CN104827717A - 一种新型三维正交机织结构复合材料防撞护板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型三维正交机织结构复合材料防撞护板，该护板采用三维正交机织织造技术，通过双向引纬工艺与加减经纱工艺相结合，织造出波形截面的三维一体织物结构，同时将加强筋作为经纱引入，形成主体纱线、加强筋、主体纱线的混合经纱层，通过Z向捆绑纱织造成为一体。最后将其与环氧树脂等热固性树脂结合制备出复合材料防撞护板结构。织造护板的主体纱线可采用玻璃纤维等高性能纱线，加强筋材料采用碳纤维。该类新型护板具有增强织物与加强筋一体织造的特点，有机结合成一个整体，具有很好的能量吸收性；通过树脂复合后具有耐腐蚀、耐老化等性能，且该工艺简单易实现产业化推广。

Description

一种新型三维正交机织结构复合材料防撞护板

技术领域

本发明公开了一种新型三维正交机织结构复合材料防撞护板，涉及高速公路护板领域。

背景技术

近年来，随着我国经济实力的提高，我国交通运输事业迅猛发展，对我国高速公路的安全可靠性提出了更高的要求。传统的道路安全防护设施护栏主要有两种：波形钢护栏和钢筋混凝土护栏。波形钢护栏是使用最多的高速公路护栏，但腐蚀现象较为严重，使用寿命较短，一般15年左右就需更换护板，南方酸雨、盐雾地区更为突出；钢制护板笨重，生产、运输、安装过程均不方便。高速公路的快速发展使防护的标准车型，已经由中型载货车逐渐转变为卡车(重型车)和小型汽车(含轿车)。车辆的大型和重型化，意味着冲击护栏的碰撞力增加，而且车辆的重心明显提高，与波形护栏相撞容易冲出、外翻于路外；轿车与波形护栏相撞容易钻入护栏下方，传统的波形护栏防护能力有限，明显不再能满足新型车型格局和碰撞速度的提高。钢筋混凝土护栏可以有效阻止汽车高速运动，但因为其刚性防护的特点，乘车人员的安全很难得到保障。

理想的高速公路护栏要有良好的防撞性能，防止行进中的车辆驶出路外或驶进对方车道；保证事故车辆的伤害损坏中止在最小限度，并使车辆恢复到正常行进方向；对行车安全、行车舒适度、高速公路景观、工程造价具有积极影响；适合我国国情和社会发展，高速公路现状。

随着复合材料的迅速发展和其性能的优越性，其在改进高速公路防护板的安全性能和设计新型防护板方面受到关注。在国外，美国联邦公路管理局1990年就开始对复合材料护栏展开研究，然而国内对复合材料护栏研究较少，相关论文及专利十分有限，且停留在纤维基增强树脂、二维织物增强树脂复合材料阶段。

专利CN 202881876 U “一种高速公路聚氯乙烯防护拦”中采用玻璃纤维与基体树脂聚氯乙烯（PVC）复合结构做基体层，设计了一种纤维基增强树脂的复合材料护栏，增加了增韧、冲击改性剂，进行了微交联接枝处理，与耐候性、抗老化性能的助剂；

专利CN 201531002 U“树脂基复合材料防撞护栏构件” 提出由改性树脂基复合材料与增强纤维连续缠绕成型，并组成抗弯曲几何型面的板状或柱形型材，用两种或两种以上增强相材料混杂于高强树脂基的混杂结构复合材料，通过层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内/层间混杂和超混杂复合材料制得的内埋钢筋和/或钢丝网的护拦构件；

专利CN 202688924 U“高速公路柔性安全防护栏” 选用由环氧玻璃纤维交织而成的加强带作为PVC 树脂板的内层，在保证原有抗冲击效果的同时其弹性更佳，在发生碰撞时能减缓冲击力、提高安全性，不仅具有较强抗冲击力同时更具柔性和耐腐蚀特性；

专利CN 101806042 A “一种塑料护栏板”中设计了一种延展性塑料筋与塑料护板主体熔融粘接的护板，该护板可以利用通常的粉碎机进行粉碎达到回收目的，克服了金属加强筋与熔融塑料护板主体难以分离回收利用的问题。但该护板加工工艺复杂，且难以控制塑料筋与主体充分熔融粘接。

随着复合增强材料的迅猛发展，作为其基材的三维织物的研究迅速发展，在各种类型的纤维增强复合材料中，三维织物增强是一种非常有效的增强形式。三维机织物具有长、宽、高（厚度）三个方向的尺寸，厚度可达到10mm以上，又被称为立体织物。与传统的二维结构织物相比，三维织物结构除了平面方向的X、Y方向纱线外，沿织物厚度方向引入一层捆绑纱，加强了织物的层间联系，使其成一整体，从而显著提高了厚度方向的机械性能、织物的抗拉伸疲劳性能。三维织物克服了以往各种复合材料的层间强度低、整体性差的致命弱点，具有优异的整体受力性能，在受力冲击时有很好的调节能力，较高的损伤容限，显著的抵抗裂纹扩展的能力和能量吸收能力。三维织物还具有强度高，比模量大，特殊力学耦合性好，可设计性好，生产成本低，易于实现等优良性能，逐渐成为新一代公路防撞护板的发展方向。

发明内容

本发明拟解决的问题是：开发了一种新型三维正交机织结构复合材料防撞护板，有效克服了以往护板主体与加强筋间的粘接问题及复合材料护板的分层问题。该护板采用三维正交机织织造技术，通过双向引纬工艺与加减经纱工艺相结合，织造出波形截面的三维一体织物结构。三维织物中添加碳纤维纱线作为加强筋，织造时作为经纱引入，形成主体纱线、加强筋、主体纱线的混合经纱层，通过Z向捆绑纱织一体织造，提高了护板的抗冲击、抗撞强度，确保了护板的安全可靠性，且易于织造。主体纱线与加强筋纱线一体成型织造，结构紧密，避免了因护板主体与加强筋粘接作用有限，较重车辆撞击时，撞击部分护板主体与加强筋脱离，复合结构抗冲撞强度丧失，转变为由加强筋与护板各自具有的强度来起到阻挡作用的情况的发生，提高了复合护板的整体抗冲击强度，最后将其与      环氧树脂等热固性树脂结合，为一种新型有效的复合材料防撞护板。

三维正交机织物的经纬密度：80根/10厘米，经纬纱细度：1000旦，捆绑纱的密度：40根/10厘米，捆绑纱细度：300旦，加强筋纱线密度：80根/10厘米，细度：1000旦。

三维机织物经纱为6层，纬纱为5层，经纱 1、2、层为主体纱线，3、4层为加强筋材料，5、6层为主体纱线。也可以根据纱线细度、经纬密度变化选择合适的织造层数，改变加强筋层数。

利用三维多箭杆织机，两个引纬箭杆左右对称同时织造。波形织造时采用加减经纱工艺，经纱数随着经纱层从上到下按一定规律逐渐增加，增加规律为等差增加或等比增加。

织造护板的主体纱线为高性能纱线，可以为玻璃纤维，作为经纬纱和捆绑纱。加强筋所用纱线比护板主体纱线强度高，可以为碳纤维、高强高模聚乙烯、芳纶。基体树脂为热固性树脂，可以为环氧树脂、双马树脂、聚酰亚胺树脂或酚醛树脂。

本发明的有益效果

本发明是一种新型三维正交机织结构复合材料防撞护板，具有增强织物与加强筋一体织造、结合紧密的特点，有效克服了以往护板主体与加强筋间的粘接问题及复合材料护板的分层问题，提高了复合护板的整体抗冲击强度，具有很好的能量吸收性。

通过双向引纬工艺与加减经纱工艺相结合，织造出波形截面的三维一体织物结构，也可以根据纱线细度、经纬密度变化选择合适的织造层数，改变加强筋层数或形态，满足不同路段的高速公路护板需求。

本新型三维正交机织结构复合材料防撞护板通过树脂复合后具有耐腐蚀、耐老化等性能，且可设计性好，生产成本低，工艺简单，易实现产业化推广。

附图说明

图1 新型三维正交机织物的结构示意图。图中1-波形处，2-波形过渡处，3-加强筋。

图2 新型三维正交机织结构复合材料防撞护板结构示意图。 图中1-树脂，2-新型三维正交机织物。图3变换加强筋三维正交机织物的结构示意图。图中1-波形处，2-波形过渡处，3-加强筋。图4多层加强筋三维正交机织物的结构示意图。图中1-波形处，2-波形过渡处，3-加强筋。

具体实施方案

下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1 新型三维正交机织结构复合材料防撞护板

以玻璃纤维为经纬纱和捆绑纱，碳纤维为加强筋，在三维织机上织造出三维正交织物，配合环氧树脂真空辅助树脂转移成型，制得新型三维正交机织结构复合材料防撞护板。

织造时利用三维多箭杆织机，两个引纬箭杆左右对称同时织造。采用4页综框，一对控制波形护板部分Z纱，一对控制波形过渡部分Z纱。三维机织物经纱为6层，纬纱为5层，纬纱和捆绑纱均为玻璃纤维，波形护板对应处经纱1、2层为玻璃纤维，3、4层两边为玻璃纤维，中间为加强筋碳纤维，5、6层为玻璃纤维，波形护板过渡处只有1、2层玻璃纤维。如上图1所示三维正交机织物的结构示意图，图中1-波形处，2-波形过渡处，3-加强筋。

织造步骤：

1、穿纱：玻璃纤维、碳纤维、边经纱由筒子架上引出，根据织造要求按照三根经纱一根捆绑纱的比例穿过综框上的多眼综丝，再穿过钢筘，最后穿过固定的单眼综框，由织物夹具夹持。2、施加张力：根据张力要求，采用三维正交织机特有的张力控制系统，对经纱、纬纱、捆绑纱施加一定的张力。3、分层：将所有的经纱从上到下分成6层，波形护板对应处经纱1、2层为玻璃纤维，3、4层两边为玻璃纤维，中间为加强筋碳纤维，5、6层为玻璃纤维，波形护板过渡处只有1、2层玻璃纤维。将两层捆绑纱分别放在最上层和最下层（6层经纱位于上下两层捆绑纱中间），形成比经纱层数多一个的梭口（7个梭口）。4、引纬、打纬：纬纱从筒子上退绕下来，引纬剑穿过梭口并停在最远方位置。边经纱由筒子上退绕下来，穿过边经剑后由织物夹具夹持，引纬剑将纬纱送出梭口，由织边装置形成纱圈编结而成的布边。5、换综：通过综框的上下交替运动，将两层捆绑纱交织，使最下层的到最上层，最上层的到最下层。6、打纬：换综后，集中再打一次纬。7、引离：织边结束后，引纬剑退出，钢筘将纬纱推向织口，织物引离装置将形成的织物引离。

实施例2 变换加强筋三维正交机织复合材料防撞护板

以玻璃纤维为经纬纱和捆绑纱，高强高模聚乙烯为加强筋，在三维织机上织造出三维正交织物，配合环氧树脂真空辅助树脂转移成型，制得新型三维正交机织结构复合材料防撞护板。

织造时利用三维多箭杆织机，两个引纬箭杆左右对称同时织造。采用4页综框，一对控制波形护板部分Z纱，一对控制波形过渡部分Z纱。三维机织物经纱为5层，纬纱为4层，纬纱和捆绑纱均为玻璃纤维，波形护板对应处经纱1、2层为玻璃纤维，3层为加强筋高强高模聚乙烯，4、5层为玻璃纤维，波形护板过渡处只有1、2层玻璃纤维。如图3所示变换加强筋三维正交机织物的结构示意图，图中1-波形处，2-波形过渡处，3-加强筋。

织造步骤：

1、穿纱：玻璃纤维、高强高模聚乙烯、边经纱由筒子架上引出，根据织造要求按照三根经纱一根捆绑纱的比例穿过综框上的多眼综丝，再穿过钢筘，最后穿过固定的单眼综框，由织物夹具夹持。2、施加张力：根据张力要求，采用三维正交织机特有的张力控制系统，对经纱、纬纱、捆绑纱施加一定的张力。3、分层：将所有的经纱从上到下分成5层，波形护板对应处经纱1、2层为玻璃纤维，3、层为加强筋高强高模聚乙烯，4、5层为玻璃纤维，波形护板过渡处只有1、2层玻璃纤维。将两层捆绑纱分别放在最上层和最下层（5层经纱位于上下两层捆绑纱中间），形成比经纱层数多一个的梭口（6个梭口）。4、引纬、打纬：纬纱从筒子上退绕下来，引纬剑穿过梭口并停在最远方位置。边经纱由筒子上退绕下来，穿过边经剑后由织物夹具夹持，引纬剑将纬纱送出梭口，由织边装置形成纱圈编结而成的布边。5、换综：通过综框的上下交替运动，将两层捆绑纱交织，使最下层的到最上层，最上层的到最下层。6、打纬：换综后，集中再打一次纬

7、引离：织边结束后，引纬剑退出，钢筘将纬纱推向织口，织物引离装置将形成的织物引离。

实施例3 三维正交机织复合材料加强防撞护板

以玻璃纤维为经纬纱和捆绑纱，碳纤维为加强筋，在三维织机上织造出具有多层加强筋的三维正交织物，配合环氧树脂真空辅助树脂转移成型，制得新型三维正交机织结构复合材料防撞护板。

织造时利用三维多箭杆织机，两个引纬箭杆左右对称同时织造。采用4页综框，一对控制波形护板部分Z纱，一对控制波形过渡部分Z纱。三维机织物经纱为7层，纬纱为6层，纬纱和捆绑纱均为玻璃纤维，波形护板对应处经纱1、2、5、7层为玻璃纤维，3、4、6层为加强筋碳纤维，波形护板过渡处1、2层玻璃纤维，3、4层加强筋碳纤维。如图4所示多层加强筋三维正交机织物的结构示意图，图中1-波形处，2-波形过渡处，3-加强筋。

织造步骤：1、穿纱：玻璃纤维、碳纤维、边经纱由筒子架上引出，根据织造要求按照三根经纱一根捆绑纱的比例穿过综框上的多眼综丝，再穿过钢筘，最后穿过固定的单眼综框，由织物夹具夹持。2、施加张力：根据张力要求，采用三维正交织机特有的张力控制系统，对经纱、纬纱、捆绑纱施加一定的张力。3、分层：将所有的经纱从上到下分成7 层，波形护板对应处经纱1、2、5、7层为玻璃纤维，3、4、6层为加强筋碳纤维，波形护板过渡处1、2层玻璃纤维，3、4层加强筋碳纤维。将两层捆绑纱分别放在最上层和最下层（7层经纱位于上下两层捆绑纱中间），形成比经纱层数多一个的梭口（8个梭口）。4、引纬、打纬：纬纱从筒子上退绕下来，引纬剑穿过梭口并停在最远方位置。边经纱由筒子上退绕下来，穿过边经剑后由织物夹具夹持，引纬剑将纬纱送出梭口，由织边装置形成纱圈编结而成的布边。5、换综：通过综框的上下交替运动，将两层捆绑纱交织，使最下层的到最上层，最上层的到最下层。6、打纬：换综后，集中再打一次纬。7、引离：织边结束后，引纬剑退出，钢筘将纬纱推向织口，织物引离装置将形成的织物引离。

Claims (13)

1.一种新型三维正交机织结构复合材料防撞护板，该护板特征在于：所述护板采用三维正交机织织造技术，通过双向引纬工艺与加减经纱工艺相结合，织造出变截面即波形截面的三维一体织物结构。

2.同时将加强筋作为经纱引入，形成主体纱线、加强筋、主体纱线的混合经纱层，通过Z向捆绑纱将相互垂直的经纬纱铺层束缚在一起织造成为一体。

3.最后将其与环氧树脂等热固性树脂结合制备出复合材料防撞护板结构。

4.如权力要求1所述的新型三维正交机织结构复合材料防撞护板，其特征在于：所述护板织造方法为：加强筋作为经纱引入的三维正交机织织造法中的平面内两组纱线无交织法或三组纱线完全交织。

5.如权力要求1所述的新型三维正交机织结构复合材料防撞护板，其特征在于：所述护板主体三维正交机织物的经纬密度：80根/10厘米，经纬纱细度：1000旦，捆绑纱的密度：40根/10厘米，捆绑纱细度：300旦，加强筋纱线密度：80根/10厘米，细度：1000旦。

6.如权力要求1所述的新型三维正交机织结构复合材料防撞护板，其特征在于：所述护板主体三维机织物经纱为6层，纬纱为5层，经纱 1、2、层为主体纱线，3、4层为加强筋材料，5、6层为主体纱线。

7.也可以根据纱线细度、经纬密度变化选择合适的织造层数，改变加强筋层数。

8.如权力要求1所述的新型三维正交机织结构复合材料防撞护板，其特征在于：所述护板的波形织造时采用双向引纬工艺：利用三维多箭杆织机，两个引纬箭杆左右对称同时织造。

9.如权力要求1所述的新型三维正交机织结构复合材料防撞护板，其特征在于：所述护板的波形织造时采用加减经纱工艺：利用三维多箭杆织机，织造时经纱数随着经纱层从上到下按一定规律逐渐增加，增加规律为等差增加或等比增加。

10.如权力要求1所述的新型三维正交机织结构复合材料防撞护板，其特征在于：所述护板主体纱线为高性能纱线，可以为玻璃纤维，作为经纬纱和捆绑纱。

11.如权力要求1所述的新型三维正交机织结构复合材料防撞护板，其特征在于：所述波形护板板内加强筋所用纱线比护板主体纱线强度高，可以为碳纤维、高强高模聚乙烯、芳纶。

12.如权力要求1所述的新型三维正交机织结构复合材料防撞护板，其特征在于：所述复合材料护板利用真空辅助树脂转移成型方法制成。

13.基体树脂为热固性树脂，可以为环氧树脂、双马树脂、聚酰亚胺树脂或酚醛树脂。