拉纏成型碳纖維增強環(huán)氧樹脂管制造技術(shù)

前言

我們分析傳統(tǒng)的纖維纏繞、拉繞等工藝不能生產(chǎn)出合乎內(nèi)外徑均有尺寸公差、光潔度及徑向強度均要求的產(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)品對象
產(chǎn)品名稱：薄壁環(huán)氧增強纖維絕緣管
產(chǎn)品直徑：￠8-18㎜

性能指標


該絕緣管具有高扭轉(zhuǎn)強度，經(jīng)UL認證，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，增加徑向強度；單向拉擠，形成較光滑的外壁。

若采用無捻粗紗/拉/纏/拉，則徑向強度明顯過低；若增加環(huán)向纏繞，壁厚又偏厚；先拉后繞則拉擠難以進行，外表亦不會理想。其次，環(huán)向紗筒還要不時更換；增加纏繞部件，設(shè)備費亦不菲。

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)進入模腔，實現(xiàn)拉擠同時膠凝固化而成為成品管材。

對較密實的纖維套管，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。

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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。編織過程腫，纖維的運動軌跡為螺旋線。選擇合理的纖維角度可調(diào)節(jié)成品管材徑向強度與軸向強度的比例；選擇適宜的纖維排列密度可滿足強度與外觀的要求。


在線編織的坯管由拉擠機的牽引裝置弋引。芯模固定不動。坯管沿芯模織好，由芯模前端進入模具，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，實質(zhì)就是一種連續(xù)樹脂傳遞成型工藝（CRTM）。

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3 編織管的設(shè)計計算
編織紗束均為偶數(shù)，我們采用的是24錠。


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動軌跡為圓柱螺旋線，其方程為式中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。 copyright 123456

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）分別計算出的N值互為參考，最后N值由強度、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)

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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TL=σH AL=σf A cosα …………………(9)
或σH＝σf cos2α ……………………(10)
徑向 TH =σL AH=σf Asinα…………………(11)
同理σL＝σf sin2α …………………(12)
徑向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力之比TL/ TH=(12)/(11)=ctg2θ………(13) 123456

由式（13）可見調(diào)節(jié)θ角，即可調(diào)節(jié)管材徑、軸向強度比。具體強度計算，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，當強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行。

4 設(shè)備要求

4.1 拉擠機
因產(chǎn)品系薄壁，宜采用履帶式拉擠機。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
根據(jù)工藝要求，選擇立式或臥式編織機。編織機生產(chǎn)企業(yè)頗多，如非自行特殊訂貨，須將原機上的卷取部分――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。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示 芯模自縫編機尾端直穿入模具，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)一標準，各廠迥異。須根據(jù)實物測量，取平均值，作為實際的設(shè)計參數(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、與玻纖復(fù)合界面剪切強度高、力學性能好之故；其次其固化時無低分子放出，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。 copyright 123456

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
促進劑 季胺鹽（芐基三乙基氯化胺） 2
實踐中亦有以咪唑取代季胺鹽者，效果較好。
模具長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材料學院復(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190℃，黏度可低到80mPa•s，浸漬性大為提高。下面是武漢理工大學與美國某公司環(huán)氧樹脂實物的測試結(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格遠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％的樹脂力學性能為：拉伸強度 > 72Mpa

本文來自123

彎曲強度 >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40年代末，迄今也已逾半個多世紀，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，各項技術(shù)指標均合格，并已在2009年獲得國家發(fā)明專利。

參考文獻：

[1] 張耀明，李巨白，姜肇中。 玻璃纖維與礦物棉全書
北京：化學工業(yè)出版社，2000
[2] 詹英榮 玻璃鋼/復(fù)合材料 原材料性能與應(yīng)用 copyright 123456
北京：中國國際廣播出版社1995
[3] 中國玻璃鋼工業(yè)協(xié)會 玻璃鋼簡明技術(shù)手冊
北京：化學工業(yè)出版社 2005 第2版
[4] 北京251廠，北京玻璃鋼研究所 玻璃鋼工藝和性能
北京：中國建筑工業(yè)出版社 1974
[5] 翁祖祺，陳博，張長發(fā) 玻璃鋼工業(yè)大全
北京：國防工業(yè)出版社 1992