CN105881991A - 一种连续纤维增强的耐磨套及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连续纤维增强的耐磨套，其包括耐磨层和连续纤维增强层，其中所述耐磨层是聚四氟乙烯，所述连续纤维增强层是连续玻璃纤维，所述连续纤维增强层缠绕在所述耐磨层的外表面。本发明的制备工艺简单、生产效率高；耐磨套的物化性能优良；耐磨层与连续纤维增强层的粘接牢固，具有较高的强度与刚度，因此耐磨套的使用寿命较长。
Description
技术领域
本发明涉及一种耐磨套及其制备方法，特别涉及一种连续纤维增强的耐磨套及其制备方法。
背景技术
扭杆是保证高速动车平稳运行的重要部件，扭杆与球铰由耐磨套连接，在高速动车运行过程中，球铰需经受径向、轴向、偏转等各种复杂的载荷，其对耐磨套的耐磨效果、与背衬增强层的粘接连接要求极高。传统的扭杆衬套由粘接剂简单冷粘而成，粘接层厚度不易控制均匀，粘接效果差，生产效率低。在使用过程中，耐磨层与背衬增强层容易脱粘。背衬增强层刚度小，导致耐磨套压入球铰过程中易损坏。
出于这种考虑，本发明的发明人进行了研究，目的是解决相关领域现有技术所暴露出来的问题，期望提供一种制备工艺简单、耐磨效果优良、生产效率高、使用寿命长且耐磨层与背衬增强层粘接牢固的连续纤维增强的耐磨套及其制备方法。
发明内容
鉴于以上现有技术的不足，本发明的一个目的在于提供一种连续纤维增强的耐磨套。本发明的发明人通过大量试验和创造性劳动发现，将浸渍环氧树脂的连续纤维缠绕至聚四氟乙烯耐磨层外表面一体化成型扭杆耐磨套，背衬增强层能够提供足够的强度与刚度，同时背衬增强层与耐磨层热粘接牢固，因此耐磨套的耐磨效果较高、使用寿命较长。
本发明的另一个目的在于提供一种制备所述连续纤维增强的耐磨套的方法，其不仅具有生产效率高、制备工艺简单的特点，而且所制备得到的连续纤维增强的耐磨套具有耐磨效果优良、使用寿命长且耐磨层与背衬增强层粘接牢固、具有较高的强度与刚度的特点。
本发明的再一个目的在于提供一种用于高速列车的扭杆，其通过所述耐磨套或所述方法制备得到的耐磨套与球铰进行连接，该扭杆依靠扭转变形，限制车体的侧滚角度，保证车体的平稳运行，从而确保乘客的舒适性。
本发明的再一个目的在于提供一种包括所述耐磨套或所述扭杆的高速列车。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种连续纤维增强的耐磨套，其包括耐磨层和连续纤维增强层，其中所述耐磨层是聚四氟乙烯，所述连续纤维增强层是连续玻璃纤维，所述连续纤维增强层缠绕在所述耐磨层的外表面。
根据本发明的一个具体实施例，所述连续纤维增强层选自高强玻璃纤维或无碱玻璃纤维。
根据本发明的一个具体实施例，所述连续纤维增强层优选240～2400Tex的无碱玻璃纤维，更优选960～1200Tex的无碱玻璃纤维。
在本发明中，所述无碱玻璃纤维，也可以被称为E玻璃纤维，是指碱金属氧化物含量小于1％的玻璃纤维。
在本发明中，连续纤维增强层的纤度是本发明需要考虑的一个重要方面。本发明的发明人通过大量试验和创造性劳动发现，纤维纤度太小，连续纤维层的缠绕效率较低；纤维纤度太高，影响树脂浸润性及产品尺寸的稳定性。可以列举的本发明所述连续纤维增强层包括但不限于：240Tex无碱玻璃纤维、480Tex无碱玻璃纤维、960Tex无碱玻璃纤维、1200Tex无碱玻璃纤维或2400Tex无碱玻璃纤维，其中1200Tex无碱玻璃纤维是最优选的。
根据本发明的一个具体实施例，所述连续纤维增强层的厚度不小于2mm。本发明的发明人通过大量试验和创造性劳动发现，当连续纤维增强层的厚度小于2mm时，其刚度较小，容易变形，加工精度差，不能满足生产加工尺寸的实际要求。
根据本发明的一个具体实施例，所述耐磨层是添加有耐磨填料的聚四氟乙烯管。当然，本发明的耐磨层包括但不限于圆形管状，也可以是其他形状。
在本发明中，所述耐磨层的厚度可以为0.1mm～10mm，优选1～5mm，更优选2～4mm。本发明的发明人通过大量试验和创造性劳动发现，由于聚四氟乙烯具有较大的热膨胀系数，因此耐磨层的厚度越大，在固化过程中尺寸稳定性越差，耐磨层的厚度为2mm是最优选的。
根据本发明的一个具体实施例，所述耐磨层经过萘-钠处理液的活化处理，所述萘-钠处理溶液是由等摩尔比的钠和萘溶解在四氢呋喃溶剂中形成的溶液。
聚四氟乙烯具有很低的摩擦系数、自润滑性能及良好的高低温适应性和较高的机械强度，但是它的表面能低及结晶度高，导致其浸润性差，因此特别难以直接与连续纤维粘接。本发明的发明人通过大量试验和创造性劳动发现，利用由等摩尔比的钠和萘溶解在四氢呋喃溶剂形成的萘-钠处理液对聚四氟乙烯表面活化处理，使得活化处理后的耐磨层表面发生了炭化，并生成一定量的羟基、羰基、羧基等活性官能团，从而实现了耐磨层与连续纤维增强层很好的粘结。
根据本发明的一个具体实施例，所述耐磨填料可以选自二硫化钼和/或炭黑。
根据本发明的一个具体实施例，所述耐磨层的外表面涂覆有胶黏剂，所述连续纤维增强层缠绕在胶黏剂上。胶黏剂能够进一步加强耐磨层与连续纤维层的粘接牢固程度。
根据本发明的一个具体实施例，所述胶黏剂可以选自环氧树脂胶黏剂、聚氨酯胶黏剂和酚醛环氧胶黏剂，优选改性环氧树脂胶黏剂。因为连续纤维增强层的基体为环氧树脂，同时其与聚四氟乙烯有较好的粘接性能。
根据本发明的一个具体实施例，所述胶黏剂的厚度可以为0.05～0.5mm，优选0.1～0.4mm，更优选0.1～0.2mm。可以列举的本发明所述环氧树脂胶黏剂的厚度包括但不限于：0.1mm、0.12mm、0.14mm、0.16mm、0.18mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm或0.4mm。
在本发明中，所述环胶黏剂具有流挂性，即胶黏剂涂敷后胶液向下流淌的现象，多发生垂直面。
在本发明中，所述环氧树脂胶黏剂的操作时间不少于60min。这里所述的操作时间是指所述环氧树脂胶黏剂涂敷在耐磨层竖直面上不自由流动，仍然可以保持涂敷状态的时间。
根据本发明的一个具体实施例，所述连续纤维增强层还可以选自连续碳纤维或连续玻璃/碳混杂纤维。
在本发明中，当连续纤维增强层是连续碳纤维时，其具有刚度大，可承载更大的荷载特点。
在本发明中，当连续纤维增强层是连续玻璃/碳混杂纤维时，其具有刚度较大，可承载比较大的荷载特点。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种制备所述耐磨套的方法，其包括如下步骤：
(1)将添加有耐磨填料的聚四氟乙烯管嵌套在缠绕模具上；
(2)将步骤(1)中已装配好的缠绕模具安装在数控缠绕机上进行干纱模拟；
(3)按照编制好的缠绕程序将浸渍有环氧树脂的连续玻璃纤维缠绕到聚四氟乙烯管的外表面至所需厚度，然后继续旋转聚四氟乙烯管直至环氧树脂凝胶；
(4)将已凝胶的产品置于固化炉中进行固化，将固化后的产品与缠绕模具进行分离。
在本发明中，步骤(2)中进行干纱模拟的目的是确保缠绕程序可以缠绕出产品，避免上胶后程序不佳时不方便清理模具。
根据本发明的一个具体实施例，所述缠绕模具的外径大于所述聚四氟乙烯管的内径，从而使得聚四氟乙烯管与所述缠绕模具为过盈配合。
在本发明中，所述过盈配合是指本发明所述的一种连续纤维增强的耐磨套的内径小于缠绕模具的外径，将耐磨套嵌套于模具上，确保缠绕过程中两者不发生相对滑动。
根据本发明的一个具体实施例，所述缠绕模具的外表面镀铬，其目的在于使本发明的耐磨套缠绕完毕后方便脱模，避免对产品造成损伤。
根据本发明的一个具体实施例，所述缠绕程序中的缠绕角设置为50～65度，优选55～60度，更优选55～56度。可以列举的本发明所述缠绕程序中的缠绕角的设置包括但不限于：55.1度、55.2度、55.3度、55.4度、55.5度、55.6度、55.7度、55.8度或55.9度。
在本发明中，所述缠绕角是指缠绕纱与模具轴线成的角度。本发明的发明人通过大量试验和创造性劳动发现，如果缠绕程序中缠绕角的设置过低，那么易导致环向强度低；如果缠绕程序中缠绕角的设置过高，那么易造成轴向强度低；当缠绕角设置为55～56度是最优选的。
根据本发明的一个具体实施例，步骤(4)中固化温度可以为60～100度，优选70～80度；固化时间可以为2～8小时，优选5～7小时。
固化温度和时间是本发明需要考虑的一个重要方面。聚四氟乙烯的热膨胀系数较大，因此固化温度越高，膨胀越大，导致尺寸稳定性越差。本发明的发明人通过大量试验和创造性劳动发现，固化温度为70度、固化时间为6个小时是更优选的一种方案。
根据本发明的一个具体实施例，所述一种连续纤维增强的耐磨套或者上述方法制备得到的一种连续纤维增强的耐磨套，在10mm/min条件下的径向压溃强度为4.0～5.0kN，优选4.4～4.6kN。
根据本发明的再一方面，本发明提供了一种用于高速动车的扭杆，其通过所述耐磨套或者上述方法制备得到的耐磨套与球铰进行连接。
根据本发明的再一方面，本发明提供了一种高速列车，其包括所述,耐磨套或者上述方法制备得到的耐磨套或所述扭杆。
与现有技术相比，本发明的有益效果还有：耐磨套的制备工艺简单，生产效率高；耐磨套的物化性能优良；耐磨层与连续纤维增强层热粘接牢固，具有较高的强度与刚度，从而使得本发明耐磨套的使用寿命较长。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见，下面简述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1表示本发明一种连续纤维增强的耐磨套在一个优选实施例中的剖视图。
图2表示本发明一种连续纤维增强的耐磨套在一个优选实施例中缠绕完毕后连同模具的剖视图。
图3表示本发明一种连续纤维增强的耐磨套在一个优选实施例中傅立叶红外光谱结果。
图4表示本发明一种连续纤维增强的耐磨套在另一个优选实施例中傅立叶红外光谱结果。
图5表示本发明一种连续纤维增强的耐磨套在多个优选实施例中径向破坏试验的结果。
在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。附图标记的说明如下：
1表示耐磨层；
2表示连续纤维增强层；
3表示缠绕模具；
4表示高强玻璃纤维作为背衬增强层的耐磨套的径向破坏载荷-变形试验曲线；
5表示无碱玻璃纤维作为背衬增强层的耐磨套的径向破坏载荷-变形试验曲线；
6表示工程塑料作为背衬增强层的传统耐磨套的径向破坏载荷-变形试验曲线。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
在本实施例中，耐磨层选用添加有15％炭黑的聚四氟乙烯管；连续纤维增强层选用由A公司生产的1200Tex无碱玻璃纤维。
1)缠绕模具设计加工：设计一种外表面镀铬的缠绕模具，其外径大于聚四氟乙烯管内径0.08mm，使聚四氟乙烯管与缠绕模具为过盈配合，防止缠绕过程中模具与聚四氟乙烯套产生相对运动及不同心，造成对产品质量的不利影响；
2)将准备好的一段聚四氟乙烯空心圆管嵌套在上述缠绕模具上，使聚四氟乙烯空心圆管与缠绕模具在转动情况下无相对运动；
3)将已装配好聚四氟乙烯空心圆管的模具装在数控缠绕机上，打开缠绕软件，初步输入缠绕直径为120mm、缠绕角为55度、纱宽为15mm、伸臂长度为210mm，生成一个缠绕程序；
4)干纱模拟，即不上环氧树脂，只用纱线走缠绕程序，检验设置的缠绕程序是否合适，是否需要优化。经优化后，本实施例中最终设定缠绕直径为122mm、缠绕角为55.5度、纱宽为16mm、伸臂长度为207mm；
5)考虑到聚四氟乙烯为热塑性材料，在不同温度下有较大变形，树脂固化温度需不超过100度，以防在固化过程中聚四氟乙烯产生过大变形导致产品质量下降；同时考虑增强层与耐磨层需具备较强粘接力，而环氧树脂为一种具有较强粘接力的树脂，故选择固化温度为100度的环氧树脂对1200Tex无碱玻璃纤维进行浸渍处理；
6)打开设定好的缠绕程序，利用压胶辊控制含胶量，缠绕浸渍环氧树脂的1200Tex无碱玻璃纤维至比缠绕完毕的耐磨套产品外径大3mm的尺寸，继续旋转直至环氧树脂凝胶；
7)将已凝胶的产品置于固化炉，保持旋转，在70度温度下固化6小时；
8)在车床上将产品两端多余缠绕部分车掉，同时将外径车至产品尺寸；
9)在脱模机上将产品从模具上脱下来，即通过脱模挡板借助脱模小车拉模具将产品与模具分离；
10)将产品的耐磨层二次加工至2mm的所需尺寸，得到一种连续纤维增强的耐磨套。
本实施例制备得到的一种连续纤维增强的耐磨套的剖视图如附图1所示，而耐磨套缠绕完毕后连同模具的剖视图则如附图2所示。
将本实施例制备得到的一种连续纤维增强的耐磨套进行傅里叶红外光谱分析，其结果如图3所示。
将本实施例制备得到的一种连续纤维增强的耐磨套进行径向压溃强度试验。本实施例使用电子万能试验机对耐磨套施加径向荷载直至破坏，加载速度为10mm/min，记录加载过程中的最大荷载，试验结果如下表1所示。
实施例2
同实施例1，不同之处在于所述连续纤维增强层选用由A公司生产的2400Tex无碱玻璃纤维。
将所本实施例制备得到的一种连续纤维增强的耐磨套进行径向压溃强度试验，试验条件同实施例1，试验结果如下表1所示。
实施例3
同实施例1，不同之处在于所述连续纤维增强层选用由B公司生产的480Tex的高强玻璃纤维。
将所本实施例制备得到的一种连续纤维增强的耐磨套进行径向压溃强度试验，试验条件同实施例1，试验结果如下表1所示。
实施例4
同实施例1，不同之处在于所述连续纤维增强层选用由B公司生产的960Tex的高强玻璃纤维。
将所本实施例制备得到的一种连续纤维增强的耐磨套进行径向压溃强度试验，试验条件同实施例1，试验结果如下表1所示。
表1
从上表1可见，实施例1～4分别选用了高强玻璃纤维和无碱玻璃纤维两种玻璃纤维的四种型号。从压溃强度试验结果看，高强玻璃纤维的强度高于无碱玻璃纤维，这是因为高强玻纤维的强度更大。但考虑到高强玻纤增强复合材料的刚度大，在大荷载下更显脆性，所以本发明优选无碱玻璃纤维。1200Tex性能优于2400Tex，这是因为纤维越粗，产生缺陷的可能性越大，如浸润不良、纤维丝张力不一致，因此优选1200Tex的无碱玻璃纤维。
实施例5
同实施例1，不同之处在于步骤2)中，先将准备好的一段聚四氟乙烯空心圆管经过由等摩尔比的钠和萘溶解在四氢呋喃溶剂中形成的溶液活化处理后，再将其嵌套在缠绕模具上，使聚四氟乙烯空心圆管与缠绕模具在转动情况下无相对运动。
将本实施例制备得到的一种连续纤维增强的耐磨套进行傅里叶红外光谱分析，其结果如图4所示。
将图3和图4进行对比可见，在波数1212cm-1和1150cm-1处，C-F键特征峰在实施例2中经活化后比实施例1中未经活化前的强度变弱，同时3446cm-1波数处-OH基团说明在活化过程中C-F健被打断，生成-OH，有利于耐磨层与浸渍环氧树脂的连续玻璃纤维的粘接。
实施例6
将实施例1中制备得到的耐磨套与扭杆球铰进行装配，然后对其进行疲劳试验。疲劳试验的条件如下表2所示：
表2
| 疲劳工况 | 载荷(kN) | 频率(Hz) | 次数 |
| 径向 | 30-60 | 2-5 | 200万 |
疲劳试验的结果表明：实施例1中得到的耐磨套经过200万次疲劳测试后，耐磨层与背衬增强层仍粘接完好，刚度变化率小于2％，完全达到了技术设计的要求。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。
Claims (13)
1.一种连续纤维增强的耐磨套，其包括耐磨层和连续纤维增强层，其中所述耐磨层是聚四氟乙烯，所述连续纤维增强层是连续玻璃纤维，所述连续纤维增强层缠绕在所述耐磨层的外表面。
2.根据权利要求1所述的耐磨套，其特征在于，所述连续纤维增强层选自高强玻璃纤维或无碱玻璃纤维，优选240～2400Tex的无碱玻璃纤维，更优选960～1200Tex的无碱玻璃纤维。
3.根据权利要求1或2所述的耐磨套，其特征在于，所述耐磨层经过萘-钠处理液的活化处理；所述萘-钠处理溶液是由等摩尔比的钠和萘溶解在四氢呋喃溶剂中形成的溶液。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的耐磨套，其特征在于，所述耐磨层的外表面涂覆有胶黏剂，所述连续纤维增强层缠绕在所述胶黏剂上。
5.根据权利要求4所述的耐磨套，其特征在于，所述胶黏剂的厚度为0.05～0.5mm，优选0.1～0.4mm，更优选0.1～0.2mm。
6.一种制备如权利要求1～5中任意一项所述连续纤维增强的耐磨套的方法，其包括如下步骤：
(1)将添加有耐磨填料的聚四氟乙烯管嵌套在缠绕模具上；
(2)将步骤(1)中已装配好的缠绕模具安装在数控缠绕机上进行干纱模拟；
(3)按照编制好的缠绕程序将浸渍有环氧树脂的连续玻璃纤维缠绕到聚四氟乙烯管的外表面至所需厚度，然后继续旋转聚四氟乙烯管直至环氧树脂凝胶；
(4)将已凝胶的产品置于固化炉中进行固化，将固化后的产品与缠绕模具进行分离。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述缠绕模具的外径大于所述聚四氟乙烯管的内径，从而使得聚四氟乙烯管与所述缠绕模具为过盈配合。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述缠绕程序中的缠绕角设置为50～65度，优选55～60度，更优选55～56度。
9.根据权利要求6～8中任意一项所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，固化温度为60～100度，优选70～80度；固化时间为2～8小时，优选5～7小时。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，固化温度为70度，固化时间为6小时。
11.一种如权利要求1～5中任意一项所述耐磨套或者如权利要求6～10中任意一项方法所制备的耐磨套，其特征在于，所述耐磨套在10mm/min条件下的径向压溃强度为4.0～5.0kN，优选4.4～4.6kN。
12.一种用于高速列车的扭杆，其通过如权利要求1～5中任意一项所述的耐磨套或者如权利要求6～11中任意一项方法所制备的耐磨套与球铰进行连接。
13.一种高速列车，其包括1～5中任意一项所述的耐磨套或者如权利要求6～11中任意一项方法所制备的耐磨套或者如权利要求12所述的扭杆。
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