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        泰山玻璃纖維
        浙江大匯-承載膜
        沃達(dá)重工 液壓機(jī) 華征新材料 天騏機(jī)械
        當(dāng)前位置: 首頁 » 復(fù)材學(xué)院 » 學(xué)術(shù)論文 » 正文

        CRTM(在線編織-拉擠成型)薄壁纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂管制造技術(shù)

        放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2014-04-28  來源:中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì),北京100831  作者:陳博 曹淑鳳  瀏覽次數(shù):801
        核心提示:提出一種不同于纖維纏繞、拉繞等現(xiàn)有方法的連續(xù)RTM法在線編織成纖維管 ,旋即在模內(nèi)浸漬樹脂,經(jīng)拉擠成型薄壁環(huán)氧玻璃鋼管的工藝方法。
        前言
              2004年,蘇、豫有關(guān)企業(yè)找到協(xié)會(huì),稱國際市場(chǎng)上需要薄壁環(huán)氧玻璃鋼管系列產(chǎn)品。我們分析因其內(nèi)外徑均有尺寸公差、光潔度及徑向強(qiáng)度均有要求,用傳統(tǒng)的纖維纏繞、拉繞等工藝不能生產(chǎn)出合乎要求的產(chǎn)品,遂提出以連續(xù)樹脂傳遞成型法(在線編織――拉擠成型)制造工藝。
        1   產(chǎn)品對(duì)象
             產(chǎn)品名稱:薄壁環(huán)氧玻璃鋼絕緣管
             產(chǎn)品直徑:¢8-18㎜
        性能指標(biāo)
        公制單位
        保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室規(guī)范
        材料類型
        AFW-G-10
        最小厚度
        0.74mm/1.45mm
        ANSIFW-G-10類顏色
        原色
        UL-94可燃性等級(jí)
        94HB
        UL746耐大電流電弧能力引燃電弧數(shù)
        O.S.14
        1.59mmA.S.120以上
        UL746熱線引燃-
        引燃時(shí)間(秒)
        300以上
        ASTMD495耐電弧能力-漏電/引燃(秒)
        130
        UL746耐高電壓電弧能力-漏電/引燃(秒)
        180
        UL746電弧漏電速度(mm/分鐘)
        2.34/1.80
        內(nèi)徑(LD)
        ±0.025㎜
        外徑(OD)
        ±0.13㎜
        長(zhǎng)度
        ±0.25㎜
        標(biāo)準(zhǔn)TIR同心度
        0.10㎜
        選用TIR同心度
        0.05㎜
        物理特性
        壓縮強(qiáng)度
        137.9MN/㎡
        抗拉強(qiáng)度
        137.9MN/㎡
        剪切強(qiáng)度
        44.8MN/㎡
        2小時(shí)吸水率
        0.12%
        24小時(shí)吸水率
        0.16%
        電氣特性
        絕緣電阻(歐姆/20㎝)
        2.38×1012
        體積電阻率(歐姆/㎝)
        2.41×1015
        表面電阻率(歐姆)
        3.93×1015
        短時(shí)間介質(zhì)強(qiáng)度(伏/米)
        7.9MV/m
        介電常數(shù)(60cps)
        4.15
        耗散因數(shù)(60cps)
        0.0094
        11/2-40u波(軸向)脈沖(伏/米)
        7.9MV/m
        功率因數(shù)(60cps、100伏)
         
        最大百分比
         
        收貨時(shí)
        5.0
        于攝氏100度下
        10.0
        24小時(shí)后
         
        于攝氏38度、96%相對(duì)溫度下
        10.0
           該絕緣管具有高扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度,經(jīng)UL認(rèn)證,可在攝氏180度下連續(xù)使用。
        2  工藝方法選擇
         
        2.1 纖維纏繞法(FW
               FW法外徑光潔度與公差無法保證,若經(jīng)磨削加工,成本增加,且破壞纖維。
        2.2 拉繞法
               其工作原理是先拉,形成單向里層;環(huán)向纏繞,增加徑向強(qiáng)度;單向拉擠,形成較光滑的外壁。
                     QQ圖片1


         
        圖1   拉繞工藝原理圖

         
               若采用無捻粗紗/拉/纏/拉,則徑向強(qiáng)度明顯過低;若增加環(huán)向纏繞,壁厚又偏厚;先拉后繞則拉擠難以進(jìn)行,外表亦不會(huì)理想。其次,環(huán)向紗筒還要不時(shí)更換;增加纏繞部件,設(shè)備費(fèi)亦不菲。
        2.3 成品纖維套管拉擠法
               此法無一般拉擠FRP管所需要的芯模支座,此法芯模是懸于模外。
               成品纖維套管拉擠法的模具原理如圖2所示。芯模左端以球形部分定位,使之軸向定位。
               成品纖維套管在右端膠槽浸漬樹脂后沿芯模連續(xù)進(jìn)入模腔,實(shí)現(xiàn)拉擠同時(shí)膠凝固化而成為成品管材。
                     QQ圖片2
         


        圖2   成品纖維套管拉擠法模具原理圖

         
               對(duì)較密實(shí)的纖維套管,難以將其變形,從而拉不過去。
        2.4 在線針織纖維套管拉擠法
               一般針織物(Knitted fabric)具有彈性和延伸性,易變形、尺寸不穩(wěn)定,不宜用于拉擠工藝。
        2.5 最后的選擇――連續(xù)RTM-在線編織拉擠成型法
               編織是一種古老的織造技術(shù)。編織物(braid)所有的纖維均斜交,與軸線夾角不呈0°與90°。編織原理與編織管如圖3、圖4所示。編織過程中,纖維的運(yùn)動(dòng)軌跡為螺旋線。選擇合理的纖維角度可調(diào)節(jié)成品管材徑向強(qiáng)度與軸向強(qiáng)度的比例;選擇適宜的纖維排列密度可滿足強(qiáng)度與外觀的要求。
            QQ圖片3                             QQ圖片24         
                 
               
        圖3 編織原理圖                                          圖4 編織套管

               在線編織的坯管由拉擠機(jī)的牽引裝置弋引。芯模固定不動(dòng)。坯管沿芯??椇?,由芯模前端進(jìn)入模具,在模具前端的樹脂浸漬區(qū)內(nèi)浸漬樹脂(樹脂系在壓力下源源注入模腔),經(jīng)牽引通過加熱的模具(基體樹脂在模內(nèi)膠凝、固化),最終成為FRP管材成品。分析此原理應(yīng)能制得符合技術(shù)性能要求的復(fù)合管。這種在線編織拉擠成型(樹脂由外注入模具內(nèi))的工法,實(shí)質(zhì)就是一種連續(xù)樹脂傳遞成型工藝(CRTM)。
        3    編織管的設(shè)計(jì)計(jì)算
              編織紗束均為偶數(shù),我們采用的是24錠。
               
        QQ圖片5   QQ圖片6
                    
              
        圖 5 纖維軌跡圖                                                         圖 6 纖維應(yīng)力分析

        4-圖6中:
        D--管徑
        H――螺距
        A――紗束寬度
        B――紗束軸向高度
        θ——紗束方向與軸線Y的法線所形成的角度
        α――纏繞角
              α+θ=90º
        N――紗束(錠子)數(shù)
        B=A/cosθ=A/sinα ……………………(1)
        N=πD/Acosα=πDsinθ/A………………(2)
        式(1)中A/sinα或A/cosθ為紗束寬A在軸向的投影。
        式(2)中的Acosα或sinθ/A為紗束寬A在圓周上的投影。
        N≥16,取偶數(shù)值。
        紗束在編織過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡為圓柱螺旋線,其方程為

        X=Dcost/2 ……………………(3-1)
        Y=Dsint/2 ……………………(3-2)
        Z=Kt      ……………………(3-3)

        式中K值取決于拉擠牽引速度,t角度值為紗束所在錠子相對(duì)于纖維套管軸線所轉(zhuǎn)過的角度,而非繞錠子軸線所轉(zhuǎn)過的軸線。
        由圖5:H=πDtgθ……………………(4)
        由圖4:N=2H/B   ……………………(5)[1]
                式(5)中,因編織工藝,故有2倍關(guān)系;
                式(4)與式(5)分別計(jì)算出的N值互為參考,最后N值由強(qiáng)度、表觀等因素決定之。
        將式(1)B=A/cosθ代入式(5):
        H=NB/2=NA/2cosθ……………………(6)
        式(6)得出了螺距H、紗束寬度、錠子(紗束)數(shù)N三參數(shù)間的關(guān)系;此三參數(shù)為編織管的主要參數(shù),錠子數(shù)量即決定編織密度。
        由式(4)與(6):H=πDtgθ=πDsinθ/cosθ=NA/2cosθ
                         πDsinθ=NA/2
                         sinθ.sinθ=(NA/2πD)2
        ∵ sin2 θ+cos2θ=1
         ∴ cosθ=[1-(NA/2πD)2 ]1/2 ……………………(7)
        將式(7)代入式(6):
        H=NA[1-(NA/2πD)2]-1/2/2=πD[(2πD/NA)2-1]-1/2 ………………(8)
        式(8)表明管徑D與螺距H、紗束粗細(xì)A、錠子數(shù)成正比。

         
        圖6 為紗束應(yīng)力分析圖
        A0 ――每束纖維截面積
        σf ――每束纖維的應(yīng)力
        AL――軸向面積分量
        AH ――徑向面積分量
        σL-軸向應(yīng)力
        σH-徑向應(yīng)力
        應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)理論分析
        AL=A/cosα
        軸向TLH ALA cosα …………………(9)
        或σH=σcos2α      ……………………(10)
        徑向 TH L AHAsinα…………………(11)
        同理σL=σsin2α       …………………(12)
        徑向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力之比TL/ TH=(12)/(11)=ctg2θ………(13)
              由式(13)可見調(diào)節(jié)θ角,即可調(diào)節(jié)管材徑、軸向強(qiáng)度比。具體強(qiáng)度計(jì)算,可參閱《玻璃鋼工藝與性能》,此不贅述。(北京251廠編 中國建筑工業(yè)出版社 1974年版)
        值得一提的是,當(dāng)強(qiáng)度已滿足要求的前提下,取較小的θ角有利于拉擠工藝的順利進(jìn)行。
        4   設(shè)備要求
               4.1    拉擠機(jī)
               因產(chǎn)品系薄壁,宜采用履帶式拉擠機(jī)。其牽引履帶上應(yīng)采用聚氨酯橡膠塊。橡膠塊與所牽引管接觸處應(yīng)有相應(yīng)的弧形,(弧形直徑略大于管外徑)。
               4.2    織機(jī)
              根據(jù)工藝要求,選擇立式或臥式編織機(jī)。編織機(jī)生產(chǎn)企業(yè)頗多,如非自行特殊訂貨,須將原機(jī)上的卷取部分――搖柄、蝸輪、卷取盤等取下。原卷取軸改換為相應(yīng)直徑的芯模,此芯模伸入模具內(nèi),其外徑即為管材內(nèi)徑,故對(duì)其須有尺寸精度與光潔度的要求;此軸應(yīng)牢固固定,不得有抖動(dòng)。其根部直徑可較伸入模具部分段直徑略大。
               4.3    浸漬部件
                      QQ圖片7


                          圖 7 連續(xù)RTM――在線編織拉擠成型示意圖
        7示 芯模自縫編機(jī)尾端直穿入模具,故無傳統(tǒng)浸膠槽。樹脂通過泵,在壓力下注入模具前端的腔內(nèi)。
              4.4    模具
              除前端為浸漬區(qū)外,無特殊要求。
        5   增強(qiáng)材料
              我們采用的是800、1200Tex的無堿玻璃纖維直接無捻粗紗,其浸潤(rùn)劑需與所用樹脂基體相適應(yīng),并符合編織與拉擠工藝的要求。按浸潤(rùn)劑分,屬W類。
        玻纖紗的原始的寬度與厚度及其浸膠后的寬度與厚度無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),各廠迥異。須根據(jù)實(shí)物測(cè)量,取平均值,作為實(shí)際的設(shè)計(jì)參數(shù)。
              據(jù)了解,有的玻纖企業(yè)的無捻粗紗較扁平,有的企業(yè)的紗則相反。如某1200tex的無捻紗的紗片寬2.27mm,浸膠后厚0.4mm。
        6     基體樹脂
               6.1  選用環(huán)氧樹脂,蓋因其黏結(jié)力強(qiáng)、與玻纖復(fù)合界面剪切強(qiáng)度高、力學(xué)性能好之故;其次其固化時(shí)無低分子放出,體積收縮率一般為1%-2%,國外已有萬分之一收縮率的環(huán)氧樹脂。(不飽和聚酯樹脂體積收縮率為7%-9%)2,拉擠產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性好。
        采用酸酐固化體系,配比為:
        環(huán)氧樹脂   100
        引發(fā)劑     甲基四氫鄰苯二甲酸酐 80
        促進(jìn)劑     季胺鹽(芐基三乙基氯化胺) 2
        實(shí)踐中亦有以咪唑取代季胺鹽者,效果較好。
        模具長(zhǎng)900mm,溫度控制分為三段:
        第一段        120℃
        第二段        140℃
        第三段        170℃
               6.2    為改善工藝性,建議采用武漢理工大學(xué)材料學(xué)院復(fù)合材料系研發(fā)的高性能低黏度環(huán)氧樹脂。其已開發(fā)的樹脂玻璃化溫度(Tg)達(dá)190℃,黏度可低到80mPa·s,浸漬性大為提高。下面是武漢理工大學(xué)與美國某公司環(huán)氧樹脂實(shí)物的測(cè)試結(jié)果,可資比較參考。
        樹脂澆鑄體及玻璃鋼(無堿1:1布)力學(xué)性能比較
        (固化制度:室溫/24h+80℃/4h)
        測(cè)試項(xiàng)目
        澆鑄體
        玻璃鋼
         
        美國某公司
        武漢理工大學(xué)
        美國某公司
        武漢理工大學(xué)
        拉伸強(qiáng)度/Mpa
        64.56
        71.48
        349.55
        388.43
        拉伸模量/Gpa
        2.55
        2.90
        17.02
        16.89
        斷裂伸長(zhǎng)率/%
        2.55
        4.36
        2.46
        2.20
        彎曲強(qiáng)度/MPa
        102.59
        88.44
        335.72
        436.04
        彎曲模量/Gpa
        2.89
        3.02
        13.41
        14.77
        壓縮強(qiáng)度/Mpa
        55.74
        103.40
        242.85
        252.22
        沖擊韌性/kJ/m2
        16.12
        23.08
        267.60
        339.50
        熱變形溫度/℃
        77.8
        78.2
           
        25℃黏度/Pa·s
        0.126
        0.149
        25℃凝膠時(shí)間/min
        140
        150
        50℃溫度下最高放熱溫度/℃
        60
        72
        80℃溫度下最高放熱溫度/℃
        150
        140
        6.3  液體雙馬來酰亞胺樹脂
              625所已故資深研究員趙渠森先生幾年前研發(fā)的液體雙馬來酰亞胺樹脂價(jià)格遠(yuǎn)低于通常雙馬來酰亞胺樹脂;可采用不飽和聚酯樹脂的固化體系,加入固化劑后使用壽命在24h內(nèi),其年度為120mPa·s,固體含量67%的樹脂力學(xué)性能為:拉伸強(qiáng)度   > 72Mpa
        彎曲強(qiáng)度   >136Mpa
        拉伸延伸率 >2.5%
        熱變形溫度 >121℃
        巴氏硬度     55
        說明其工藝性較一般雙馬佳。此種樹脂在高溫環(huán)境下耐酸、堿、韌性好,亦可考慮選用。
        7    結(jié)語
              據(jù)了解,編織工藝在19世紀(jì)下半葉已出現(xiàn),迄今已100多年,而FRP拉擠工藝則出現(xiàn)在上世紀(jì)40年代末,迄今也已逾半個(gè)多世紀(jì),都是十分傳統(tǒng)的工藝了。筆者提出將兩種工藝結(jié)合起來,在線編織拉擠成型FREPR薄壁管材,也算推陳出新吧。而樹脂注射到模腔內(nèi),亦可納入CRTM范疇。本工藝由河南鵬翔科技有限公司歷經(jīng)三年艱辛已投入生產(chǎn),產(chǎn)品經(jīng)檢驗(yàn),各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均合格,并已申報(bào)專利。
         
         
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