CN110240783A - 一种低变形大长径比辊筒的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低变形大长径比辊筒的制备方法，选取超高模量中间相沥青基炭纤维作为增强体材料，选用高模量高韧性环氧树脂作为基体材料，环氧树脂、固化剂、核壳粒子、改性填料与丙酮配置成溶液，搅拌均匀；其中环氧树脂、固化剂、核壳粒子、改性填料的质量比为100：30‑50：0.5‑2：0.5‑1；预先将芯模加热至60℃～120℃，通过连续纤维缠绕成型工艺进行制备。本发明制备的超高模量中间相沥青基炭纤维增强树脂基复合材料辊筒挠度低，质量稳定性好，使用效率高，在低驱动力作用下就能实现高速转动，节省能耗。
Description
技术领域
本发明属于辊筒制备领域，具体涉及一种低变形大长径比辊筒的制备方法。
技术背景
在印刷、制膜、造纸等轻工机械领域中，辊筒是一种重要的结构件，随着设备的大型化，辊筒的长径比增大，受重力和载荷作用的弯矩变大，容易引起变形，直接影响到制品长度方向的应力，降低制品质量。因此，必须减轻辊筒自重同时增加刚度，以适应设备大型化发展的需求。传统的辊筒由钢材、铝材等制成，结构重量重、变形大，长期使用易产生疲劳，增加维护成本。“一种改良材料性能的印刷辊筒的应用CN 107554114 A”提出了用玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)或炭纤维增强树脂复合材料(CFRP)制作印刷行业用辊筒，相对于金属辊筒来讲在一定程度上降低了挠度，提高了辊筒性能，但因受玻璃纤维或PAN系炭纤维材料本身比模量的限制，其稳定性和挠度亦不适用于超长超细大型辊筒的制作，中间相沥青基炭纤维因具有超高比模量而受到青睐，用超高模量中间相沥青基炭纤维树脂基复合材料制备的辊筒具有轻量化、低惯性、超高刚性，在设备高速化运转情况下，也能维持很低的挠度，从而保证了制品的质量稳定性。
发明内容
本发明旨在克服已有技术不足，目的是提供一种操作简单、高刚度稳定性的炭纤维复合材料辊筒的制备方法。用该方法制备的低变形大长径比辊筒重量轻、挠度小，特别适用于大长径比辊筒的制造，在使用时不仅能保证制品高精度生产，且能更好的节能降耗。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：选取超高模量中间相沥青基炭纤维作为增强体材料，选用高模高韧环氧树脂作为基体材料，通过连续纤维缠绕成型工艺进行制备。具体方法是：
(1)将环氧树脂、固化剂、核壳粒子、改性填料与丙酮配置成溶液，溶液的黏度范围为0.2～0.7Pa·s，搅拌均匀；其中环氧树脂、固化剂、核壳粒子、改性填料的质量比为100：30-50：0.5-2：0.5-1；
(2)施加纤维张力：将炭纤维预先通过驱动辊，固定在缠绕芯模上，并施加10-100N的张力；
(3)预热芯模：预先将芯模加热至60℃～120℃；
(4)连续缠绕成型：启动驱动辊，并调节芯模转速及绕丝嘴横向移动速率，纤维经过胶槽后在保持张力的条件下，按设计好的缠绕路径连续地缠绕在芯模上。
(5)将缠绕好的芯模放入烘箱中，130℃±5℃，保温1h，然后以1.5℃/min的升温速率升温至180℃±5℃，保温3h，固化完成后脱模，使炭纤维辊筒固化成型。
(6)脱模：将炭纤维辊筒从芯模上拔模脱出，从而得到高刚度稳定性的炭纤维复合材料辊筒。
所述中间相沥青基炭纤维的石墨化程度在90％以上，纤维拉伸模量为800GPa～1000GPa，纤维K数可为1K、2K、3K或者4K，纤维经过表面处理和上浆处理。
所述树脂溶液的黏度范围是0.1Pa·s～1Pa·s。
所述环氧树脂包含质量比为100：30-50：0.5-2：0.5-1的树脂基体、固化剂、核壳粒子、改性填料，所述环氧树脂基体包含质量比为3-5:1的缩水甘油胺类环氧树脂和脂环族环氧树脂的混合物。
所述缩水甘油胺类环氧树脂为:4，4′-二氨基二苯甲烷四缩水甘油胺环氧树脂，具体型号为为AG-80，所述脂环族环氧树脂型号为CELLOXIDE 2021P。
所述固化剂为4,4’-二氨基二苯砜DDS。
优选地，核壳粒子为CSP-SP，具体为P52。
所述改性填料为纳米气凝胶粉、纳米氧化锆粉、纳米钛酸钡粉中的一种。
所述芯模的预热温度为60℃～120℃。
所述缠绕路径为螺旋型缠绕。
所述固化温度为180℃，固化时间为3h。
有益效果：(1)本发明针对大长径比辊筒制造，采用的增强体材料为超高模量中间相沥青基炭纤维，纤维拉伸模量高，大于一般的PAN基炭纤维，通过与树脂基体的复合能在很大程度上提高复合材料在环向和轴向上的模量，提高结构稳定性。(2)本发明采用连续缠绕成型方法制备超高模量中间相沥青基炭纤维增强树脂基复合材料辊筒，材料利用率高、生产效率高，适宜机械化或自动化生产。(3)本发明制备的超高模量中间相沥青基炭纤维增强树脂基复合材料辊筒质量稳定性好，使用效率高，在低驱动力作用下就能实现高速转动，节省能耗。
附图说明
图1为本发明缠绕成型工艺制备复合材料辊筒示意图。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
选取80phr AG-80、20phr CELLOXIDE 2021P在60℃下，搅拌20min，混合均匀，然后加入0.5phrP52、0.5phr纳米气凝胶，继续搅拌30min至混合均匀，取40phrDDS加入混合溶液，在120℃条件下搅拌20min，得到均匀的混合溶液，然后将其溶于丙酮中调节粘度至0.3Pa·s，选取拉伸模量为800GPa的3k中间相沥青基炭纤维作为增强体，绕过驱动辊浸渍在树脂溶液中，并预加50N张力处理，将芯模预热至60℃，启动驱动辊，将浸胶纤维按螺旋缠绕方式连续缠绕至芯模上，缠绕长度为7m，缠绕至壁厚为5mm时停止，然后将芯模放入烘箱中进行固化，升温程序为：以2℃/min的升温速度升温至130℃±5℃，保温1h，然后以1.5℃/min的升温速率升温至180℃±5℃，保温3h，固化完成后脱模，得到长度为7m，内径90mm，外径为100mm的高刚度炭纤维增强环氧复合材料辊筒。图1中，1为浸胶槽，2为芯模，3为绕丝嘴。
实施例2
选取75phr AG-80、25phr CELLOXIDE 2021P在60℃下，搅拌20min，混合均匀，然后加入1phr P52、1phr纳米氧化锆粉，继续搅拌30min至混合均匀，取45phr DDS加入混合溶液，在120℃条件下搅拌20min，得到均匀的混合溶液，然后将其溶于丙酮中调节粘度至0.5Pa·s，选取拉伸模量为900GPa的2k中间相沥青基炭纤维作为增强体，绕过驱动辊浸渍在树脂溶液中，并预加10N张力处理，将芯模预热至80℃，启动驱动辊，将浸胶纤维按螺旋缠绕方式连续缠绕至芯模上，缠绕长度为8m，缠绕至壁厚为5mm时停止，然后将芯模放入烘箱中进行固化，升温程序为：以2℃/min的升温速度升温至130℃±5℃，保温1h，然后以1.5℃/min的升温速率升温至180℃±5℃，保温3h，固化完成后脱模，得到长度为8m，内径100mm，外径为110mm的高刚度炭纤维增强环氧复合材料辊筒。
实施例3
选取75phr AG-80、25phr CELLOXIDE 2021P在60℃下，搅拌20min，混合均匀，然后加入2phr P52、1phr纳米钛酸钡，继续搅拌30min至混合均匀，取50phr DDS加入混合溶液，在120℃条件下搅拌20min，得到均匀的混合溶液，然后将其溶于丙酮中调节粘度至0.6Pa·s，选取拉伸模量为1000GPa的1k中间相沥青基炭纤维作为增强体，绕过驱动辊浸渍在树脂溶液中，并预加100N张力处理，将芯模预热至100℃，启动驱动辊，将浸胶纤维按螺旋缠绕方式连续缠绕至芯模上，缠绕长度为9m，缠绕至壁厚为5mm时停止，然后将芯模放入烘箱中进行固化，升温程序为：以2℃/min的升温速度升温至130℃±5℃，保温1h，然后以1.5℃/min的升温速率升温至180℃±5℃，保温3h，固化完成后脱模，得到长度为8m，内径110mm，外径为120mm的高刚度炭纤维增强环氧复合材料辊筒。
对比例1
选取80phr AG-80、20phr CELLOXIDE 2021P在60℃下，搅拌20min，混合均匀，然后加入0.5phr P52、0.5phr纳米气凝胶，继续搅拌30min至混合均匀，取40phrDDS加入混合溶液，在120℃条件下搅拌20min，得到均匀的混合溶液，然后将其溶于丙酮中调节粘度至0.3Pa·s，取拉伸模量为294GPa的PAN基炭纤维T800-6k作为增强体，绕过驱动辊浸渍在树脂溶液中，并预加张力处理，将芯模预热至60℃，启动驱动辊，将浸胶纤维按螺旋缠绕方式连续缠绕至芯模上，缠绕长度为7m，缠绕至壁厚为5mm时停止，然后将芯模放入烘箱中进行固化，升温程序为：以2℃/min的升温速度升温至130℃±5℃，保温1h，然后以1.5℃/min的升温速率升温至180℃±5℃，保温3h，固化完成后脱模，得到长度为7m，内径90mm，外径为100mm的高刚度炭纤维增强环氧复合材料辊筒。
表1为实施例1与对比例1所制辊筒的比较：
Claims (7)
1.一种低变形大长径比辊筒的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将环氧树脂、固化剂、核壳粒子、改性填料与丙酮配置成溶液，溶液的黏度范围为0.2～0.7Pa·s，搅拌均匀；其中环氧树脂、固化剂、核壳粒子、改性填料的质量比为100：30-50：0.5-2：0.5-1；
(2)施加纤维张力：将炭纤维预先通过驱动辊，固定在缠绕芯模上，并施加10-100N的张力；
(3)预热芯模：预先将芯模加热至60℃～120℃；
(4)连续缠绕成型：启动驱动辊，并调节芯模转速及绕丝嘴横向移动速率，纤维经过胶槽后在保持张力的条件下，按设计好的缠绕路径连续地缠绕在芯模上；
(5)将缠绕好的芯模放入烘箱中，130℃±5℃，保温1h，然后升温至180℃±5℃，保温3h，固化完成后脱模，使炭纤维辊筒固化成型；
(6)脱模：将炭纤维辊筒从芯模上拔模脱出，得到高刚度稳定性的炭纤维复合材料辊筒。
2.根据权利要求1的一种所述低变形大长径比辊筒的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述环氧树脂是质量比为3-5:1的缩水甘油胺类环氧树脂和脂环族环氧树脂的混合物。
3.根据权利要求2的一种所述低变形大长径比辊筒的制备方法，其特征在于：所述缩水甘油胺类环氧树脂为4，4′-二氨基二苯甲烷四缩水甘油胺环氧树脂。
4.根据权利要求1或者2所述的一种所述低变形大长径比辊筒的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述固化剂为4,4’-二氨基二苯砜DDS，核壳粒子为CSP-SP。
5.根据权利要求4的一种所述低变形大长径比辊筒的制备方法，其特征在于步骤1)中，所述改性填料为纳米气凝胶粉、纳米氧化锆粉、纳米钛酸钡粉中的一种，树脂溶液的黏度范围是0.1Pa·s～1Pa·s。
6.根据权利要求4所述的的一种所述低变形大长径比辊筒的制备方法，其特征在于：步骤2)中，炭纤维为超高模量中间相沥青基炭纤维，石墨化程度在90％以上，纤维拉伸模量为800GPa～1000GPa，纤维K数为1K、2K、3K或4K，纤维经过表面处理和上浆处理。
7.根据权利要求1的一种所述低变形大长径比辊筒的制备方法，其特征在于步骤4)中，缠绕路径为螺旋型缠绕。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190917 |
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