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。

     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)

   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。

       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。

       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。
            


 

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。

       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。
            
 

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。

       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。

       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。
                                          
         
       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）。

      編織紗束均為偶數(shù)，我們采用的是24錠。
       
   
            
       圖 5 纖維軌跡圖                                                         圖 6 纖維應(yīng)力分析

圖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

σ_f ――每束纖維的應(yīng)力

A_L――軸向面積分量

A_H ――徑向面積分量

σ_L―-軸向應(yīng)力

σ_H―-徑向應(yīng)力

應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)理論分析

A_L=A/cosα

軸向T_L=σ_H A_L=σ_f A cosα …………………(9)

或σ_H＝σ_f cos²α      ……………………(10)

徑向 T_H =σ_L A_H=σ_f Asinα…………………(11)

同理σ_L＝σ_f sin²α       …………………(12)

徑向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力之比T_L/ T_H=(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。

       4.1    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    編織機(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
              


                  圖 7 連續(xù)RTM――在線編織拉擠成型示意圖

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。

      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。

       6.1  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）

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。

      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。