CN103225369A - 一种表面具有螺纹结构的纤维复合筋及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种表面具有螺纹结构的纤维复合筋及其制备方法，方法采用拉挤工艺，增强纤维进入浸渍槽内被树脂基体充分浸渍，然后通过圆形高温口模，固化成型；进一步通过后固化炉高温固化，增强纤维在杆件内高度取向，确保了材料的高力学性能；然后，利用切削工艺在圆杆件表面或端部等确定部位成型螺纹结构，螺纹结构切削完成后，最后切削表面进行喷涂涂料处理；本发明的纤维取向度高可以实现其拉伸性能远远高于传统带肋筋性能；并且锚固性能优异。

Description

一种表面具有螺纹结构的纤维复合筋及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种表面具有螺纹结构的纤维复合筋及其制备方法。
背景技术
纤维增强树脂基复合材料筋具有轻质高强、耐腐蚀等优异性能，在土木工程领域，可以替代传统的钢筋用于增强混凝土结构；也可以替代钢绞线等用于悬索桥的拉索等；也可以用于混凝土结构的预应力增强、加固。纤维增强树脂基复合材料筋主要是连续增强纤维(如玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维及芳纶纤维等无机或有机高性能纤维)与高分子树脂基体通过拉挤工艺制备。传统的纤维增强复合材料筋主要有如下几种形式：
1)有肋筋：在拉挤过程中，部分树脂浸渍的纤维束同筋成一定角度，并在一定张力作用下，缠绕到预成型筋表面，形成“肋”结构。肋的结构有两种，其一，树脂浸渍纤维束缠绕到预成型筋表面时，预成型筋尚未固化，缠绕纤维在张力作用下，束紧预成型筋(即预成型筋内纤维取向度由单向变为波形)，然后通过固化烘箱固化，成肋；其二，预成型筋已经固化，树脂浸渍纤维束在其表面缠绕，但不能束紧预成型筋(即预成型筋内纤维取向不变)，树脂固化粘结成肋。
2)喷砂筋：在有肋筋或无肋光杆表面喷涂细沙，细沙粘结到筋表面。
3)光杆筋：表面光滑，与混凝土结构的粘结差，一般只能用于拉索。
对前述第一种有肋筋，由于内部连续纤维束沿筋方向的取向发生波动，导致筋的拉伸强度与模量均大幅度降低，如单向连续碳纤维圆杆的拉伸强度能够达到2.5GPa，而相应连续纤维筋的拉伸强度筋仅能够达到2.0GPa或更低。
对于第二种有肋筋，尽管纤维束在筋内的取向度不受缠绕纤维束影响，但缠绕纤维束与已固化预成型筋的粘结强度低，容易脱粘，导致与混凝土结构的握裹力下降，使得增强结构并不能够充分发挥筋的性能。
对于喷砂筋，一方面，其制备工艺较为复杂，筋表面的纤维含量必须严格控制，以满足沙粒的粘结；同时，其对筋与混凝土结构粘结性能的改善较为有限。
对于光杆筋，纤维的高性能得到非常好的保持，但其表面粘结性能差，锚固困难，限制了其应用。
由上所述，一方面，纤维增强树脂基复合材料筋需要充分发挥增强纤维的高性能性能，避免制品内纤维取向发生波动；另一方面，为提高纤维与混凝土或其它结构的锚固性能，其表面需要加肋或喷砂。而现有的纤维增强树脂基复合材料筋(加肋、喷砂或光杆)并不能够同时满足上述两方面的要求。
发明内容
本发明提供了一种高力学性能，且同时具有优异锚固性能的连续纤维增强树脂基复合材料筋及其制备方法。所要解决的技术问题是克服现有的纤维增强复合材料筋较低力学性能和/或锚固性能的缺陷。
本发明的目的是这样实现的：
一种表面具有螺纹结构的纤维复合筋的制备方法如下：
步骤一，连续纤维增强脂基复合材料圆杆件的制备
将增强纤维通过拉挤工艺成型复合材料圆杆件：采用拉挤机包括纱架、浸渍槽、圆形高温口模、后固化炉及牵拉装置，增强纤维辊固定在纱架上；浸渍槽盛有树脂基体，在牵拉装置以10-180cm/min拉挤速率的牵引作用下，增强纤维从纱架褪下，进入浸渍槽内被树脂基体充分浸渍，然后通过圆形高温口模，固化成型；进一步通过后固化炉高温固化，形成连续纤维增强脂基复合材料圆杆件；其中，通过控制连续纤维束用量与拉挤口模直径，调节纤维增强树脂基复合材料圆杆件的直径，制备的连续纤维增强脂基复合材料圆杆件缠绕在辊筒上备用；
步骤二，具有螺纹结构筋的切削加工
利用车削、铣削、研磨或旋风切削工艺，将步骤一制备的连续纤维增强脂基复合材料圆杆件表面全部切削成螺纹结构或仅在其端部切削成螺纹结构；
步骤三，表面涂料处理
螺纹结构切削完成后，切削表面进行喷涂涂料处理；喷涂的涂料是环氧树脂、乙烯基聚酯树脂、聚氨酯或聚脲，涂层厚度在30-100微米。
本发明还具有如下特点：
1、如上所述的增强纤维为连续碳纤维束、玻璃纤维束、芳纶纤维束、玄武岩纤维束或超高分子量聚乙烯纤维束中的一种或几种任一混合；
2、如上所述的采用的树脂基体、固化剂和催化剂配比如下表所示：
Figure BSA00000864720400031
当树脂基体为乙烯基聚酯树脂时不需要高温后固化。
3、如上所述的螺纹结构为国标/国际公制标准螺纹、统一标准螺纹、方螺纹、梯形螺纹或非标准螺纹结构。
4、按如上所述的一种表面具有螺纹结构的纤维复合筋的制备方法制备的一种表面具有螺纹结构的纤维复合筋。
本发明的优点在于：由于纤维取向度高，纤维性能得以充分发挥，筋的力学性能优于传统复合材料筋；同时具有切削加工的螺纹结构，可以通过螺帽等容易地将筋与其它结构进行锚固；同时，由于螺纹结构的存在，与混凝土等被增强结构的握裹力大幅度增加。
附图说明
图1为本发明的表面具有螺纹结构的纤维增强树脂基复合材料筋示意图；
图2为本发明的端部具有螺纹结构的纤维增强树脂基复合材料筋示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图举例对本发明作进一步说明：
实施例1
如图1所示，一种表面具有螺纹结构的纤维复合筋的制备方法，采用拉挤机包括纱架、浸渍槽、圆形高温口模、后固化炉及牵拉装置，增强纤维辊固定在纱架上；将台丽12K-T36S碳纤维束通过浸渍槽盛有双酚A环氧树脂基体，浸渍槽树脂基体为双酚A环氧树脂E51，无锡树脂厂生产，树脂基体∶固化剂∶催化剂的质量配比为：双酚A环氧树脂∶甲基四氢邻苯二甲酸酐∶环氧促进剂DMP-30；100∶80∶2。在牵拉装置以10cm/min拉挤速率的牵引作用下，碳纤维束从纱架褪下，进入浸渍槽内被树脂基体充分浸渍，然后通过圆形高温口模，固化成型；进一步通过后固化炉高温固化，形成连续纤维增强脂基复合材料圆杆件。拉挤制备直径为8mm的连续碳纤维增强树脂基杆件需要约80卷12k-T36S碳纤维束。
利用切削机床，在连续碳纤维增强树脂基杆表面切削成型方螺纹，其螺距为1mm，螺纹深度为0.5mm。表面涂刷环氧树脂涂层，涂层厚度为30微米。
制备的螺纹结构碳纤维增强树脂复合材料筋的拉伸强度为2.2GPa，拉伸模量为145GPa；与混凝土结构的粘结强度大于14MPa；端部可以与匹配的螺丝锚固，利用螺丝锚固，锚固力可以达到筋承受的最大断裂力。
实施例2
一种表面具有螺纹结构的纤维复合筋的制备方法，采用拉挤机包括纱架、浸渍槽、圆形高温口模、后固化炉及牵拉装置，将浙江巨石12K玻璃纤维束分别通过树脂浸渍槽，浸渍槽树脂体系为普通双酚A环氧树脂E51，固化剂为甲基六氢邻苯二甲酸酐，催化剂DMP30，质量配比100∶80∶2。在牵拉装置以180cm/min拉挤速率的牵引作用下，玻璃纤维从纱架褪下，进入浸渍槽内被树脂基体充分浸渍，然后通过圆形高温口模，固化成型；进一步通过后固化炉高温固化，形成连续纤维增强脂基复合材料圆杆件。拉挤制备直径为8mm的连续玻璃纤维增强树脂基杆件需要约80卷12k-玻璃纤维束。
利用切削机床，在连续玻璃纤维增强树脂基杆表面切削成型方螺纹，其螺距为1mm，螺纹深度为0.5mm。表面涂刷环氧树脂涂层，涂层厚度为30微米。
制备的螺纹结构玻璃纤维增强树脂复合材料筋的拉伸强度为800MPa，拉伸模量为60GPa；与混凝土结构的粘结强度大于14MPa；端部可以与匹配的螺丝锚固，利用螺丝锚固，锚固力可以达到筋承受的最大断裂力。
实施例3
如图1-2所示，一种表面具有螺纹结构的纤维复合筋的制备方法：采用拉挤机包括纱架、浸渍槽、圆形高温口模、后固化炉及牵拉装置，增强纤维辊固定在纱架上；浸渍槽盛有树脂基体，在牵拉装置以10-180cm/min拉挤速率的牵引作用下，增强纤维从纱架褪下，进入浸渍槽内被树脂基体充分浸渍，然后通过圆形高温口模，固化成型；进一步通过后固化炉高温固化，形成连续纤维增强脂基复合材料圆杆件；其中，通过控制连续纤维束用量与拉挤口模直径，调节纤维增强树脂基复合材料圆杆件的直径，制备的连续纤维增强脂基复合材料圆杆件缠绕在辊筒上备用；
所述的增强纤维为连续碳纤维束、玻璃纤维束、芳纶纤维束、玄武岩纤维束或超高分子量聚乙烯纤维束中的一种或几种任一混合；
步骤二，具有螺纹结构筋的切削加工
利用车削、铣削、研磨或旋风切削工艺，将步骤一制备的连续纤维增强脂基复合材料圆杆件表面全部切削成螺纹结构或仅在其端部切削成螺纹结构；螺纹结构一方面可以提高筋与增强混凝土的粘结，另一方面，可以通过螺丝与其它结构或构件非常容易的锚固或链接；
步骤三，表面涂料处理
螺纹结构切削完成后，切削表面进行喷涂涂料处理；喷涂的涂料是环氧树脂、乙烯基聚酯树脂、聚氨酯或聚脲，涂层厚度在30-100微米，涂层保护切割断面，提高筋的耐久性能。
所采用的具体材料如下表1-2所示：
表一：增强纤维为碳纤维
Figure BSA00000864720400061
当树脂基体为乙烯基聚酯树脂时不需要高温后固化。
表二：增强纤维为玻璃纤维
Figure BSA00000864720400071
当树脂基体为乙烯基聚酯树脂时不需要高温后固化。

Claims (5)

1.一种表面具有螺纹结构的纤维复合筋的制备方法，其特征在于，方法如下：
步骤一，连续纤维增强脂基复合材料圆杆件的制备
将增强纤维通过拉挤工艺成型复合材料圆杆件：采用拉挤机包括纱架、浸渍槽、圆形高温口模、后固化炉及牵拉装置，增强纤维辊固定在纱架上；浸渍槽盛有树脂基体，在牵拉装置以10-180cm/min拉挤速率的牵引作用下，增强纤维从纱架褪下，进入浸渍槽内被树脂基体充分浸渍，然后通过圆形高温口模，固化成型；进一步通过高温后固化，形成连续纤维增强脂基复合材料圆杆件；其中，通过控制连续纤维束用量与拉挤口模直径，调节纤维增强树脂基复合材料圆杆件的直径，制备的连续纤维增强脂基复合材料圆杆件缠绕在辊筒上备用；
步骤二，具有螺纹结构筋的切削加工
利用车削、铣削、研磨或旋风切削工艺，将步骤一制备的连续纤维增强脂基复合材料圆杆件表面全部切削成螺纹结构或仅在其端部切削成螺纹结构；
步骤三，表面涂料处理
螺纹结构切削完成后，切削表面进行喷涂涂料处理；喷涂的涂料是环氧树脂、乙烯基聚酯树脂、聚氨酯或聚脲，涂层厚度在30-100微米。
2.根据权利要求1所述的一种表面具有螺纹结构的纤维复合筋的制备方法，其特征在于：所述的增强纤维为连续碳纤维束、玻璃纤维束、芳纶纤维束、玄武岩纤维束或超高分子量聚乙烯纤维束中的一种或几种任一混合。
3.根据权利要求1所述的一种表面具有螺纹结构的纤维复合筋的制备方法，其特征在于：所述的采用的树脂基体、固化剂和催化剂配比如下表所示：
Figure FSA00000864720300011
；当树脂基体为乙烯基聚酯树脂时不需要高温后固化。
4.根据权利要求1所述的一种表面具有螺纹结构的纤维复合筋的制备方法，其特征在于：所述的螺纹结构为国标/国际公制标准螺纹、统一标准螺纹、方螺纹、梯形螺纹或非标准螺纹结构。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种表面具有螺纹结构的纤维复合筋的制备方法制备的一种表面具有螺纹结构的纤维复合筋。
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