CN102233669A - 一种frp筋的制备方法以及由该方法制备而成的frp筋 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种FRP筋的制备方法，解决了现有技术中制备FRP筋时因采用浸渍热塑性树脂的工艺而造成的对设备要求高、能量消耗大、生产成本高、且树脂长时间处于高温熔融状态会存在严重的降解等技术问题，本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案主要包括以下步骤：以热塑性树脂纤维和无机增强纤维为原料，依次经过干燥、集束、缠绕、牵伸、预成型、成型、冷却固化、切断等步骤，采用本发明的技术方案，具有制备工艺简单、能量消耗少、生产成本低的优点，本发明还提供了由该方法制备而成的FRP筋，可以迅速广泛的应用在各类工程中。

Description

一种FRP筋的制备方法以及由该方法制备而成的FRP筋

技术领域

本发明涉及一种用于土木工程的建筑材料FRP筋的制备方法，尤其涉及的是一种热塑性树脂FRP筋的制备方法。

本发明还涉及由上述方法制备而成的FRP筋。

背景技术

FRP筋作为一种土木工程用的岩土体加固的杆件体系结构，具有广大的市场和应用价值，关系到国家和人民生命财产安全，所以产品必须具有高强度、耐腐蚀、易成型和低成本的优点，才能有效的应用在土木工程中。

现有FRP筋成型工艺包括送纱、浸胶、单丝缠绕、预固化、固化成型、牵伸、切断等工序，一般所采用的树脂为热固性树脂，此成型工艺的缺点在于成型过程中存在杆体漏浆、杆体表面不均匀、FRP筋无法二次成型、耐腐蚀性低、FRP筋韧性低等缺点，影响到FRP筋的力学性能、耐久性能和使用安全性能。

中国发明专利申请公布说明书公开了名称为一种全螺纹纤维增强热塑性塑料锚杆及其加工工艺、公开日为2009年7月15日、公开号为CN101482024A的发明专利申请，该专利申请介绍的FRP筋的成型方法采用浸渍热塑性树脂工艺，热塑性树脂一般需要较高的熔融温度(＞180℃)才能达到液体状态，对设备的要求高且连续生产需要长时间的熔融树脂需要大量的能量，提高了生产成本；而且树脂长时间处于高温熔融状态会存在严重的降解，导致树脂性能大幅度降低，最终影响到FRP筋的性能。

为解决现有技术中存在的问题要对现有FRP筋的生产工艺进行一定的改进来提高FRP筋的使用性能，从而有效保证我国土木工程的质量和人民生命财产安全。

发明内容

本发明为了解决现有技术中制备FRP筋时因采用浸渍热塑性树脂的工艺而造成的对设备要求高、能量消耗大、生产成本高、且树脂长时间处于高温熔融状态会存在严重的降解等技术问题，而提供一种成型工艺简单、能量消耗少、生产成本低的FRP筋的制备方法，本发明还提供了由该方法制备而成的FRP筋。

为了解决上述技术问题，本发明主要采取以下技术方案。

一种FRP筋的制备方法，以热塑性树脂纤维和无机增强纤维为原料，包括以下步骤：

A、干燥：对热塑性树脂纤维进行干燥处理，将其含水量降低到40ppm以下；

B、集束：将干燥后的热塑性树脂纤维和无机增强纤维进行交叉、间隔的均匀集束；

C、缠绕：将集束后的纤维束通过单丝纤维进行缠绕，形成螺纹结构，制成FRP筋杆；

D、牵伸：将步骤C中制得的FRP筋杆经过牵伸机拉进步骤E中的预成型烘道

E、预成型：预成型烘道内的温度为160～285℃，FRP筋杆的预成型时间为5-60s，制成预成型FRP筋；

F、成型：成型的温度为180～320℃，由步骤E制得的预成型FRP筋的成型时间为10～100s；

G、冷却固化：将FRP筋在室温下冷却固化120s以上；

H、切断，制得成品。

所述热塑性树脂纤维为聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚酰胺纤维、聚甲醛纤维、液晶高聚物纤维或功能性母粒改性过的纤维；所述无机增强纤维为玻璃纤维、玄武岩纤维或碳纤维。

在步骤A中，在温度为115～160℃的真空条件下对热塑性树脂纤维进行干燥处理。

在所述步骤C中，单丝纤维为聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚酰胺纤维、聚甲醛纤维、液晶高聚物纤维或功能性母粒改性过的纤维。

作为本发明的优选技术方案，在步骤F和G之间还具有步骤G1，步骤G1为几何形状成型：FRP筋经过步骤F成型后，在热塑性树脂完全固化前，将FRP筋制成所需形状；

进一步的，在步骤G1中，FRP筋经过高温成型后，在热塑性树脂完全固化前的120s内，将FRP筋制成所需形状；

更进一步的，在步骤G1中，将FRP筋制成三角形、圆形、W形、M形；

一种由上述的制备方法制备而成的FRP筋。

采用本发明的技术方案，具有如下技术效果：

本发明使用的树脂原料为热塑性树脂，热塑性树脂成型工艺简单、易控制、性能优良，并且可以二次加工成为不同的形状，满足不同工程对FRP筋形状的要求；本发明中使用的树脂原料为纤维状，并与无机纤维共集束形成FRP筋杆体，这样可以灵活的改变热塑性纤维的品种、含量来达到不同工程的性能要求，如阻燃性、耐久性、耐高温性等要求；本发明采用热塑性树脂纤维原料制备的FRP筋，可以有效的改善FRP筋的韧性不足、抗折性能不足的缺点；在制备的过程中采用连续高温熔融固化、成型生产工艺，热塑性树脂纤维熔融后均匀与无机高强纤维粘结，树脂高温降解率低、性能保持率高，FRP筋产品性能优良，满足各种工程对FRP筋性能要求；本发明制备的热塑性树脂FRP筋的制备工艺简单、研发成本低、生产成本低，可以迅速广泛的应用在实际工程中。

附图说明

图1是由本发明提供的制备方法制备而成的FRP筋的截面图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明的技术方案进行详细阐述。

一种FRP筋的制备方法，以热塑性树脂纤维2和无机增强纤维1为原料，包括以下步骤：

A、干燥：将热塑性树脂纤维2进行干燥处理，将其含水量降低到40ppm以下，干燥的条件最好是在温度为115～160℃的真空条件下对热塑性树脂纤维2进行干燥处理，这样可以避免在高温下，纤维熔融时产生气泡，更好的保证FRP筋的各项性能。

B、集束：将干燥后的热塑性树脂纤维2和无机增强纤维1进行交叉、间隔的均匀集束，更好的使热塑性树脂纤维2和无机增强纤维1进行黏合，以便增强FRP筋的耐久性以及强度等性能。

C、缠绕：将集束后的纤维束经过单丝纤维进行缠绕，形成螺纹结构，一方面能够保证FRP筋的形状，另一方面能够增强FRP筋与使用环境的结合力。

D、牵伸：将步骤C中制得的FRP筋杆经过牵伸机拉进步骤E中的预成型烘道。

E、预成型：预成型的温度为160～285℃，由步骤C制得的具有螺纹结构的纤维束的预成型时间为5～60s，预成型时间根据FRP筋不同直径来选择，使FRP筋内部的热塑性树脂纤维2充分、均匀的吸收热量。

F、成型：成型的温度为180～320℃，由步骤D制得的预成型FRP筋的成型时间为10～100s，成型时间可以根据FRP筋不同直径来选择，使FRP筋内部的热塑性树脂纤维2充分熔融、均匀扩散周围的包覆无机增强纤维1。

G、冷却固化：将FRP筋在室温下冷却固化120s以上；

H、切断，将步骤G中制得的热塑性FRP筋切断成任何尺寸来满足不同的工程要求。

所述热塑性树脂纤维2为聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚酰胺纤维、聚甲醛纤维、液晶高聚物纤维或功能性母粒改性过的纤维；所述无机增强纤维1为玻璃纤维、玄武岩纤维或碳纤维，多种选择可以满足不同的工程要求，来选择不同的热塑性树脂纤维，比如根据阻燃性能、耐腐蚀性、抗静电性、亲水性能或耐高温性改性等性能的要求来选择不同的纤维，其中热塑性树脂纤维2和无机增强纤维1的用量比例可以根据不同的工程性能要求来进行调配。

在步骤C中，单丝纤维为聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚酰胺纤维、聚甲醛纤维、液晶高聚物纤维或功能性母粒改性过的纤维，用来形成FRP筋表面上的螺纹结构。

作为本发明的优选技术方案，在步骤F和G之间还具有步骤G1，步骤G1为几何形状成型：FRP筋经过步骤F成型后，在热塑性树脂完全固化前，将FRP筋制成所需形状，来满足不同的工程要求。

在所述步骤G1中，FRP筋经过高温成型后，在热塑性树脂纤维2完全固化前的120s内，既能保证FRP筋高温成型，又能保证在完全固化前将FRP筋制成所需要的形状，比如将FRP筋成三角形、圆形、W形、M形。

如图1所示，一种FRP筋为由上述制备方法制备而成的FRP筋，其热塑性树脂纤维2和无机增强纤维1进行交叉、间隔的均匀排布，弥补了传统热固性FRP筋和现有热塑性FRP筋成型工艺的性能不足，提高了土木工程用FRP筋的自身性能和多样性、扩展了适用范围、降低了生产成本，使本发明采用热塑性树脂纤维2和无机增强纤维1为原料可以生产出性能优良的土木工程用热塑性树脂FRP筋，产品生产成本低、效率高。本发明技术生产的热塑性FRP筋直径在5～50mm，截面为普通圆形，带有一定深度的螺纹，FRP筋形状可以做成不同工程要求的任何异性形状，力学性能、耐久性能优良、成型工艺简单、生产成本显著降低。

下面以实施例来说明本发明中提供的热塑性树脂FRP筋的制备过程。

实施例1：

本实施例中的热塑性树脂纤维2采用PP纤维，即聚丙烯纤维，无机增强纤维1为玻璃纤维。首先将聚丙烯纤维在115℃条件下真空烘干12小时，将其含水量降低至40ppm以下，其中聚丙烯纤维的含量为原料总重量的10％。

将干燥后的聚丙烯纤维和玻璃纤维进行交叉、间隔均匀的集束，保证聚丙烯纤维均匀分布在FRP筋杆体中，制备FRP筋杆的直径为16mm；再将集束后的纤维束用高强度单丝纤维缠绕，在FRP筋杆表面形成螺纹结构；通过牵伸机将FRP筋杆拉进预成型烘道内，FRP筋杆依次经过预成型的预热区、挤压区、预成型区，其各区的温度分别为165℃、170℃、175℃，FRP筋在预成型洪道内的时间为15s；纤维进入成型烘道后，依次经过成型烘道的预热区、挤压区、熔融区、成型区、保温区，其各区域的温度分别为180℃、190℃、200℃、200℃、190℃，FRP筋在成型区域的时间为25s，制得FRP筋；FRP筋经过牵伸机拉出烘道后直接冷却固化120s后，可以切断成任意长度的FRP筋。本实施例不对FRP筋进行异型形状的成型。

最后制得的FRP筋成品的抗拉强度＞650MPa，抗剪强度＞125MPa，极限应变＞7.5％，模量＞40GPa，杆体直径16.2mm。

实施例2：

本实施例中热塑性树脂纤维2为聚酯(涤纶)纤维，无机增强纤维1为玻璃纤维。首先，将聚酯纤维在140℃的条件下真空烘干12小时，使其含水量降低至40ppm以下，其中聚酯纤维的含量为原料总重量的15％。

将干燥后的聚酯纤维和玻璃纤维进行交叉、间隔均匀的集束，保证聚酯纤维均匀地分布在FRP筋杆体中，制备FRP筋的直径为20mm；将集束后的纤维束用高强度单丝纤维缠绕，在FRP筋表面形成螺纹结构；通过牵伸机将FRP筋杆拉进预成型烘道内，FRP筋杆依次经过预成型的预热区、挤压区、预成型区，其各区的温度分别为240℃、250℃、260℃，FRP筋在预成型洪道内的时间为20s；纤维进入成型烘道后，依次经过成型烘道的预热区、挤压区、熔融区、成型区、保温区，其各区域的温度分别为270℃、280℃、290℃、290℃、280℃，FRP筋在成型区域的时间为35s，制得FRP筋；FRP筋经过牵伸机拉出烘道后直接冷却固化120s后，可以切断成任意长度的FRP筋。本实施例不对FRP筋进行异型形状的成型。

最后制的FRP筋成品的抗拉强度＞750MPa，抗剪强度＞150MPa，极限应变＞7％，模量＞50GPa，杆体直径20.1mm。

实施例3：

本实施例中热塑性树脂纤维2为聚酰胺(尼龙)纤维，无机增强纤维1为玻璃纤维为原料。首先，将聚酰胺纤维在130℃的条件下真空烘干12小时，使其含水量降低至40ppm以下，其中聚酰胺纤维的含量为原料总重量的20％。

将干燥后的聚酰胺纤维和玻璃纤维进行交叉、间隔均匀的集束，保证聚酰胺纤维均匀地分布在FRP筋杆体中，制备FRP筋的直径为25mm；将集束后的纤维束用高强度单丝纤维缠绕，在FRP筋表面形成螺纹结构；通过牵伸机将FRP筋杆拉进预成型烘道内，FRP筋杆依次经过预成型的预热区、挤压区、预成型区，其各区的温度分别为185℃、195℃、205℃，FRP筋在预成型洪道内的时间为25s；纤维进入成型烘道后，依次经过成型烘道的预热区、挤压区、熔融区、成型区、保温区，其各区域的温度分别为215℃、220℃、230℃、230℃、220℃，FRP筋在成型区域的时间为40s，制得FRP筋；然后通过几何形状成型的步骤将制得的FRP筋制备成圆形，即FRP筋高温成型后，在热塑性树脂完全固化前，通过牵伸机将FRP筋拉出烘道后经过异型成型磨具，制备成直径φ为1000mm的圆形的FRP筋，以满足工程要求。在室温下冷却后再切断。

最后制得的FRP筋成品的抗拉强度＞700MPa，抗剪强度＞130MPa，极限应变＞7％，模量＞45GPa，杆体直径25.3mm。

实施例4：

本实施例热塑性树脂纤维2为液晶聚酯纤维，无机增强纤维1为碳纤维。首先，将液晶聚酯纤维在160℃的条件下真空烘干12小时，使其含水量降低至40ppm以下，其中液晶聚酯纤维的含量为原料总重量的15％。且均匀分布在FRP筋杆体中，制备FRP筋的直径为22mm。

将干燥后的液晶聚酯纤维和碳纤维进行交叉、间隔均匀的集束，保证液晶聚酯纤维均匀地分布在FRP筋杆体中，制备FRP筋的直径为22mm；将集束后的纤维束用高强度单丝纤维缠绕，在FRP筋表面形成螺纹结构；通过牵伸机将FRP筋杆拉进预成型烘道内，FRP筋杆依次经过预成型的预热区、挤压区、预成型区，其各区的温度分别为265℃、275℃、285℃，FRP筋在预成型洪道内的时间为20s；纤维进入成型烘道后，依次经过成型烘道的预热区、挤压区、熔融区、成型区、保温区，其各区域的温度分别为295℃、310℃、320℃、320℃、310℃，FRP筋在成型区域的时间为35s，制得FRP筋；FRP筋经过牵伸机拉出烘道后直接冷却固化120s后，可以切断成任意长度的FRP筋。本实施例不对FRP筋进行异型形状的成型。

最后制得的FRP筋成品的抗拉强度＞1200MPa，抗剪强度＞200MPa，极限应变＞2％，模量＞110GPa，杆体直径22.3mm。

Claims (8)

1.一种FRP筋的制备方法，以热塑性树脂纤维和无机增强纤维为原料，包括以下步骤：

A、干燥：对热塑性树脂纤维进行干燥处理，将其含水量降低到40ppm以下；

B、集束：将干燥后的热塑性树脂纤维和无机增强纤维进行交叉、间隔的均匀集束；

C、缠绕：将集束后的纤维束通过单丝纤维进行缠绕，形成螺纹结构，制成FRP筋杆；

D、牵伸：将步骤C中制得的FRP筋杆通过牵伸机拉进步骤E中的预成型烘道

E、预成型：预成型烘道内的温度为160～285℃，FRP筋杆的预成型时间为5～60s，制成预成型FRP筋；

F、成型：成型的温度为180～320℃，由步骤E制得的预成型FRP筋的成型时间为10～100s；

G、冷却固化：将FRP筋在室温下冷却固化120s以上；

H、切断，制得成品。

2.根据权利要求1所述的制备方法，特征在于，所述热塑性树脂纤维为聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚酰胺纤维、聚甲醛纤维、液晶高聚物纤维或功能性母粒改性过的纤维；所述无机增强纤维为玻璃纤维、玄武岩纤维或碳纤维。

3.根据权利要求1所述的制备方法，特征在于，在所述步骤A中，在温度为115～160℃的真空条件下对热塑性树脂纤维进行干燥处理。

4.根据权利要求1所述的制备方法，特征在于，在所述步骤C中，单丝纤维为聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚酰胺纤维、聚甲醛纤维、液晶高聚物纤维或功能性母粒改性过的纤维

5.根据权利要求1所述的制备方法，特征在于，在所述步骤F和G之间还具有步骤G1，所述步骤G1为几何形状成型：FRP筋经过步骤F成型后，在热塑性树脂完全固化前，将FRP筋制成所需形状；

6.根据权利要求5所述的制备方法，特征在于，在所述步骤G1中，FRP筋经过高温成型后，在热塑性树脂完全固化前的120s内，将FRP筋制成所需形状；

7.根据权利要求6所述的制备方法，特征在于，在所述步骤G1中，将FRP筋制成三角形、圆形、W形、M形。

8.一种FRP筋，其特征在于：所述的FRP筋为由权利要求1至7任一所述的制备方法制备而成的FRP筋。

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