CN110202799A - 内嵌碳纤维发热电缆的玄武岩纤维加强筋及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种内嵌碳纤维发热电缆的玄武岩纤维加强筋，其制备方法，采用连续玄武岩纤维无捻粗纱对碳纤维电缆线进行环向缠绕；将玄武岩纤维束放置在纱架上排纱，再引出进入浸渍装置，浸渍过的玄武岩纤维束与碳纤维电缆线进入挤压预成型模具复合，利用电动缠绕机给复合材料环向缠绕塑胶带，表面形成环向的肋痕；在模具中固化后在室温中放置一段时间，根据需要裁切成材。本发明以碳纤维电缆线与玄武岩纤维为主要材料，最外层玄武岩纤维起到骨架作用，保护内部碳纤维，提高工作状态，最外部的玄武岩纤维和水泥混凝土有着良好的结合性，更能充分发挥碳纤维发热线的工作效率，技术成熟，其成本低，工艺简单。

Description

内嵌碳纤维发热电缆的玄武岩纤维加强筋及其制备方法
技术领域
本发明属于电缆技术领域，具体涉及内嵌碳纤维发热电缆的玄武岩纤维加强筋及其制备方法。
背景技术
随着我国现代化经济的快速发展，修建了大量的公路、桥梁、飞机场等基础设施。北方及西北地区的冬季环境影响，如降雨后路面结冰、积雪等问题，从而导致交通阻断、以及路面结冰的问题造成的交通事故，给国家、人民带来了巨大的损失和生命危险。发热电缆加热法融雪化冰是以发热电缆为发热体,将电能转化为热能已达到融雪化冰目的,该法具有无污染、热稳定性能好、控制方便的优势。为了行驶安全应尽量使得路面不产生积雪结冰，应着重考虑在碳纤维发热线沥青混凝土电路结构中增加预防监控措施，在降雪来临前提前接通电路，加热路面，即时融化降雪。
国家公路桥梁的建设增加，玄武岩纤维复合筋在公路桥梁中广泛使用。高速公路的交通路况呈现重载荷、高流量和渠道化明显等特点，对沥青路面的质量要求越来越高。玄武岩纤维筋作为一种新型复合筋，与钢筋相比，具有良好的物理力学性能和耐久性能。在高寒季冻区、潮湿地区与强酸、强碱环境下，能良好的解决公路工程桥梁铺装层的耐疲劳与耐腐蚀性问题。
因此提出了增强型碳纤维发热线，以碳纤维发热线与玄武岩纤维为主要材料。增强型碳纤维发热线，是由内部的碳纤维为发热源；外部被钢丝网包裹起到了对内部碳纤维的固定作用，加大与最外层的玄武岩纤维的摩擦系数；最外层玄武岩纤维起到骨架作用，保护内部碳纤维，提高工作状态。最外部的玄武岩纤维和水泥混凝土有着良好的结合性，更能充分发挥碳纤维发热线的工作效率，而且目前玄武岩纤维与碳纤维的技术成熟，其成本低，工艺简单。
目前，将碳纤维加热线作为电热材料铺设于混凝土路面中，以发热电缆为发热体，将电能转化为热能。通过结构层将热量传递到物体表面，再通过物体表面与冰雪之间的热交换进行融冰化雪的方法。该法具有无污染、热稳定性好、控制方便的优势。
内置碳纤维发热线融冰技术更加高效、环保，且施工方便，借助碳纤维优异的发热性能，利用电热融雪技术避免桥面结冰，以主动方式解决路面、桥面结冰问题，弥补现有路面、桥面融冰除雪技术的不足。
碳纤维发热线与以往发热电缆相比具有多项优势：价格相当于同等长度金属发热线的十分之一，生热迅速，最高运行温度可达100℃以上，热转化效率高，质量轻、体积小，对混凝土本体结构受力影响小。
但是存在以下问题：
1.在发热电缆底部采用隔热层能较大程度的提高升温效率，但是隔热层的存在会影响桥面铺装层结构的稳定性，因此可对隔热层材料及厚度、布设形式等进行研究。
2.在水泥混凝土路面，由于水泥路面需现场浇筑，所以一般采取将碳纤维绑扎在钢筋网上的方法将其固定。
3.施工过程较为复杂。
钢筋混凝土桥梁结构长期在外部环境作用下极易造成混凝土开裂、混凝土侵蚀和钢筋腐蚀等问题，其中钢筋腐蚀问题尤为严重。钢筋腐蚀导致桥梁结构性能劣化及经济损失严重。玄武岩纤维筋的抗拉强度一般为600～1500MPa，与高强钢丝大致相同，因此，可以用来代替混凝土构件中的受拉钢筋。因其抗腐蚀性好，在实际施工中不需要为其设置保护层，这就为混凝土的施工和建筑物的加固工作大大减少了工作量。此外，玄武岩纤维筋具有良好的电磁绝缘性能。
玄武岩纤维增强复材(BFRP)筋因具有耐腐蚀、轻质、高强等特点而成为代替钢筋混凝土结构中易腐蚀的筋材运用于桥梁结构中以提高桥梁结构耐久性。
1.冬季冰雪天气严重影响着道路、桥梁、机场跑道通行，普通沥青混凝土路面融雪效果较差，不利于车辆行驶安全。玄武岩纤维筋应用于混凝土中无法起到融雪效果。
2.玄武岩纤维筋是以合成的有机高强玄武岩纤维原材料按比例与合成树脂基体材料进行融合，并加入适量辅助剂(促进剂、阴聚剂、阻燃剂等)经浸润、拉挤、模压、固化和表面处理等一系列工艺而形成的一种新型复合筋材。其树脂基体的导热性能较差。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种内嵌碳纤维发热电缆的玄武岩纤维加强筋及其制备方法，解决以下技术问题：
1.冬天冰雪天气严重影响道路、桥梁通行。传统的融雪方法均存在不同程度的弊端。例如：融雪盐对于建筑结构的侵蚀作用较大，会导致钢筋锈蚀，破坏路面，污染环境的问题：机械除雪效率较低，成本投入较大，不能及时清除积雪等问题。因此，采用碳纤维电缆线通电加热法能有效解决该问题；
2.普通钢筋混凝土结构长期在外部环境作用下存在混凝土开裂、混凝土侵蚀和钢筋腐蚀等问题。采用玄武岩纤维筋代替钢筋可改善此类问题，且玄武岩纤维筋具有电磁绝缘性能，可起到替代钢筋作用。
本发明采用的技术方案为：
一种内嵌碳纤维发热电缆的玄武岩纤维加强筋，其制备方法，包括以下步骤：
(1)首先将碳纤维电缆线外表清理干净；
(2)采用连续玄武岩纤维无捻粗纱对碳纤维电缆线进行环向缠绕；
(3)将玄武岩纤维束放置在纱架上排纱，将玄武岩纤维束按设计要求引出；
(4)步骤(3)玄武岩纤维束进入浸渍装置，先通过槽后梳理板，进入浸渍槽进行浸渍树脂，然后通过梳理板，再进入预成型导槽；
(5)将步骤(4)浸渍过的玄武岩纤维束的一端穿过挤压预成型模具，玄武岩纤维束与碳纤维电缆线进入挤压预成型模具复合成内嵌碳纤维发热电缆的玄武岩纤维加强筋半成品复合材料，从挤压预成型模具出来后，利用电动缠绕机给半成品复合材料环向缠绕塑胶带，表面形成环向的肋痕；
(6)步骤(5)所得的半成品刮去表面多余的树脂，再进入固化模具，固化分为三个不同加热区，分别为预加热、凝胶区及固化区，三个区的温度依次为200℃、175℃、160℃；
(7)在模具中固化后在室温中放置一段时间，根据需要裁切成材。
所述的树脂为氢氧化镁、氮化硼、酚醛树脂组成的树脂。
本发明以碳纤维电缆线与玄武岩纤维为主要材料，最外层玄武岩纤维起到骨架作用，保护内部碳纤维，提高工作状态，最外部的玄武岩纤维和水泥混凝土有着良好的结合性，更能充分发挥碳纤维发热线的工作效率，而且目前玄武岩纤维与碳纤维的技术成熟，其成本低，工艺简单。
本发明应用于混凝土中，既能通过碳纤维电缆线通电产生热量，传到路面，达到融雪化冰的目的。还能通过玄武岩纤维筋可以明显提高混凝土的抗折和劈裂抗拉强度，其在混凝土中能降低混凝土的脆性，提高其韧性和抗裂性，并且耐腐蚀性较好，延长使用寿命。
附图说明
图1为本发明的工艺示意图。
具体实施方式
结合实施例说明本发明的具体技术方案。
本发明采用的生产工艺如图1所示，图上设备依次包括纱架1、排纱器2、胶槽3、拉挤成型4、电动缠绕机5、恒温固化炉6、牵引装置7；碳纤维电缆线A与玄武岩纤维束复合成内嵌碳纤维发热电缆线的玄武岩纤维加强筋B。
具体的，内嵌碳纤维发热电缆的玄武岩纤维加强筋的制备方法：
(1)首先将碳纤维电缆线外表清理干净；
(2)采用连续玄武岩纤维无捻粗纱对碳纤维电缆线进行环向缠绕；
(3)将玄武岩纤维束放置在纱架上并将玄武岩纤维束按设计要求引出；
(4)浸渍装置主要由树脂槽、导向辊、压辊、分纱栅板、挤胶辊等组成。本发明的内嵌碳纤维发热电缆的玄武岩纤维加强筋制备使用直槽浸渍法；在浸渍槽的前后各设有梳理架，上设有窄缝和孔洞，用于梳理纤维毡及轴向纤维，玄武岩纤维先通过槽后梳理板，进入浸渍槽，浸渍树脂后通过梳理板，再进入预成型导槽；由于材料是由电缆线和玄武岩纤维复合而成，所以需要在浸渍槽前后梳理架的导纱板中心开出一圆孔，便于电缆线穿过。
(5)将浸渍过的玄武岩纤维粗纱的一端穿过挤压预成型模具，并绑扎在一起，用钢绞线与前方的牵引机连接。开启牵引机，待浸渍过树脂的纤维纱束走过挤压模具后，便可递送电缆线。复合过程中，浸渍过树脂的纵向纤维纱束将多余的树脂沁入电缆线的环向纤维包裹层中，由于拉挤的作用使纤维纱束均匀地分布在电缆线周围，当内嵌碳纤维发热电缆的玄武岩纤维加强筋材料从预成型模具中出来，利用电动缠绕机给复合材料环向缠绕塑胶带，以形成表面环向的肋痕，肋痕的间距和深浅可以通过调节电动机进行控制。
(6)在进行固化，将固化模具分为设计成三个不同加热区，分别为预加热、凝胶区及固化区，三个区的温度应保证与其功能相协调。在材料的固化过程中，各区段恒温温度依次为200℃，175℃，160℃，固化时间由牵引机的牵引速度控制。为避免材料在固化过程中出现凝胶现象，在进入固化炉前还有一道刮胶，以刮去材料表面多余的树脂。
(7)内嵌碳纤维发热电缆的玄武岩纤维加强筋在模具中固化后从牵引机出来，便可根据需要裁切成材。切割受还需要将复合材料在室温中放置一段时间，经过一定龄期才能达到其使用强度。
所述的碳纤维电缆线由里到外分别是碳纤维发热体、硅胶绝缘层、硅胶护套层。本发明采用的碳纤维电缆线直径为5.3mm，加热功率为150W，外包材料采用的是聚四氟乙烯、聚氯乙烯和聚乙烯，在实验连接过程中采用的是并联的连接方式。
所述的树脂为氢氧化镁、氮化硼、酚醛树脂组成的树脂。环氧树脂作为粘结电缆线及纤维材料的结合物质，但本发明在使用过程中需对材料通电产生热量，需采用导热性能较好且不影响粘结性能的树脂材料。故使用氢氧化镁/氮化硼/酚醛树脂复合材料来增加其导热性能。

Claims (3)

1.内嵌碳纤维发热电缆的玄武岩纤维加强筋的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)首先将碳纤维电缆线外表清理干净；
(2)采用连续玄武岩纤维无捻粗纱对碳纤维电缆线进行环向缠绕；
(3)将玄武岩纤维束放置在纱架上排纱，将玄武岩纤维束按设计要求引出；
(4)步骤(3)玄武岩纤维束进入浸渍装置，先通过槽后梳理板，进入浸渍槽进行浸渍树脂，然后通过梳理板，再进入预成型导槽；
(5)将步骤(4)浸渍过的玄武岩纤维束的一端穿过挤压预成型模具，玄武岩纤维束与碳纤维电缆线进入挤压预成型模具复合成内嵌碳纤维发热电缆的玄武岩纤维加强筋半成品复合材料，从挤压预成型模具出来后，利用电动缠绕机给半成品复合材料环向缠绕塑胶带，表面形成环向的肋痕；
(6)步骤(5)所得的半成品刮去表面多余的树脂，再进入固化模具，固化分为三个不同加热区，分别为预加热、凝胶区及固化区，三个区的温度依次为200℃、175℃、160℃；
(7)在模具中固化后在室温中放置一段时间，根据需要裁切成材。
2.根据权利要求1所述的内嵌碳纤维发热电缆的玄武岩纤维加强筋的制备方法，其特征在于，所述的树脂为氢氧化镁、氮化硼、酚醛树脂组成的树脂。
3.内嵌碳纤维发热电缆的玄武岩纤维加强筋，其特征在于，由权利要求1或2所述的方法制备所得。
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