射而发生断键老化。
实际的工程应用中，为了克服聚乙烯材料分子结构上的缺陷，延长聚乙烯材料在户外的使用时间，通常会在HDPE材料内加入炭黑、钛白粉以及紫外线吸收剂对其进行改性，其中炭黑与钛白粉对紫外线主要起到阻隔作用，而紫外线吸收剂则通过具有特殊结构的物质吸收达到聚乙烯表面的紫外线能量的方法，减少紫外线对HDPE材料破坏的目的。在聚合物中加入紫外线吸收剂来抗紫外老化的方法是一种消耗型的解决方案，随着材料使用年限的增加，一旦加入到聚乙烯材料内部的紫外线吸收剂被耗尽，材料防老化效果将急速下降。
与此同时，由于生产缆索用改性聚乙烯的厂家水平参差不齐，每个厂家的配方都不太一样，个别厂家为了节约成本甚至使用回收料进行生产，导致个别桥梁索体的HDPE护套耐老化性能差，随着使用年限增加，索体护套表面自然而然就出现大量裂纹。
Vol.2
延长老旧索体使用寿命的思路
我国数量巨大的存量桥梁拉索护套陆续开始出现老化迹象，而这些护套出现老化问题的大部分索体内部钢丝腐蚀情况并不是十分严重，如果将其全部更换将带来极大的浪费。为此广州缆索新材料科技有限公司致力于寻找不同的材料与工法，对存量桥梁索体表面进行改造，延长老旧索体的使用寿命，减少浪费，所需材料与工法应具备以下特点：
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新材料自身必须具备良好的耐老化性能且能够有效阻隔紫外线；
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该工法施工必须容易实现，且不需要过多的改变现有拉索的结构；
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该工法必须具有一定的经济性。
正如前面分析的情况，聚乙烯护套材料老化的根本原因还是由分子结构决定的，聚乙烯分子碳碳键键能较低，低于近紫外波长范围，容易因紫外线照射而发生老化。如果在聚乙烯分子侧链引入电负性极高的氟元素，形成一个全新的分子结构形式，如聚氟乙烯（PVF），（MFP）等将极大改变材料的各项性能。
氟是元素周期表中电负性最大的元素，一般聚烯烃分子的碳链成锯齿形，若氟原子替换氢原子，由于氟原子上负电荷比较集中，电负性大，电子云密布，相邻氟原子的相互排斥使氟原子不在同一平面内，主链中C-C-C键角变小，沿碳链做螺旋分布，故碳链四周被一系列性质稳定的氟原子所包围。而氟原子的共价半径非常小，两个氟原子的范德华半径之和是2.7×10-10 m。两个氟原子正好把两个碳原子之间的空隙（两个碳原子之间距离为2.54×10-10 m）填满，使任何反应试剂难以插入，保护了碳碳主链；而且氟原子与碳原子形成的F-C键的键能比C-H键要强，在含氟树脂中，由于C-F键的键能比C-H键能强，氟原子的电子云对C-C 键的屏蔽作用较氢原子强，因而氟原子可以保护C-C键免受紫外线和化学物品的危害，使得含氟聚合物具有优异的耐候性，耐久性和抗化学品性能。
聚氟乙烯分子结构式
常见化学键键能键长及原子范德华半径
因此，将上述聚氟乙烯材料制成特定厚度的薄膜，通过缠包机将其以螺栓绕包的方式覆盖到索体表面形成一层强大的保护层，阻隔达到索体护套表面的紫外线，将可以达到保护聚乙烯材料免受老化的目的。
缆索新材公司正在进行拱桥吊杆PVF缠包
基于上述思路，广州缆索新材料科技有限公司将原产自美国杜邦公司的Tedlar PVF薄膜，先通过特种耐候胶水将多层PVF薄膜复合起来（目的包括两个方面：其一是为了增加薄膜厚度，使得产品获得更佳的密封性和阻隔效果；其二是为了增大产品的强度，以满足产品经受挂篮等措施碾压的能力），然后再在薄膜的其中一个面涂布高粘接强度的耐候胶水，将其制成一种单面可贴的高性能PVF缠包带，用于桥梁缆索的防老化密封保护用途。
索杆PVF缠包带产品及结构
为什么我们优先选用杜邦公司的薄膜？
Tedlar® PVF(POLYVINYL FLUORIDE) 是美国杜邦公司于20世纪40年代发明的聚氟乙烯材料，于1961年投入商业应用。50多年来，它被广泛应用于航空航天、建筑外墙和屋顶、太阳能电池组件、户外广告及内饰表面保护等多个行业领域。Tedlar® 主要以不同厚度的薄膜形式存在，可以复合在金属等多种材料表面。
杜邦公司Tedlar® PVF薄膜在建筑外墙装饰的应用案例已经长达50年（如：巴黎铂尔曼酒店），Tedlar® PVF薄膜在屋顶彩钢瓦保护方面已有长达39年的使用案例（日本）。直至今日，上述案例依然在使用且材料依然没有明显的老化现象，详见下图资料。
杜邦应用公开资料
而在桥梁领域，杜邦PVF膜制成的缠包带应用到斜拉索表面的应用案例最早为某大桥于1993年缠包了杜邦公司的PVF缠包带，直到2006年胶带依然没有发现明显老化现象，但由于当时为桥梁拉索的缠包施工缺乏完善的施工经验且缠包的为单层总厚度为50μm的PVF缠包带产品，施工效果欠佳，于是该桥于2006年进行了二次缠包。
某大桥使用13年后PVF缠包带状态
国内外的案例证明了以聚氟乙烯（PVF）材料制成的PVF缠包带确实具有很好的耐老化性能，能够极大地改善索体护套的耐老化性能。
与此同时，从因施工不良造成缠包后拉索总体保护效果欠佳的案例分析，缠包过程质量控制对PVF缠包带的使用效果也十分关键。
通过研究发现：
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针对斜拉索这种倾斜度较大，需要借助爬索挂篮进行施工的索体系，应该对爬索挂篮的导轮进行优化设计以减少导轮对缠包后的PVF造成碾压性伤害，同时应尽量采用更高强度的PVF缠包带（如广州缆索新材料科技有限公司研发的增强PVF缠包带，抗拉强度达到了7.0N/mm以上，在相同厚度的条件下比同类产品强度高出40%）进行缠包，以应对复杂的施工环境。
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而针对吊杆/吊索这种垂直度高，且不需要经受吊篮碾压的小直径索体系而言，则可采用相对低强度，但柔软性好，断裂伸长率高的缠包带（如广州缆索新材料科技有限公司研发的MFP缠包带，断裂伸长率＞200%）进行缠包，以获得更佳的贴服性和粘接效果。
Vol.3
揭秘高性能PVF带生产过程
那桥梁PVF缠包带是如何制成的呢？主要工艺历程包括4个步骤：
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原材料检验（杜邦PVF膜，耐候胶水，离型膜等）
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基础膜复合（PVF膜复合）
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背胶（涂布压敏胶）
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分条、包装
制作完成后的成品还需要进行严格的检测检验，以确保产品的性能满足各方面的力学和耐久性要求。
下面通过我们生产车间现场图片简单展示主要生产工序，以及介绍每个工序的主要性能控制指标：
原材检测（保证外观、有效厚度等）
调配耐候胶水（保证缠包带复合性能）
进行PVF膜的复合（增加缠包带总体厚度并提高缠包带抗拉强度）
进行压敏胶背胶（保证缠包带剥离强度）
产品分切成卷（适应不同索径及缠包机尺寸）
Vol.4
产品检验
PVF缠包带生产出来后需要经过层层检验，主要包括出厂检验以及第三方检验（型式检验/关键指标检测），各项指标必须严格按照相关的检测标准进行检测，确保产品的性能满足各方面的力学和耐久性要求 。
拉力机抗拉试验
增强PVF缠包带基本性能要求
为了证明PVF缠包带满足耐久性的要求，还需要对PVF缠包带进行人工氙灯老化以及湿热老化测试。
PVF缠包带人工氙灯老化测试
增强PVF缠包带耐老化性能要求
产品检测须调研委托具备中国计量认证能力及相应检测参数的第三方检测单位进行检测，确保出具的加盖CMA章检测报告具有相应的法律效力。
第三方检测单位必须具备的检测参数
PVF缠包带基本性能第三方检验报告
PVF缠包带耐湿热老化第三方检验报告
PVF缠包带湿热老化实验
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