CN103741238A - 碳纤维复合材料离心缸及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于纺织行业的碳纤维复合材料离心缸及其制作方法。其缸体和底座均为碳纤维预浸料铺设在模具内进行固化成型后脱模而成。所制得的离心缸强度高、刚度高、重量轻、抗疲劳性能好、耐腐蚀性强，能在温度低于80℃、硫酸含量15%环境下长期使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于纺织行业的离心缸，更具体的说，本发明涉及一种碳纤维复合材料离心缸及其制作方法。
背景技术
离心缸是一种纺织行业用连续纤维收卷容器，在运行过程中，离心缸在设备上需要承受由于高速旋转所产生的离心力，并且需要克服一定浓度的硫酸腐蚀。
目前市面上离心缸的主流产品有两种：一种是铝合金加防腐涂层为主制造而成，其具有良好的动平衡性，但是在长期的酸性环境下，缸体的腐蚀严重，使用寿命短(大概在1年左右)，更换离心缸频率较高，整体重量大，能耗高；另一种是采用玻纤湿法缠绕而成的离心缸，由缸体和底座构成，底座使用玻璃纤维与不饱和树脂内嵌金属件模压成型，缸体用玻璃纤维浸渍不饱和树脂通过缠绕、固化而成，所采用的不饱和树脂基体耐酸性能较差，腐蚀导致分层断裂，由此法制成的离心缸孔隙率高、纤维含量低。为了达到刚度要求必须增加壁厚，其实际重量比铝合金离心缸重，动平衡性较差，能耗更高，耐酸性较差导致使用寿命与铝合金材质的离心缸差别不大，且无回收价值，总体性价比不如铝合金。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种碳纤维复合材料离心缸及其制作方法。制备的离心缸重量轻、刚度高、耐腐蚀性强，能在温度低于80℃，浓度为15%的硫酸环境中长期使用。
本发明技术方案如下：
一种碳纤维复合材料离心缸，包括缸体和底座，其特征在于所述的缸体和底座均由碳纤维复合材料制成。
优选地：所述缸体和底座均为碳纤维预浸料铺设于模具上进行固化成型后脱模而成。
优选地：所述碳纤维预浸料的树脂基体为环氧树脂。
一种制作碳纤维复合材料离心缸的方法，其特征在于包括以下内容：
a. 制作离心缸底座：
（a-1）. 将碳纤维预浸料按照实际尺寸剪裁成坯料；
（a-2）. 将（a-1）中剪裁好的坯料铺贴在底座成型模具里，得到预成型体A；
（a-3）. 将（a-2）中得到预成型体A经过固化成型和脱模后，即得所述离心缸底座；
b. 制作离心缸：
（b-1）将步骤（a-3）中得到的离心缸底座固定在缸体成型模具上；
（b-2）将剪裁好的碳纤维预浸料铺设在（b-1）中所得的已固定了离心缸底座的缸体成型模具上（如图2所示），得到预成型体B；
（b-3）将步骤（b-2）中所述的预成型体B进行封装（如图3所示），得到预成型体C；
（b-4）将（b-3）中所述预成型体C经过固化成型和脱模后，即得所述碳纤维复合材料离心缸成品。
优选地：所述步骤（b-2）中将剪裁好的碳纤维预浸料铺设在缸体成型模具上的同时，增加压实操作：每铺设1-2mm厚碳纤维预浸料，即进行一次压实的操作。
优选地：所述压实操作是采用真空袋封装进行抽真空压实。
优选地：所述步骤（b-3）中所述的封装为用真空袋进行封装。
优选地：所述步骤（b-4）中的固化成型过程中一直保持真空度不低于-0.09Mpa。
本发明效益如下：
1. 本发明提供的纺织行业用离心缸，其底座和缸体都是碳纤维复合材料材质，与传统的铝合金材质和玻璃钢内嵌金属件离心缸相比，本发明提供的离心缸强度高、刚度高、重量轻、抗疲劳性能好、耐腐蚀性强，能在温度低于80℃，浓度为15%的硫酸环境下长期使用，有利于提高生产效率，延长使用寿命。
2. 传统中采用玻璃纤维湿法缠绕方法制备离心缸，工艺的缺点是：树脂含量不易控制；纤维体积含量一般较低；容易产生孔隙，产品质量难以控制；制品力学性能相对较低；树脂浪费严重，操作环境差。而本发明提供的碳纤维复合材料离心缸制作方法，首先制备碳纤维预浸料，然后铺贴在模具上进行固化而成，此工艺可以对树脂含量进行严格控制，纤维含量高、孔隙率低、力学性能好、树脂浪费少，没有树脂溶剂造成的危害性气体，作业环境得到改善。
3. 本发明提供的离心缸制作方法中，将碳纤维预浸料铺贴在缸体成型模具上的过程中，增加了压实操作，排出由铺贴带来的预浸料层间空气，提高产品的质量稳定性；本发明提供的压实操作优选的是用真空袋封装后进行抽真空压实，而传统的操作中一般采用碾压轮或刮板进行手工压实，受操作工人技能熟练程度的影响，导致产品批次间产品质量存在巨大差异。
4. 本发明提供的离心缸制作方法中，在步骤（b-3）中，将预制件B进行封装，优选采用真空袋进行封装，此处操作具有以下优势：用真空袋封装可以固定纤维位置，防止纤维在固化初期随树脂移动；保证制件在后期固化过程中各点受到均匀的压力，有利于空气、挥发份排出，降低孔隙率。
5. 本发明提供的离心缸制作方法中，在步骤（b-4）中，固化成型过程中一直保持真空度高于-0.09Mpa，有利于固化过程中制件的各个方向受力均匀，利于空气和低分子气体排出，可进一步降低成品的孔隙率。
6. 比强度和比模量作为衡量材料轻质高强、高承载能力的重要指标。本发明采用碳纤维预浸料制作的离心缸刚度高、重量轻，碳纤维复合材料的比强度是铝合金的9倍以上，是玻璃钢的2.9倍；比模量是铝合金的2.7倍，是玻璃钢的3.7倍。本发明选用碳纤维复合材料可以同等程度上提高离心缸的性能，且环氧树脂相对于不饱和树脂具有较强的耐腐蚀性。
附图说明
图1为离心缸底座铺贴示意图，其中1表示底座成型模具的阳模；2表示底座成型模具的阴模；3表示离心缸底座；
图2为离心缸缸体铺贴示意图，其中4表示缸体成型模具；5表示碳纤维预浸料；
图3为离心缸的封装示意图，其中6表示真空袋；7表示隔离膜；8表示固化平台；9表示离心缸缸体；10表示抽真空接口；11表示密封胶条；
图4表示离心缸成品的剖面图，其中12表示离心缸成品。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
一种碳纤维复合材料离心缸，包括缸体和底座，所述的缸体和底座均为碳纤维预浸料铺贴在模具上进行固化而成，具体采用如下的制作方法：
a. 离心缸底座的制作方法：
（a-1）. 将碳纤维预浸料按照实际尺寸剪裁成坯料；
（a-2）. 如图1所示，将（a-1）中剪裁好的坯料铺贴在底座成型模具（由阴模2和阳模1构成）上制作成预成型体A。所述底座成型模具是根据产品外形特点以及尺寸要求进行设计；
（a-3）. 将上面得到的预成型体A经过固化成型和脱模后，即得所述的离心缸底座3。所述固化成型时的温度和压力是根据预浸料的成型工艺而定，例如，选用中温环氧树脂体系制成的预浸料，可采用的固化温度为120~130℃，压力为0.6~1.5Mpa；
b. 离心缸的制作方法：
（b-1）. 将步骤（a-3）中得到的离心缸底座固定在缸体成型模具上；
（b-2）. 如图2所示，将剪裁好的碳纤维预浸料5铺设在缸体成型模具4上，每铺设3~5层或铺设到0.5~1mm时用真空袋进行一次压实操作，制成离心缸缸体预成型体B；
（b-3）. 如图3所示，用真空袋将所述离心缸底座3和所述离心缸缸体9的预成型体B进行封装，封装时采用真空袋6、导气材料和脱模材料7、密封胶条10、真空嘴11等辅助材料进行封装，封装后得到预成型体C；
（b-4）. 将上面得到的预成型体C固化成型，固化成型过程中一直保持真空状态，此处的固化成型温度、压力和真空度是根据预浸料成型工艺而定，例如，选用中温环氧树脂体系制成的预浸料，可采用温度为110℃~135℃，压力0~0.5Mpa，真空-0.09Mpa；
固化成型后，通过脱模即得碳纤维复合材料离心缸成品12（如图4所示），图4为离心缸成品剖面图。
上所述制得的碳纤维复合材料离心缸，其缸体和底座均由碳纤维复合材料制成，具有优异的耐腐蚀性能，能在温度低于80℃，浓度为15%硫酸的环境中长期使用；强度好、刚度高、优异的耐疲劳性能；重量轻，利于提高转速、减小惯性、提高生产效率、延长使用寿命。
由表1数据可以看出，碳纤维复合材料的比强度是铝合金的9倍以上，是玻璃钢的2.9倍；比模量是铝合金的2.7倍，是玻璃钢的3.7倍。本发明选用碳纤维复合材料可以同等程度上提高离心缸的性能，且环氧树脂相对于不饱和树脂具有较强的耐腐蚀性。
材料性能对比表（表1）
Claims (7)
1. 一种碳纤维复合材料离心缸，包括缸体和底座，其特征在于所述的缸体和底座均由碳纤维复合材料制成。
2. 根据权利要求1所述的碳纤维复合材料离心缸，其特征在于所述的缸体和底座均为碳纤维预浸料铺设于模具内进行固化成型后脱模而成。
3. 根据权利要求2所述的碳纤维复合材料离心缸，其特征在于所述碳纤维预浸料的树脂基体为环氧树脂。
4. 制作权利要求1所述碳纤维复合材料离心缸的制作方法，其特征包括以下内容：
a. 制作离心缸底座：
（a-1）. 根据实际尺寸将碳纤维预浸料裁剪成坯料；
（a-2）. 将（a-1）中剪裁好的坯料铺贴在底座成型模具上，得到预成型体A；
（a-3）. 将（a-2）中的预成型体A经过固化、脱模后，即得所述的离心缸底座；
b. 制作离心缸：
（b-1）. 将步骤（a-3）中得到的离心缸底座固定在缸体成型模具上；
（b-2）. 将剪裁好的碳纤维预浸料铺设在（b-1）中所得的已固定了离心缸底座的缸体成型模具上，得到预成型体B；
（b-3）. 将步骤（b-2）中所述的预成型体B进行封装，得到预成型体C；
（b-4）. 将（b-3）中所述的预成型体C经过固化成型和脱模后，即得所述的碳纤维复合材料离心缸成品。
5. 根据权利要求4所述碳纤维复合材料离心缸的制作方法，其特征在于所述步骤（b-2）中将剪裁好的碳纤维预浸料铺设在缸体成型模具上的同时，增加压实操作：每铺设1-2mm厚的碳纤维预浸料，进行一次压实操作。
6. 根据权利要求5所述碳纤维复合材料离心缸的制作方法，其特征在于所述压实操作是采用真空袋进行封装后抽真空压实。
7. 根据权利要求4所述的碳纤维复合材料离心缸的制作方法，其特征在于所述步骤（b-3）中所述的封装为用真空袋进行封装。
8. 根据权利要求4所述的碳纤维复合材料离心缸的制作方法，其特征在于所述步骤（b-4）中的固化成型过程中一直保持真空度不低于 -0.09Mpa。
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