CN101708657B - 复合材料多层斜拉缠绕生产方法及其生产线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有横向缠绕纤维的复合材料空腹管材的生产方法和生产线，它通过在纵向拉挤纤维表面缠绕正反方向相反的横向缠绕层，提高了复合材料空腹管材的抗弯曲能力，消除了单纯纵向复合材料空腹管材使用中常出现的分层现象，大大提高了复合材料管材的性能，拓展了其应用领域。

Description

复合材料多层斜拉缠绕生产方法及其生产线

本发明的部分内容同时申请了实用新型专利 

技术领域

本发明涉及一种复合材料空腹(如碳纤维、玻璃纤维等)管材的生产方法及其生产设备，尤其是一种复合材料空腹管材的生产方法及其生产线，具体地说是一种复合材料空腹管材多层斜拉缠绕生产方法及其生产线。 

背景技术

众所周知，复合材料拉挤成型技术，50年代诞生，70年代工艺逐步走向标准化、规范化。它是一种制造复合材料生要的方法，具体特征：高比强度，耐腐蚀、尺寸稳定等特点。拉挤复合型材可取代金属及有色金属型材，当前在石化建筑材料、电力、通信、航空体育、军事、交通等工业领域得到广泛应用。 

随着复合材料应用领域广泛及应用场所要求不断提高，场所、条件出现对拉挤型材技术强度要求也提高，如圆管应用在支承立拉塔支架，移动军用天线支柱等方面，往往单向纤维拉挤或者一道纤维拉缠已不能满足抗弯曲、抗扭强度要求，在使用中经常出现横向力学性能低，纵向纤维易龟裂的现象，影响了复合材料管材应用领域的拓展。 

发明内容

本发明的目的是针对现有的单向拉挤成形的复合材料空腹管材轴向纤维易龟裂和抗扭强度不高，应用范围受限制的问题，发明一种带有斜向缠绕纤维层，能抗御弯曲和扭矩作用的复合材料空腹管材多层斜拉缠绕生产方法，同时发明一套相应的生产设备。 

本发明的技术方案是之一： 

一种复合材料多层拉挤缠绕生产方法，其特征是它包括以下步骤： 

首先，使多股纤维丝束从恒张力放丝架上引出经过浸渍槽，多股丝束通 过导纱器沿芯棒轴线方向并行布置形成一个与芯棒外形相一致的、产生第一层未固化的轴向复合材料层； 

第三，使芯棒和围绕在其表面的复合材料丝束从至少三个双向缠绕机的中心穿过，所述的每个双向缠绕机均设有同轴安装的、正、反旋转的两个转盘，在每个正、反旋转的转盘上安装有带有恒张力控制的纤维导丝架，在正、反向转盘上的导丝架的牵引下随着转盘的转动在穿过转盘中心的芯棒表面的轴向复合材料层上，形成相互交叉的斜纹复合材料缠绕加强层，该斜纹的角度由牵引速度与转盘的旋转速度确定，产生第一层斜纹复合材料缠绕层； 

在所述的第一个双向缠绕机和第二个双向缠绕机之间的一侧或两侧各斜向安装一个带有恒张力控制的斜向恒张力放丝架，使斜向恒张力放丝架上的纤维丝束通过牵引机引入浸渍槽，通过导纱器在缠绕有第一层斜纹复合材料层的表面产生第二层未固化的轴向复合材料层，同时使第二个双向缠绕机的正、反向转盘上的导丝架的牵引下随着第二个双向缠绕机的转动缠绕产生第二层未固化的斜纹复合材料缠绕层，以此类推，至少在芯棒的表面产生三层未固化的轴向复合材料层和三层未固化的缠绕斜纹复合材料缠绕层； 

第四，使上述表面多层纵向带有浸渍复合缠绕有斜纹的复合材料丝束连续引入模具加热装置，加热固化反应； 

第五，将上述固化成形的复合材料空腹管材牵引至切割机按设定的尺寸切割成形即得到带有纵向直纹层和多层斜向缠绕层的复合材料空腹管材。 

所述的芯棒的形状为圆形、椭圆形或多边形结构，所得的管材的形状也为相对应的圆形、椭圆形或多边形结构。 

所述斜纹复合材料缠绕层的粘结剂依赖于带有粘接剂的轴向复合材料层纤维的渗透和模具进口处纤维的挤压渗透。 

本发明的技术方案是之二： 

一种复合材料多层斜拉缠绕生产线，它包括沿芯棒7轴线方向布置的轴向张力放丝架1、轴向浸渍槽2、模具加热装置4、牵引机5和切割机6，轴向浸渍槽2位于轴向恒张力放丝架1和芯棒7之间，牵引机5位于模具加热装置4的出料端一侧，切割机6位于牵引机5的出料端一侧，在牵引机5和 模具加热装置1之间安装有使模具加热装置4热固化后的管材进一步后固化的烘箱10，其特征是在浸渍槽2和模具加热装置4之间至少安装有三台双向缠绕机3，在相邻的双向缠绕机3之间的一侧或二侧斜向安装有斜向恒张力放丝架8，在斜向恒张力放丝架8对应的双向缠绕机3之间设有斜向浸渍槽12；每个双向缠绕机8均设有两个由同一个驱动装置驱动的、转向相反的转盘9，双向缠绕机3的两个转盘9上均设有多个斜向缠绕用恒张力放丝架11，恒张力放丝架11上的复合材料丝束引出后通过导纱器缠绕在带有纵向纤维的芯棒表面形成斜的缠绕层，从恒张力放丝架1上引出的轴向分布的复合材料丝束上形成轴向连续分布的纤维层；在所述的转盘9的中心设有供芯棒7和复合材料丝束牵引通过的通孔。 

所述的双向缠绕机8中的两个转盘9的规格相同，转速相同，转向相反，以便在芯棒表面的轴向复合材料丝束表面形成交叉的斜向缠绕加强层。 

本发明的有益效果： 

本发明通过增加多层横向缠绕层大大增加了复合材料空腹型材的抗横向(垂直于轴线)作用力的能力，同时在缠绕层的作用下，在复合材料的破坏极限范围内不会出现传统的单向纤维空腹管材纵向纤维发生分层破裂的现象，使复合材料管材的抗扭能力得到了空前的提高，从而使得复合材料空腹型材的各项性能可与钢材相比，但比钢材重量轻、综合成本低，不易腐蚀。大大拓展了复合材料管材的应用领域，市场前景广阔。 

本发明通过使缠绕机的转盘上安装斜向缠绕层所需的纤维，通过转盘的旋转直接在芯棒表面形成斜向缠绕层，并利用轴向纤维层多余的粘结剂作为斜向缠绕层的粘结剂，不仅大大简化了整个缠绕机构，而且有利于降低粘结剂的用量，降低生产成本。 

本发明通过将形成第二层、第三层轴向复合材料纤维层所需的原料斜向安装在双向缠绕机的一侧，不仅供料方便，而且节省了空间，缩短了供料距离，有利于提高产品质量。 

附图说明

图1-1和图1-2是本发明的生产线的示意图，图1-1和图1-2从断开处相 连表成一个完整的生产线。 

图2-1和图2-2是本发明生产线的俯视图，图2-1和图2-2从断开处相连表成一个完整的生产线。 

图3是本发明的多层拉缠复合材料管材的结构示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。 

实施例一。 

如图1、2所示。 

一种复合材料空复型材多层拉挤缠绕生产方法，它包括以下步骤： 

首先，使多股复合材料纤维(如碳纤维、玻璃纤维等)丝束通过牵引机均速牵引从轴向恒张力放丝架1上引出，经过轴向浸渍槽2浸渍多股丝束沿芯棒7(可为圆形、椭圆形或多边形结构)轴线方向并行布置形成一个与芯棒7外形相一致的、未固化的第一层轴向复合材料层； 

使上述呈与芯棒7外形相一致的第一层轴向复合材料丝束经过轴向浸渍槽，浸渍上粘结剂(可根据所使用的复合材料丝束的种类加以确定，可为环氧树酯、(乙烯树脂)后在牵引机的牵引下均速前行，轴向浸渍槽最好采用带有加热恒温装置的浸渍槽，以保证粘结剂不会增稠，延长使用时间，并便于纤维有良好的拉挤浸透性，在浸渍槽的出口处最好还设有相应的控制胶量机构，将丝束上多余的粘结剂挤回到浸渍槽中并控制含胶量； 

第三，使芯棒和围绕在其表面的复合材料丝束从至少三个双向缠绕机的中心穿过，如图1所示，所述的双向缠绕机均设有同轴安装的、正、反旋转的两个转盘，在每个正、反旋转的转盘上安装有导丝架，形成相互交叉的斜纹复合材料缠绕加强层，在相邻的双向缠绕机的一侧或两侧各斜向安装有第一全斜向安装的恒张力放丝架(经过导丝轮导丝改变走丝方向后变成与芯棒轴线方向相一致的走向)，放丝架上的复合材料丝束经过斜向安装的斜向浸渍槽浸渍(要求与结构与前述的轴向浸渍槽相同，仅是尺寸略小)由牵引机牵引通过导纱器在芯棒表面形成未固化和第二层、第三层轴向复合纤维层()如图3所示，在每层轴向纤维层表面均缠绕重叠产生有交叉的斜纹纤维缠绕 加强层(由正反转转盘形成)，该斜纹的角度由牵引速度与转盘的旋转速度确定，反过来可根据所需的斜向缠绕层的角度设计转盘的转速和牵引速度，这可通过常规计算加以确定； 

第四，使上述表面带浸渍过的第一层、第二层、第三层轴向复合材料，第一层、第二层、第三层缠绕的斜纹纤维复合材料丝束连续进入模具加热装置后加热固化，必须进还需进入烘箱作进一步的后固化，加热温度和时间由复合材料及浸渍槽中的粘结剂决定，可查阅相关手册确定，也可参阅申请人在先申请的相关专利加以确定； 

第四，将上述固化成形的复合材料空腹管材牵引至切割机按设定的尺寸切割成形即得到带有纵向直纹层和多层斜向缠绕层的复合材料管材，如图3所示。 

斜向缠绕纤维的粘结剂一部分依赖于带有粘接剂的轴向复合材料纤维的渗透，另一来源于模具进口处纤维的挤压渗透。 

实施例二。 

如图1、2所示。 

一种复合材料空复型材多层拉挤缠绕生产线，它包括轴向张力放丝架1、轴向浸渍槽2、模具加热装置4、牵引机5和切割机6，所述的轴向恒张力放丝架1、轴向浸渍槽2、模具加热装置4、后固化箱10牵引机5和切割机6均安装在机架上，轴向浸渍槽2和斜向浸渍槽12最好采用带有加热恒温装置的浸渍槽，以保证粘结剂不会增稠，延长使用时间，并便于纤维有良好的拉挤浸透性，在浸渍槽的出口处最好还设有相应的控制胶量机构，将丝束上多余的粘结剂挤回到浸渍槽中并控制含胶量。在轴向浸渍槽2的出口端与模具加热装置4之间还安装有一个用于使复合材料丝束(可为碳纤维丝束、玻璃纤维丝束等常用复合材料丝束)定位的芯棒7，芯棒7的形状可为圆形、椭圆形或多边形，轴向浸渍槽2位于轴向恒张力放丝架1和芯棒7之间，牵引机5位于模具加热装置4的出料端一侧，后固化箱10安装在加热模具与牵引机之间，切割机6位于牵引机5的出料端一侧，如图1所示，在轴向浸渍槽2和模具加热装置4之间安装有至少三个双向缠绕机3(具体数量可根据所需的缠 绕层数和横向受力强度加以选择，可为一个、二个或三个以上)，在相邻的双向缠绕机3之间的一侧或两侧安装有为了便于在芯棒7表面形成第二层、第三层......轴向复合材料层的斜向安装的斜向恒张力放丝架8，所述的双向缠绕机3均设有两个由同一个驱动装置驱动的、转向相反的转盘9，所述的驱动装置一般由电机和齿轮减速装置带动，最好采用一带二，即一个电机带有两个转盘转动，两个转盘的转速相同，转向相反，这在机械设计中很容易实现。每个转盘9的中心应开设有让芯棒7及丝速通过的通孔，每个转盘9上均设有多个供缠绕用的导丝盘11，并配有缠绕导纱器，导丝盘11中的复合材料纤维通过缠绕导纱器的引导和转盘9的旋转将丝缠绕在芯棒表面，形成交叉的斜向缠绕加强层(共三层，如图3)，从双向缠绕机3之间一侧或两侧的斜向恒张力放丝架8上引出的第二层或第三层或第n(自然数)层轴向分布的复合纤维丝束通过导纱器连续分布在芯棒表面上，如图2所示；双向缠绕机3中的转盘9的规格相同，转速相同，转向相反，以便在芯棒表面的轴向复合纤维丝束表面形成交叉的夹角缠绕加强层。交叉的角度由牵引机5的速度和转盘的转束确定，反过来，可通过调整牵引机5和转盘的转速来调束斜向缠绕层的倾角及交叉角。 

具体实施时，轴向恒张力放丝架1、轴向浸渍槽2、模具加热装置4、斜向恒张力放丝架8、斜向浸渍槽12、牵引机5和切割机6等装置均与现有技术相同，可采用与现有的复合材料拉挤成型设备中相同的设备加以实现。 

本发明的缠绕纤维的浸渍依赖与轴向带有粘接剂纤维渗透，另一来源于模具进口处纤维受挤压渗透。 

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。 

Claims (3)

1.一种复合材料多层拉挤缠绕生产方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，使多股纤维丝束从恒张力放丝架上引出经过浸渍槽，多股丝束通过导纱器沿芯棒轴线方向并行布置形成一个与芯棒外形相一致的、产生第一层未固化的轴向复合材料层；

第二，使芯棒和围绕在其表面的复合材料丝束从至少三个双向缠绕机的中心穿过，所述的每个双向缠绕机均设有同轴安装的、正、反旋转的两个转盘，在每个正、反旋转的转盘上安装有带有恒张力控制的纤维导丝架，在正、反向转盘上的导丝架的牵引下随着转盘的转动在穿过转盘中心的芯棒表面的轴向复合材料层上，形成相互交叉的斜纹复合材料缠绕加强层，该斜纹的角度由牵引速度与转盘的旋转速度确定，产生第一层斜纹复合材料缠绕层；

在所述的第一个双向缠绕机和第二个双向缠绕机之间的一侧或两侧各斜向安装一个带有恒张力控制的斜向恒张力放丝架，使斜向恒张力放丝架上的纤维丝束通过牵引机引入浸渍槽，通过导纱器在缠绕有第一层斜纹复合材料层的表面产生第二层未固化的轴向复合材料层，同时使第二个双向缠绕机的正、反向转盘上的导丝架的牵引下随着第二个双向缠绕机的转动缠绕产生第二层未固化的斜纹复合材料缠绕层，以此类推，至少在芯棒的表面产生三层未固化的轴向复合材料层和三层未固化的缠绕斜纹复合材料缠绕层；

第三，使上述表面多层纵向带有浸渍复合缠绕有斜纹的复合材料丝束连续引入模具加热装置，加热固化反应；加热固化反应后进入烘箱作进一步的后固化；

第四，将上述固化成形的复合材料空腹管材牵引至切割机按设定的尺寸切割成形即得到带有纵向直纹层和多层斜向缠绕层的复合材料空腹管材。

2.一种复合材料多层斜拉缠绕生产线，它包括沿芯棒(7)轴线方向布置的轴向恒张力放丝架(1)、轴向浸渍槽(2)、模具加热装置(4)、牵引机(5)和切割机(6)，轴向浸渍槽(2)位于轴向恒张力放丝架(1)和芯棒(7)之间，牵引机(5)位于模具加热装置(4)的出料端一侧，切割机(6)位于牵引机(5)的出料端一侧，在牵引机(5)和模具加热装置(4)之间安装有使模具加热装置(4)热固化后的管材进一步后固化的烘箱(10)，其特征是在浸渍槽(2)和模具加热装置(4)之间至少安装有三台双向缠绕机(3)，在相邻的双向缠绕机(3)之间的一侧或二侧斜向安装有斜向恒张力放丝架(8)，在斜向恒张力放丝架(8)对应的双向缠绕机(3)之间设有斜向浸渍槽(12)；每个双向缠绕机(3)均设有两个由同一个驱动装置驱动的、转向相反的转盘(9)，双向缠绕机(3)的两个转盘(9)上均设有多个斜向缠绕用恒张力放丝架(11)，斜向缠绕用恒张力放丝架(11)上的复合材料丝束引出后通过导纱器缠绕在带有纵向纤维的芯棒表面形成斜的缠绕层，从轴向恒张力放丝架(1)上引出的轴向分布的复合材料丝束上形成轴向连续分布的纤维层；在所述的转盘(9)的中心设有供芯棒(7)和复合材料丝束牵引通过的通孔。

3.根据权利要求2所述的复合材料空腹多层斜拉缠绕生产线，其特征是所述的双向缠绕机(8)中的两个转盘(9)的规格相同，转速相同，转向相反，以便在芯棒表面的轴向复合材料丝束表面形成交叉的斜向缠绕加强层。

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