CN102990923A - 一种连续纤维增强热塑性复合预浸带管材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高分子材料技术领域，涉及一种管材的制备方法，该制备方法包含如下步骤：(1)将复合预浸带放入置卷装置中，然后使复合预浸带依次通过张力辊组中的各个张力辊；(2)将步骤(1)处理过的复合预浸带进行预加热；(3)然后将步骤(2)预加热处理后的复合预浸带在缠绕点加热；(4)再将步骤(3)经加热的复合预浸带进行缠绕；(5)最后，原位固结成型，得到管材。与现有技术相比，本发明具有成本低，设备简单，成型周期短等优点，且制得的热塑性复合管质量轻、耐高压、防腐蚀，可应用于石油化工等高端领域。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，涉及一种管材的制备方法。
背景技术
缠绕成型工艺设备简单，效率高，成本低，是复合材料成型工艺最有前景的制造方法之一。缠绕成型目前主要集中在纤维增强热固性复合材料的成型，主要是玻璃钢缠绕管材。玻璃钢制品的弹性模量低，可通过一些加强筋来增加其刚性，但是这样就相应的增加了成本，且玻璃钢管材制品长期耐热性很差。中国专利CN201020596716.X采用玻璃钢增强钢塑管，最后在玻璃纤维增强层上再紧密粘合热塑性塑料形成外保护层，故这种复合管有防腐的功效，且可大幅度提高耐压能力。但是这种复合管材设备复杂，工艺过程较繁琐，工业化生产效率低。
连续纤维增强热塑性复合材料密度小，强度高，具有优异的机械性能，如高的拉伸强度、弯曲强度、高模量和高抗冲击性能等。此外它还具有良好的加工性能及其很好的耐化学稳定性能和耐热性能，在一些复杂的环境中仍然可以长期稳定使用。相比于热固性复合材料，热塑性复合材料具备加工设备简单，生产效率高，废料可回收利用，成型周期短等优点，这些都是目前市场和环境所需求的。热塑性复合材料缠绕制品在耐热、耐压和抗冲击性能、抗损伤性能等方面都明显优于热固性复合材料。在工艺过程方面，热塑性缠绕比热固性缠绕少了一个固化过程，仅在缠绕点处增加一个加热装置，即可实现原位固化成型，成型周期明显缩短。缠绕得到的热塑性复合管材具有耐腐蚀、耐压、耐温、耐磨、无毒、使用寿命长、综合费用低等特点。在城市和建筑的给水、石油、天然气、化工等领域有广泛的应用。
热塑性树脂基体熔体的粘度大，与纤维浸润过程中需要较高的温度和压力，直接采用在线浸渍缠绕工艺相对较困难，故本实验采用两步法，即先采用由中国专利CN200910048973.1所述的方法制成复合预浸带，再将制好的预浸带缠绕成型。由该专利所述的方法制得的复合带纤维和树脂之间浸润良好，纤维含量可达到50％以上。
发明内容
本文的目的在于针对现有技术的缺陷而提供一种管材的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明以连续纤维增强热塑性树脂淋膜得到的预浸带为原料，采用缠绕成型制成高强高模的热塑性复合管材。
一种管材的制备方法，其包含如下步骤：
(1)将复合预浸带放入置卷装置中，然后使复合预浸带依次通过张力辊组中的各个张力辊；
(2)将步骤(1)处理过的复合预浸带进行预加热；
(3)然后将步骤(2)预加热处理后的复合预浸带在缠绕点加热；
(4)再将步骤(3)经加热的复合预浸带进行缠绕；
(5)最后，原位固结成型，得到管材。
所述的复合预浸带包含质量分数为40～60％的热塑性树脂和质量分数为40～60％连续纤维。
所述的热塑性树脂选自聚丙烯、聚乙烯、尼龙或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)中的一种或一种以上。
所述的连续纤维选自玻璃纤维、芳纶纤维或碳纤维中一种或一种以上。
所述的步骤(1)中的复合预浸带是采用由中国专利CN200910048973.1所述方法即熔融法制得，复合预浸带宽为0.1～6cm，优选0.5～3cm。
所述的步骤(1)中的张力辊组由2～4个金属滚筒组成。所述的金属滚筒为钢制滚筒。
所述的步骤(1)中人工手动将复合预浸带铺平使其依次通过张力辊组。
所述的步骤(2)中的预加热方式为红外加热，预加热温度为30～90℃，所述的预加热操作在预加热装置中进行。预热的主要目的是去除纤维复合带的水分，消除复合预浸带的预结晶。同时使复合预浸带具有一定的温度可以加快缠绕速度，可以防止加热点处由于加热时间过长而使树脂基体有所降解，使其在缠绕点加热更充分，浸渍效果更好。
所述的步骤(3)中缠绕点为加热装置处的加热点，加热方式为热空气加热或红外加热，加热温度为140～280℃，温度通过红外测温仪测得。
所述的步骤(4)中的预浸带缠绕过程是缠绕在芯模上，最后形成密实的缠绕结构，缠绕速度为1～30m/min，优选1～10m/min，缠绕角在30°～75°之间，优选缠绕角范围40°～60°，缠绕张力为5～100N，缠绕张力的大小是由缠绕速度所决定的，缠绕速度越大，张力越大，缠绕速度减小，张力减小。
所述的芯模为球形、管形或环形。
所述的步骤(5)的原位固结成型采用一个压辊压制，该压辊采用钢制的滚筒，其直径为8～15cm。压辊数量对本发明的产品影响不大，在节约成本和资源的情况下，采用一个压辊就足够了，该压辊可控制复合预浸带的缠绕速度，从而控制预浸带的缠绕张力。热塑性树脂缠绕直接原位成型，不需要额外的固化过程。
所得到的缠绕管材由于角度的变换会使得有两端的厚度和中间部分的厚度不一致，对于精度要求较高的缠绕管材来说，可采用切割机或其他装置切掉两端部分。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的连续纤维增强热塑性复合预浸带管材相比于热固性缠绕管而言，具有成本低，设备简单，成型周期短等优点，且制得的热塑性复合管质量轻、耐高压、防腐蚀，可应用于石油化工等高端领域。本发明采用一种连续纤维增强热塑性复合预浸带的缠绕成型所制得的管材与传统的钢管相比，降低了材料的重量，保护了环境和降低了成本。与现有的应用较为多的热固性复合材料缠绕管相比，热塑性复合材料设备流程更简单，缩短了工艺流程，提高了生产效率。
附图说明
图1是一种连续纤维增聚热塑性树脂复合预浸带缠绕成型示意图。
附图标记：
1置卷装置， 2复合预浸带，
3张力辊组， 4预热装置，
5绕丝嘴， 6加热装置，
7红外测温仪， 8芯模，
9压辊， 10缠绕点。
具体实施方式
下面根据附图对本发明进行详细叙述。以下案例采用连续玻璃纤维增聚丙烯聚热塑性树脂复合预浸带为原料进行缠绕成型。
实施例1
本发明中连续玻璃纤维增聚丙烯热塑性树脂复合预浸带中，玻璃纤维含量为40％，聚丙烯树脂基体含量为60％。复合预浸带裁剪宽度为0.5～3cm。
(1)放于置卷装置1的玻璃纤维增强聚丙烯树脂复合预浸带2，人工手动将复合预浸铺平后进入张力辊组3，使复合带平整的进入下一个阶段；
(2)在张力辊组3的带动下进入到红外预热装置4，红外预热温度为60℃，使纤维带有一定的温度，加快缠绕速度，提高加热效率；
(3)然后复合预浸带进入绕丝嘴5，通过绕丝嘴来控制预浸带的缠绕角度和缠绕方向；接着在缠绕点处对复合预浸带进一步的加热，加热温度为180℃，此缠绕点10处的加热装置6采用热空气，通过红外测温仪7测得缠绕点10处的温度；
(4)在缠绕速度为3m/min，缠绕角在40°～60°之间，按照规定的轨迹均匀的缠绕到芯模8上，缠绕张力为5～50N，缠绕张力在此过程中是在一定范围内变化的；
(5)在缠绕张力和压辊9的作用下排出预浸带层与层之间的孔隙，直接原位固结成型得到密实的管状制品。
实施例2
本实施例中连续玻璃纤维增聚丙烯热塑性树脂复合预浸带中，玻璃纤维含量为50％，聚丙烯树脂基体含量为50％。复合预浸带裁剪宽度为0.5～3cm。
(1)放于置卷装置1的玻璃纤维增强聚丙烯树脂复合预浸带2，人工手动将复合预浸铺平后进入张力辊组3，使复合带平整的进入下一个阶段；
(2)在张力辊组3的带动下进入到红外预热装置4，红外预热温度为70℃，使纤维带有一定的温度，加快缠绕速度，提高加热效率；
(3)然后复合预浸带进入绕丝嘴5，通过绕丝嘴来控制预浸带的缠绕角度和缠绕方向；接着在缠绕点处对复合预浸带进一步的加热，加热温度为200℃。此缠绕点10处的加热装置6采用热空气，通过红外测温仪7测得缠绕点10处的温度；
(4)在缠绕速度为5m/min，缠绕角在40°～60°之间，按照规定的轨迹均匀的缠绕到芯模8上，缠绕张力为20～60N，缠绕张力在此过程中是在一定范围内变化的；
(5)在缠绕张力和压辊9的作用下排出预浸带层与层之间的孔隙，直接原位固结成型得到密实的管状制品。
实施例3
本实施例中连续玻璃纤维增聚丙烯热塑性树脂复合预浸带中，玻璃纤维含量为50％，相应的聚丙烯树脂基体含量为50％。复合预浸带裁剪宽度为0.5～3cm。
(1)放于置卷装置1的玻璃纤维增强聚丙烯树脂复合预浸带2，人工手动将复合预浸铺平后，进入张力辊组3，使复合带平整的进入下一个阶段；
(2)在张力辊组3的带动下进入到红外预热装置4，红外预热温度为80℃，使纤维带有一定的温度，加快缠绕速度，提高加热效率；
(3)然后复合预浸带进入绕丝嘴5，通过绕丝嘴来控制预浸带的缠绕角度和缠绕方向；接着在缠绕点处对复合预浸带进一步的加热，加热温度为220℃。此缠绕点10处的加热装置6采用热空气，通过红外测温仪7测得缠绕点10处的温度；
(4)在缠绕速度为7m/min，缠绕角在40°～50°之间，按照规定的轨迹均匀的缠绕到芯模8上，缠绕张力为40～80N，缠绕张力在此过程中是在一定范围内变化的；
(5)在缠绕张力和压辊9的作用下排出预浸带层与层之间的孔隙，直接原位固结成型得到密实的管状制品。
实施例4
本实施例中连续玻璃纤维增聚丙烯热塑性树脂复合预浸带中，玻璃纤维含量为60％，聚丙烯树脂基体含量为40％。复合预浸带裁剪宽度为0.5～3cm。
(1)放于置卷装置1的玻璃纤维增强聚丙烯树脂复合预浸带2人工手动将复合预浸铺平后，进入张力辊组3，使复合带平整的进入下一个阶段；
(2)在张力辊组3的带动下进入到红外预热装置4，红外预热温度为90℃，使纤维带有一定的温度，加快缠绕速度，提高加热效率；
(3)然后复合预浸带进入绕丝嘴5，通过绕丝嘴来控制预浸带的缠绕角度和缠绕方向；接着在缠绕点处对复合预浸带进一步的加热，加热温度为235℃。此缠绕点10处的加热装置6采用热空气，通过红外测温仪7测得缠绕点10处的温度；
(4)在缠绕速度为10m/min，缠绕角在40°～50°之间，按照规定的轨迹均匀的缠绕到芯模8上，缠绕张力为60～100N，缠绕张力在此过程中是在一定范围内变化的；
(5)在缠绕张力和压辊9的作用下排出预浸带层与层之间的孔隙，直接原位固结成型得到密实的管状制品。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种管材的制备方法，其特征在于：其包含如下步骤：
(1)将复合预浸带放入置卷装置中，然后使复合预浸带依次通过张力辊组中的各个张力辊；
(2)将步骤(1)处理过的复合预浸带进行预加热；
(3)然后将步骤(2)预加热处理后的复合预浸带在缠绕点加热；
(4)再将步骤(3)经加热的复合预浸带进行缠绕；
(5)最后，原位固结成型，得到管材。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的复合预浸带包含质量分数为40～60％的热塑性树脂和质量分数为40～60％连续纤维。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的热塑性树脂选自聚丙烯、聚乙烯、尼龙或聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或一种以上；
或所述的连续纤维选自玻璃纤维、芳纶纤维或碳纤维中一种或一种以上。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤(1)中的复合预浸带的带宽为0.1～6cm，优选0.5～3cm；
或所述的步骤(1)中的张力辊组由2～4个金属滚筒组成，所述的金属滚筒为钢制滚筒。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤(2)中的预加热方式为红外加热；
或所述的预加热温度为30～90℃；
或所述的预加热操作在预加热装置中进行。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤(3)中缠绕点为加热装置处的加热点；
或所述的步骤(3)中加热方式为热空气加热或红外加热；
或所述的步骤(3)中加热温度为140～280℃。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤(4)中预浸带的缠绕速度为1～30m/min，优选1～10m/min。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤(4)中缠绕角在30°～75°之间，优选缠绕角范围40°～60°；
或所述的步骤(4)中缠绕张力为5～100N。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述的芯模为球形、管形或环形。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤(5)的原位固结成型采用压辊压制，该压辊采用钢制的滚筒，其直径为8～15cm。
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