CN110193960A - 一种高性能混杂纤维复合材料拉挤管及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高性能混杂纤维复合材料拉挤管及制备方法，为空心管状结构，管外径为100‑108mm，壁厚为5‑8mm；所述拉挤管由树脂基体和增强纤维组成，树脂基体为聚氨酯树脂，增强纤维为碳纤维和玻璃纤维的混杂纤维，其中所述碳纤维直径为5‑7.5mm，玻璃纤维的直径为碳纤维直径的2.5‑3.5倍；拉挤管中各组分体积占比为：27‑44％碳纤维、40‑49％玻璃纤维、15‑35％聚氨酯，同时，在本发明中还改进了注淋胶套系统，调整了注淋胶盒的锥度，保证树脂比如聚氨酯能完全渗透到混杂纤维中；优化了挤胶套、定型套的结构和局部尺寸，最终获得复合材料拉挤管为截面均匀、缺陷极少。

Description

一种高性能混杂纤维复合材料拉挤管及制备方法
技术领域
本发明属于复合材料领域，特别涉及一种高性能混杂纤维复合材料拉挤管及制备方法。
背景技术
桁架式应急桥梁的承载主体为桁架结构，其利用杆或者管组成超静定结构传递荷载，杆件主要承受单向的拉压力，是一种承载效率较高结构形式，可实现应急桥梁结构的大跨度发展。纤维增强树脂基复合材料具有质量轻、比强度/比模量高、可设计性好、运输架设轻便和耐腐蚀等显著优点。
复合材料拉挤成型工艺生产效率高，所生产的复合材料型材质量稳定，型材中纤维沿纵向单向排布，纵向弹性模量和强度非常高，是制作符合材料拉压杆的首选材料。目前，大多数拉挤工艺研究都是针对单一纤维复合材料展开的，单一纤维复合材料的拉挤工艺相对成熟。而混杂纤维复合材料在成本控制和力学性能设计方面具有独特的优势，在工程领域具有广阔的应用前景。但由于其原材料配比的变化比单一纤维复合材料更为杂，对其拉挤工艺控制方法的研究还远不够。
另一方面，由于纤维是复合材料的承载主体，如何保证树脂和纤维均匀混合、协调受力，一直是该领域的工艺研究重点所在。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中复合材料拉挤成型管中混杂纤维配比、及如何保证树脂和纤维均匀混合、协调受力的技术问题，进行改进，提供了一种高性能混杂纤维复合材料拉挤管，为空心管状结构，管外径为100-108mm，壁厚为5-8mm；所述拉挤管由树脂基体和增强纤维组成，树脂基体为聚氨酯树脂，增强纤维为碳纤维和玻璃纤维的混杂纤维，其中所述碳纤维直径为5-7.5mm，玻璃纤维的直径为碳纤维直径的2.5-3.5倍；拉挤管中各组分的体积占比为：27-44％碳纤维、40-49％玻璃纤维、15-35％聚氨酯。
作为改进，包括注淋胶套系统，所述注淋胶套系统设置有注淋胶盒、挤胶套、定型套；所述注淋胶盒顶部设置有注胶孔，注淋胶盒内位于注胶孔的下方设置有芯模，在注淋胶盒内部两侧各设有一挡板，挡板上设置有一排流胶孔；所述挤胶套通过延伸部与注淋胶盒一端连接，另一端通过延伸部与定型套连接。
作为改进，还包括成型模具，成型模具连接在所述定型套的另一端；所述成型模具依次设置为冷却区、加热1区、加热2区、加热/冷却3区。
作为改进，所述注淋胶盒的锥度为15°～20°，长度为250-380mm；挤胶套长度为150-280mm；定型套长度为80-150mm。
同时，还提供了一种高性能混杂纤维复合材料拉挤管的制备方法，所述方法步骤为：
(一)混杂纤维排纱、定位
将体积占比为27-44％碳纤维、40-49％玻璃纤维混杂纤维经过引导板排纱，进入预成型模定位，进入上述的注淋胶套系统；
(二)聚氨酯通过注淋胶套系统注射
混杂纤维先经过注淋胶盒，将体积占比为15-35％聚氨酯通过注淋胶盒顶部的注胶孔注射到内部步骤(一)中混杂纤维上；其中大部分聚氨酯是穿过与注胶孔上、下对应的芯模直接进入注淋胶盒中，还有一部分聚氨酯穿过设置在注淋胶盒内部两侧挡板的流胶孔注射到所述纤维上，获得初始复合材料；
初始复合材料依次进入挤胶套结构、定型套结构中；
(三)成型模具
在成型模具中依次经过设置的冷却区、加热1区、加热2区、加热/冷却3区，并在相应区域内进行凝胶、固化、出模、冷却的工艺过程，最终成型，获得高性能混杂纤维复合材料拉挤管。
有益效果：本发明提供的高性能混杂纤维复合材料拉挤管及制备方法，采用了拉挤管各组分体积占比为：27-44％碳纤维、40-49％玻璃纤维、15-35％聚氨酯，混杂纤维的配比在实际应用中不仅可方便的满足设计性能上的要求，而且还降低制成品的成本，减轻制成品的质量，提高了经济效益。同时，本发明还改进了注淋胶套系统，调整了注淋胶盒的锥度，保证树脂比如聚氨酯能完全渗透到混杂纤维中；优化了挤胶套、定型套的结构和局部尺寸，最终获得复合材料为截面均匀、缺陷极少。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明中生产结构示意图。
图2为本发明注淋胶套系统结构示意图。
图3为本发明的注淋胶盒处注胶孔垂直截面上的结构示意图。
图4为本发明挡板的结构示意图。
图5为本发明拉挤管成品剪切破坏试验后剪切面的电镜扫描图。
图6为本发明实施例2中样品组一端传感器测量下的应力应变曲线图。
图7为本发明实施例2中样品组另一端传感器测量下的应力应变曲线图。
附图中：1、注淋胶套系统；11、注淋胶盒；12、挤胶套；13、定型套；14、冷却区；15、加热1区；16、加热2区；17、加热/冷却3区；18、成品；2、注胶孔；3、芯模；4、挡板；5、流胶孔；6、纤维；7、引导板；81、第一原料罐；82、第二原料罐；83、计量泵；84、静态混合器；9、搅拌器；10、干燥器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
见附图1-4所示，一种生产拉挤管的装置，包括原料罐、计量泵83、静态混合器84，其中原料罐可以设置多个，例如第一原料罐81、第二原料罐82。原料罐独立地连通有一计量泵83，所有的计量泵最终连通到一静态混合器84。
同时，还包括注淋胶套系统1，注淋胶套系统设置有注淋胶盒11、挤胶套12、定型套13；所述注淋胶盒11顶部设置有注胶孔2，注淋胶盒11内位于注胶孔2的下方设置有芯模3，在注淋胶盒11内部两侧各设有一挡板4，挡板4上设置有一排流胶孔5；所述挤胶套12通过延伸部与注淋胶盒11一端连接，另一端通过延伸部与定型套13连接。与注淋胶套系统1的定型套13另一端相连的是成型模具，其中成型模具依次设置为冷却区14、加热1区15、加热2区16、加热/冷却3区17。
使用时：先进行干燥器10对原料处理后，将所需要的原料例如树脂、醇等，放入第一原料罐81、第二原料罐82。通过分别与原料罐相连的各自计量泵83，将合适比例的原料加入到静态混合器84中。纤维6，可选择设置多种纤维混杂，本发明中体积占比为27-44％碳纤维、40-49％玻璃纤维的混杂纤维，经过引导板7进入注淋胶套系统1、成型模具后，获得成品18。可选择地体积占比，优选为碳纤维35％、玻璃纤维45％。设置树脂为聚氨酯20％。
实施例1
一种高性能混杂纤维复合材料，为空心管状结构，管外径为100-108mm，壁厚为5-8mm；所述拉挤管由树脂基体和增强纤维组成，树脂基体为聚氨酯树脂，增强纤维为碳纤维和玻璃纤维的混杂纤维，其中所述碳纤维直径为5-7.5mm，玻璃纤维的直径为碳纤维直径的2.5-3.5倍；拉挤管各组分中体积占比为：27-44％碳纤维、40-49％玻璃纤维、15-35％聚氨酯。
一种高性能混杂纤维复合材料拉挤管的制备方法，方法步骤为：
(一)混杂纤维排纱、定位
将体积占比为27-44％碳纤维、40-49％玻璃纤维混杂纤维经过引导板7排纱，进入预成型模定位，进入上述的注淋胶套系统1；
(二)聚氨酯通过注淋胶套系统注射
混杂纤维先经过注淋胶盒11，将体积占比15-35％聚氨酯通过注淋胶盒11顶部的注胶孔2注射到内部步骤(一)中混杂纤维上；其中大部分聚氨酯是穿过与注胶孔2上、下对应的芯模3直接进入注淋胶盒11中，还有一部分聚氨酯穿过设置在注淋胶盒11内部两侧挡板4的流胶孔5注射到所述纤维上，获得初始复合材料；
初始复合材料依次进入挤胶套12结构、定型套13结构中；
(三)成型模具
在成型模具中依次经过设置的冷却区14、加热1区15、加热2区16、加热/冷却3区17，并在相应区域内进行凝胶、固化、出模、冷却的工艺过程，最终成型，获得高性能混杂纤维复合材料拉挤管成品18。对获得成品19进行剪切破坏试验，剪切面放置在电镜下观察，图5所示，碳纤维、玻璃纤维混杂的拉挤管切片的电镜扫描为：聚氨酯与玻璃纤维丝匹配度很高，效果很好，整体比较均匀，表现在性能上缺陷小、组织均匀。
实施例2
取体积占有比分别为：碳纤维含量：35％-42％，玻璃纤维含量30％-43％(包含内外玻璃纤维毡)，剩余为聚氨酯，制备复合材料拉挤管，选取其中的若干组，分别设置编号为h1-h4，通过在同一构件上对称安装两个传感器同时测量，独立地获得同一构件上两组数据，例如hz-1，h1，并将其进行比对，同一构件两组数据相差较大时，需要重新测量，直至两组数据较为吻合，大大减少了测量误差，提高了测量的准确性。按照相同的测量方式，对四组样品进行测定弹性模量、强度及应力曲线。同时针对同一构件进行了两组重复性实验即h1和h1，，h2和h2，，h3和h3，，h4和h4，，hz-1和hz-1，、hz-2和hz-2，，具体数据见下。
表1样品组一端传感器测量的压缩弹性模量、强度数据表
表2样品组另一端传感器测量的拉伸弹性模量、强度数据表
由图6及表1中的数据得出，样品组的压缩弹性模量在87-94GPa之间，强度在(-752)-(-876)MPa之间，由图7及表2中的数据得出，样品组的拉伸弹性模量121-132GPa之间，强度在1116-1159MPa之间，可见碳纤维含量：35％-42％，玻璃纤维含量30％-43％，这一配比获得的复合材料拉挤管高强度、高弹性模量、高性价比。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种高性能混杂纤维复合材料拉挤管，其特征在于：为空心管状结构，管外径为100-108mm，壁厚为5-8mm；所述拉挤管由树脂基体和增强纤维组成，所述树脂基体为聚氨酯树脂，所述增强纤维为碳纤维和玻璃纤维的混杂纤维，其中所述碳纤维直径为5-7.5mm，玻璃纤维的直径为碳纤维直径的2.5-3.5倍；所述拉挤管中各组分的体积占比为：27-44％碳纤维、40-49％玻璃纤维、15-35％聚氨酯。
2.一种生产高性能混杂纤维复合材料拉挤管的装置，其特征在于：包括注淋胶套系统(1)，所述注淋胶套系统设置有注淋胶盒(11)、挤胶套(12)、定型套(13)；所述注淋胶盒(11)顶部设置有注胶孔(2)，注淋胶盒(11)内位于注胶孔(2)的下方设置有芯模(3)，在注淋胶盒(11)内部两侧各设有一挡板(4)，挡板(4)上设置有一排流胶孔(5)；所述挤胶套(12)通过延伸部与注淋胶盒(11)一端连接，另一端通过延伸部与定型套(13)连接。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：还包括成型模具，成型模具连接在所述定型套(13)的另一端；所述成型模具依次设置为冷却区(14)、加热1区(15)、加热2区(16)、加热/冷却3区(17)。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述注淋胶盒(11)的锥度为15°～20°，长度为250-380mm；挤胶套(13)长度为150-280mm；定型套(13)长度为80-150mm。
5.一种高性能混杂纤维复合材料拉挤管的制备方法，其特征在于：所述方法步骤为：
(一)混杂纤维排纱、定位
将体积占比为27-44％碳纤维、40-49％玻璃纤维混杂纤维经过引导板(7)排纱，进入预成型模定位，进入权利要求2或4中所述的注淋胶套系统(1)；
(二)聚氨酯通过注淋胶套系统注射
混杂纤维先经过注淋胶盒(11)，将体积占比为15-35％聚氨酯通过注淋胶盒(11)顶部的注胶孔(2)注射到内部步骤(一)中混杂纤维上；其中大部分聚氨酯是穿过与注胶孔(2)上、下对应的芯模(3)直接进入注淋胶盒(11)中，还有一部分聚氨酯穿过设置在注淋胶盒(11)内部两侧挡板(4)的流胶孔(5)注射到所述纤维上，获得初始复合材料；
初始复合材料依次进入挤胶套(12)结构、定型套(13)结构中；
(三)成型模具
在成型模具中依次经过设置的冷却区(14)、加热1区(15)、加热2区(16)、加热/冷却3区(17)，并在相应区域内进行凝胶、固化、出模、冷却的工艺过程，最终成型，获得高性能混杂纤维复合材料拉挤管成品(18)。
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