CN103448257A - 一种纤维增强复合材料管的成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纤维增强复合材料管的成型方法，具体是指利用加热棒作为芯模，再把纤维预浸料直接或者间接包覆在加热棒上，最后根据树脂固化工艺调控加热棒温度，配合外加热设备成型复合材料管。本发明通过内置加热棒，实现了纤维管壁内外同步加热，使管壁内外受热更均匀，并且缩短了成型时间，减少了分层缺陷的产生。
Description
技术领域
本发明属于复合材料成型技术领域，具体涉及一种纤维增强复合材料管的成型方法。
背景技术
纤维增强复合材料管( Fiber reinforced polymer tubes, FRPT )是指由纤维增强聚合物基材料制成的管材, 主要类型有玻璃纤维增强型、碳纤维增强型、Kevlar纤维增强型及混杂纤维增强型等, 由于FRPT具有综合费用低、抗腐蚀、长寿命、重量轻和易于满足设计要求等特点, 从而被广泛应用在运动器材、交通运输和石油工业等领域。目前，人们已开发出多种FRPT的成型方法，主要技术思路是通过在芯模上包覆纤维布，成型后抽出芯膜得到复合材料管件。中国专利CN102490372公布了一种碳纤维管的成型方法及其模具，其创新点是在金属芯棒上包覆一层橡胶材料，利用橡胶受热挤压作用成型不规则管材。中国专利CN 101327611公布了一种碳纤维管件的成型方法，其创新点是利用气袋包裹热收缩芯模，加热抽出芯模后，对气袋充气挤压碳纤维缠绕带而成型管件。中国专利CN 102806668公布了一种纤维管件的成型方法，其创新点在于将液体和膨胀粉末填充进尼龙袋构成芯模，加热后，液体和膨胀粉末先后膨胀撑开尼龙袋，在树脂固化不同阶段，实现二次定型。纵观以上具有代表性的纤维增强复合材料管成型方法，虽然各有优点，但是其共性的不足主要有：1）由于受热传导的限制，管壁存在明显外高内低的温度梯度，管内外壁受热不均往往导致在固化的过程中管壁容易出现分层缺陷，严重地影响了复合材料管的使用性能；2）由于树脂固化都是从管外壁开始，逐步发展到管内壁，导致固化时间延长，降低了产品的生产效率。
发明内容
本发明针对现有纤维增强复合材料管成型方法的不足，主要目的在于提供一种减少管壁分层缺陷，同时缩短固化时间、提高劳动效率的成型方法。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
采用与管内径尺寸和结构相符的加热棒作为芯模，把预浸料包覆在加热棒上，再在其上缠绕热收缩膜或者直接将其放置入模具内，调控加热棒的温度，同时配合外加热设备成型复合材料管。
所述加热棒的材质选自金属、陶瓷或者碳纤维。
所述加热棒通过温度控制器可以实现25℃~400℃的恒温控制。
所述加热棒可以通过电加热、红外加热或者感应加热。
所述纤维预浸料可以直接包覆在加热棒上，也可以在加热棒的外表面增设气袋、橡胶等辅助材料。
所述的热收缩膜选自聚烯烃或聚酯热收缩膜。
所述纤维预浸料选自碳纤维、玻璃纤维、植物纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维及其混杂纤维增强的环氧树脂、酚醛树脂或者热塑性树脂预浸料。
所述纤维预浸料为单向布、经编织物或多轴向布。
本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：本发明采用管壁内和管壁外协同加热的方法，通过控制加热棒的温度，优化了管内壁预浸料树脂的固化过程，避免了烘箱加热、压机加热等单一外加热方式导致的产品尺寸精度低和管壁容易产生缺陷等问题，提高了复合材料管的成型质量，而且将成型时间缩短了一半，提高了产品的生产效率。
附图说明
图1 是本发明实施例1的成型装置结构示意图；
图2 是本发明实施例2的成型装置结构示意图。
图3是本发明实施例3的成型装置结构示意图。
图4是本发明实施例4的成型装置结构示意图。
附图标号说明：1为加热棒，2为预浸料，3为热收缩膜，4为模具，5为气袋，6为硅橡胶。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的说明。
本发明的成型步骤如下：首先是芯模的准备，主要是采用可以调控温度的加热棒，温度范围根据所用预浸料树脂的固化工艺而定；其棒体尺寸要与管子的内径尺寸相符合，形状要匹配，可以是直筒，也可以是其它具有特定结构的形状。另外，棒体上还可以包覆气袋或者橡胶等其它辅助材料。第二步是将预浸料按照设定铺层包覆在加热棒上，如果是直接包覆，则需要在棒体上涂一层脱模剂，有利于成型完成后抽出芯棒，如果是包覆在气袋或者橡胶材料上，则可以不用涂脱模剂。第三步是在预浸料层上包裹热收缩膜或者直接将其放置入成型模具中合模。热收缩膜在加热过程中会发生显著的收缩，产生较大的裹紧力，同时还可以减少树脂的外漏，起到控制管壁中树脂含量的作用。第四步，将管件置于烘箱中或者硫化机上，根据树脂固化工艺条件，调控加热棒的温度值，同时调控环境温度，如烘箱或者硫化机的加热温度，进行固化成型。第五步，待冷却后，脱模即可得到纤维增强复合材料管。
实施例1：
采用L型的金属电加热棒，温度控制器范围为100℃-200℃，在其上涂一层高温脱模剂，利用T700SC-12K碳纤维环氧单向预浸料按照准各向同性铺层[0°/45°/-45°/90°]ns包覆在加热棒上，管壁厚度达到5mm，再利用多层共挤聚烯烃（POF）热收缩薄膜缠绕在预浸料外层。最后，根据环氧树脂的固化工艺，调控加热棒和烘箱的温度从室温升到120℃，保持0.5小时，再升温到180℃，保持1小时，停止加热。待加热棒和烘箱温度降低到80℃以下，脱模得到复合材料管。与之对应的成型方法如图1所示。经检测，使用该成型方法制备的L型碳纤维管材表面光滑、无气泡，内部无酥松、分层现象，尺寸完全满足设计要求。
对比例1：
采用在L型的金属芯棒上直接缠绕碳纤维环氧单向预浸料的方法制备上述碳纤维管材。按照准各向同性铺层 [0°/45°/-45°/90°]ns包覆在加热棒上，管壁厚度达到5mm，再利用多层共挤聚烯烃（POF）热收缩薄膜缠绕在预浸料外层。最后，采用与实施例1同样的固化工艺进行固化成型，待加热棒和烘箱温度降低到80℃以下，脱模得到复合材料管。经检测，采用金属芯棒上直接缠绕碳纤维单向预浸带的方法制备的碳纤维管壁出现分层、富树脂缺陷，产品质量不稳定，废品率为30％左右。
另外，为了排除固化时间对碳纤维管成型质量的影响，延长了树脂的固化时间，具体为：调控加热棒和烘箱的温度从室温升到120℃，保持1小时，再升温到180℃，保持2小时，停止加热。待加热棒和烘箱温度降低到80℃以下，脱模得到复合材料管。经检测，即使延长了固化时间，碳纤维管壁依然出现分层、富树脂缺陷，产品质量同样不稳定，废品率为30％左右。
实施例2：
采用圆柱型的金属电加热棒，温度控制器范围为60℃-150℃，在其上涂上中温脱模剂，利用T300碳纤维环氧树脂经编织物预浸料按照准各向同性铺层[0°/45°/-45°/90°]ns包覆在加热棒上，管壁厚度达到5mm，直接将其放入金属模具中，合模。最后，根据环氧树脂的固化工艺，调控加热棒和烘箱的温度从室温升高到120℃，保持2小时，停止加热。待加热棒和烘箱温度降低到80℃以下，脱模得到复合材料管。与之对应的成型方法如图2所示。
实施例3：
采用圆柱型的红外加热棒，棒体采用陶瓷材料，功率范围为220V/1100W，在其上包覆一层尼龙气袋，利用E玻璃纤维增强酚醛树脂预浸料按照 [0°/90°]ns对称铺层包覆在加热棒上，管壁厚度达到10mm，直接将其放入金属模具中，合模。最后，根据酚醛树脂的固化工艺条件，调控加热棒和烘箱的温度从室温升到160℃，保持2小时，停止加热。待加热棒和烘箱温度降低到80℃以下，脱模得到复合材料管。与之对应的成型方法如图3所示。
实施例4：
采用U型的碳纤维电加热棒，功率范围为220V/1500W，在其上包覆一层硅橡胶材料，利用E玻璃纤维/T300碳纤维混杂增强酚醛树脂预浸料按照 [0°/90°]ns对称铺层包覆在加热棒上，管壁厚度达到10mm，直接将其放入金属模具中，合模。最后，根据酚醛树脂的固化工艺条件，调控加热棒和烘箱的温度从室温升到160℃，保持2小时，停止加热。待加热棒和烘箱温度降低到80℃以下，脱模得到复合材料管。与之对应的成型方法如图4所示。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，所以凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何非原创性修改或者等同变化，均仍属于本发明的技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种纤维增强复合材料管的成型方法，包括如下步骤：利用与管内径尺寸和结构相符的加热棒作为芯模，把纤维预浸料按照设计铺层包覆在加热棒上，再在其上缠绕热收缩膜或者直接将其放置入模具内，调控加热棒的温度，同时配合外加热设备成型复合材料管。
2.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于：所述加热棒的材质选自金属、陶瓷或者碳纤维。
3.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于：所述加热棒通过温度控制器实现25℃~400℃的恒温控制。
4.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于：所述加热棒通过电加热、红外加热或者感应加热。
5.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于：所述纤维预浸料直接包覆在加热棒上，或在加热棒的外表面增设气袋、橡胶。
6.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于：所述的热收缩膜选自聚烯烃热收缩膜或聚酯热收缩膜。
7.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于：所述纤维预浸料选自碳纤维、玻璃纤维、植物纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维及其混杂纤维增强的环氧树脂、酚醛树脂或者热塑性树脂预浸料。
8.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于：所述纤维预浸料为单向布、经编织物或多轴向布。
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