CN111231371B - 一种用于玻璃纤维增强双组份聚氨酯异形钢的注胶工装及注胶方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种注胶工装及注胶方法，尤其涉及一种用于玻璃纤维增强双组份聚氨酯异形钢的注胶工装及注胶方法，属于材料设备技术领域。本发明的结构包括注胶盒（或称“注胶模”，下同）体，所述注胶盒体内安置用于填充材料的、与所述异形工字钢形状相配合的密封的型腔，所述盒体上设有注胶口，所述注胶口经注胶通道与型腔连通。本发明通过注胶盒的结构和注胶口的位置设计，使树脂在一定的压力作用下由上而下在短时间之内充满注胶盒的型腔，同时又可以保证树脂在型腔中现成的“压力小区域”中充分渗透到纤维增强材料的里外，解决了树脂基体渗透不良的问题。

Description

一种用于玻璃纤维增强双组份聚氨酯异形钢的注胶工装及注 胶方法

技术领域

本发明涉及一种注胶工装及注胶方法，尤其涉及一种用于玻璃纤维增强双组份聚氨酯异形钢的注胶工装及注胶方法，属于材料设备技术领域。

背景技术

国内外土建工程中使用复合材料结构件并不常见，尤其是在承载力比较大且比较特殊的结构中还是比较慎重的；这是因为复合材料的力学特性是各向异性的，一般玻璃纤维增强树脂基复合材料的刚性只有钢材的四分之一，这就决定了这种复合材料构件只能用在承载力不大的结构中使用。针对这种情况，国内外一直以来都在研发适用于高刚性、高强度的纤维增强复合材料；在近十年前，欧美国家几家大公司相继研发出来了一种适用于拉挤成型工艺的双组份聚氨酯树脂，这种树脂通过纤维增强后而制得的复合材料型材的各项性能指标远远超过了采用纤维增强“不饱和聚酯树脂”和“环氧乙烯基树脂”甚至在某些指标上甚至超过了“环氧树脂”的某些性能；而且，其采用拉挤成型工艺又比“环氧树脂”的要好。国外最早研发出来的双组份聚氨酯树脂的公司有“拜尔公司”、“巴斯夫公司”和“亨斯迈公司”等；尽管国外研发的这种双组份聚氨酯树脂比较早，但是，在实际采用拉挤成型工艺生产结构用型材方面未见有大的应用领域；在国内，这几年前后有几家公司也在研发这种双组份聚氨酯树脂；然而，在国内，采用双组份聚氨酯树脂制作截面尺寸比较大、截面形式比较复杂的结构型材很少见，关键是双组份聚氨酯树脂在“注胶盒”中是否可以完全将高填充量的或者高体积百分比的各种纤维增强材料渗透完全，取决于注胶盒的结构尺寸设计和注胶口的位置设计以及拉挤成型工艺的配合设计等因素。现在国内外基本上都是生产一些简单截面和厚度比较薄（一般小于8mm）的平板、方管、矩形管、圆管、槽钢等产品，而异形工字钢就是一种截面形状比较复杂的和相关尺寸比较厚的制品。如果是生产制品截面形状比较复杂的、厚度比较厚的和截面尺寸比较大的制品的话，在注胶盒的结构尺寸设计以及注胶口的位置设计方面就更加有难度了；国内外还在不断地摸索研究中，现在国内外还没有一套比较完善的和成熟的设计技术可供借鉴，这是因为在采用双组份聚氨酯树脂拉挤成型工艺中配套的注胶盒中填充了将近85%左右的各种纤维增强材料，其密实度相对于不饱和聚酯树脂和环氧乙烯基树脂等基体树脂，与常规拉挤成型工艺相比高了很多，加上前面两款树脂在拉挤成型工艺时的浸胶方式又与双组份聚氨酯树脂是完全不同的，双组份聚氨酯树脂是在相对封闭的注胶盒中将各种类型的玻璃纤维增强材料进行浸胶的，如果需要生产出来合格的制品的话，必须让双组份聚氨酯树脂在注胶盒中充分渗透到各种类型的玻璃纤维增强材料里面中，对此，必须设计加工一种针对性比较强的可以使双组份聚氨酯树脂充分渗透到各种类型的玻璃纤维增强材料的注胶工装。

发明内容

本发明的目的是针对在这方面技术的不足和经验缺少而提出一种用于玻璃纤维增强双组份聚氨酯异形钢的注胶工装及注胶方法。

通常来讲要完整实现“纤维增强双组份拉挤型聚氨酯树脂的成型工艺”过程中需要关注几个关键点，尤其是“注胶盒”的结构设计和加工是实现整个成型工艺过程中的最关键的，如果“注胶盒”的结构设计和加工没有做到有针对性的设计的话，就不能保证型材按照设计所用的全部纤维增强材料在的短暂时间之内全部浸透树脂而顺利成型，特别是型材的结构形状比较复杂尤为如此。因此，我们合作双方在设计用于该款异形工字钢拉挤成型配套所用的双组份拉挤型聚氨酯树脂的专用“注胶盒”的结构设计上和在验证上从以下几个方面做了一些工作：

在初步设计时主要考虑树脂在相对封闭的环境中和该款异形工字钢本身的结构复杂性等因素的“流动性”和“渗透性”等问题。由于双组份拉挤型聚氨酯树脂的“粘度”相对于水来讲还是比较大的，如要其在短时间内能够充分渗透到纤维增强材料中是明显存在一定难度的；这是因为，在纤维增强材料拉挤成型工艺中树脂渗透到纤维增强材料中不仅涉及到“纤维增强材料集合体”方面对树脂基体的“流动性”的“干扰”，而更重要的是树脂基体在“注胶盒”型腔中的“流动性”所呈现出的不仅具有“牛顿流体力学”现象又具有“非牛顿流体力学”现象；与此同时，还存在聚氨酯树脂自身的“凝胶时间”比较短而造成树脂的“粘度”在短时间内“增大”从而造成树脂的“流动性”在“注胶盒”内变差以及聚氨酯树脂在“成型模”中的加热过程中传递到“注胶盒”里面而产生的“热力学”现象等；而这种混杂的“力学”现象交织在一起时，如果在“注胶盒”型腔中要从“理论”上一一分析并建立一套针对性比较强的“流体力学模型”的话这是当今国际上有待突破的一项值得探讨研究的工作。现在国内外有些单位正在做一些“电脑模拟”设计，但是，这种“电脑模拟”设计与实际情况还有比较大的差距。特别是应用于截面尺寸形状比较大和结构又比较复杂的纤维增强双组份聚氨酯树脂型材中时尤为如此。对于这种异形工字钢来讲，不仅是截面形状复杂和厚度尺寸厚的问题，同时也存在厚度不一样的情况，其上部的两个近似方形的孔与下椽板又呈不对称性的结构形式；这种截面形状和厚度不一的结构形式在设计注胶盒时的注胶口的定位和方向性以及数量等各方面，在国内外都还没有先例可参照或者借鉴。这是因为在采用纤维增强双组份聚氨酯材料的拉挤成型工艺中所使用的注胶盒的型腔各段截面尺寸的设计既要充分考虑到树脂在型腔中在一定的压力作用下和在极短的时间之内使其具有好的流动性从而使其可以充分流动到注胶盒型腔中各部分又要充分考虑到树脂在型腔中保有一定的量可以不断地充分“渗透”到纤维增强材料里外；如果树脂在型腔中的“流动性”不够好或者数量不够的话就无法保证树脂“渗透”到在型腔中的纤维增强材料中而生产不出来合格的型材，或者说也就无法保证型材的成型。

本发明通过以下技术方案解决如何生产合格型材的技术问题：一种用于玻璃纤维增强双组份聚氨酯异形钢的注胶工装，包括注胶盒体，所述注胶盒体内安置用于填充材料的、与所述异形钢形状相配合的密封的型腔，所述盒体上设有注胶口，所述注胶口经注胶通道与型腔连通。

所述盒体由四个均分的组件经螺栓连接构成整体。注胶盒结构是根据该工字钢结构形状进行分型处理和分片设计加工的，然后，再按照各组合件的对应位置采用螺栓装配成为一个整体形式的。在注胶盒中分别分成四片加工件，以便于加工注胶盒内部型腔面和清理拆装。

注胶盒内部型腔截面尺寸和各截面梯度设计是根据该工字钢的外形尺寸和在其型腔中是否可以保证双组份聚氨酯树脂在一定的时间之内以及一定的注射压力作用下完全渗透进入全部增强材料内部。采用双组份聚氨酯树脂注射成型工艺生产各种截面形状的增强材料型材所配套使用的注胶盒的型腔尺寸和结构必须针对各型材的截面形状复杂程度和结构尺寸的厚薄来进行相关尺寸设计。因此，本发明的所述型腔的截面结构由形成下椽板的底部腔室，沿所述底部腔室中间朝上端形成腹板的肋部腔室和沿肋部腔室顶端形成左右对称孔腔的顶部腔室组成。

为保证该异形工字钢型材正常成型，注胶通道口位于两个异形方孔腔内侧。

本发明进一步提供用于玻璃纤维增强双组份聚氨酯异形钢的注胶工装的注胶方法，包括以下步骤：

第一步、分别取无碱玻璃纤维纱和玻璃纤维织物，经过预成型模进入注胶工装；

第二步，取双组份聚氨酯树脂中的白料按照设计比例加入双组份聚氨酯树脂专用阻燃剂、聚氨酯专用色浆搅拌均匀后倒入注胶机上的白料存放桶中并将桶盖固定螺栓拧紧密封，与此同时，将双组份聚氨酯树脂的黑料加入注胶机上的黑料存放桶中并将桶盖固定螺栓拧紧密封，将白料和黑料混合，经注胶机混合后进行注入成型；

第三步、待上述材料浸透树脂基体后经成型模上的三个加热板进行固化加热，经过牵引，出模，冷却后按照产品定长尺寸进行切割得到产品。

所述第二步中，注胶机将混合后的树脂注入注胶盒，注胶的压力是12-18公斤。所述固化加热的温度分别为90-110℃、160-170℃、165-180℃。

本发明中所采用的双组份聚氨酯树脂是由“多元醇”和“异氰酸酯”按照一定比例均匀混合而成的，在国内通常称之为“白料”和“黑料”；“白料”的化学名称：多元醇（Polyol ），2、“黑料”的化学名称：异氰酸酯（Isocyante）。为了从根本上解决纤维增强材料在“注胶盒”型腔中的树脂渗透不良问题，本发明分析了树脂在“注胶盒”型腔中的“流动性”和树脂“渗透”到纤维增强材料的方向性以及异形工字钢结构复杂性等各方面情况。最后确定在这种异形工字钢生产配套所用的“注胶盒”的两个异形方孔的内侧与异形工字钢的腹板交界处的上部R角位置设计加工了一个“注胶口B”（详见图1所示）。这种考虑主要是针对树脂在一定的压力作用下由上而下在短时间之内充满“注胶盒”的型腔，同时又可以保证树脂在型腔中现成的“压力小区域”中充分渗透到纤维增强材料的里外。与此同时，在设计“注胶盒”结构时，其“注胶口”的位置设计同样也是非常重要的。对于截面形状比较简单的型材和厚度尺寸比较薄的来讲，“注胶口”的位置和方向性要求就相对简单一点；如果其相当于截面形状比较复杂的和厚度尺寸比较大厚的型材来讲，注胶口的位置尺寸和方向性要求就显得非常关键了。

本发明通过注胶盒的结构和注胶口的位置设计，使树脂在一定的压力作用下由上而下在短时间之内充满注胶盒的型腔，同时又可以保证树脂在“注胶盒”型腔中现成的“压力小区域”中充分渗透到纤维增强材料的里外，解决了树脂基体渗透不良的问题。

附图说明

图1 为本发明一个实施例的结构示意图。

图2为图1中之前验证过程方案实施例的结构示意图。

具体实施方式

实施例

下面结合实施例对本发明作出进一步说明。

本实施例的结构如图1所示，一种用于玻璃纤维增强双组份聚氨酯异形钢的注胶工装，包括注胶盒体8，注胶盒体8内安置用于填充材料的、与异形钢形状相配合的密封的型腔1，盒体8上设有注胶口2，注胶口2经注胶通道3与型腔1连通。盒体8由四个均分的组件4经螺栓连接构成整体。注胶盒结构是根据该工字钢结构形状进行分型处理和分片设计各组合件的，然后，再按照各组合件的对应位置采用螺栓装配成为一个整体形式的。在注胶盒中分别分成四片加工件，以便于加工注胶盒内部型腔和拆装。注胶盒内部型腔1截面尺寸设计是根据该工字钢的外形尺寸和在其型腔中是否可以保证双组份聚氨酯树脂在一定的时间之内以及一定的注射压力作用下完全渗透进入全部增强材料内部而制定的。采用双组份聚氨酯树脂注射成型工艺生产各种截面形状的增强材料型材所配套使用的注胶盒的型腔尺寸和结构必须针对各型材的截面形状复杂程度和结构尺寸的厚薄来进行相关尺寸设计。因此，本实施例的型腔1的截面结构由形成下椽板的底部腔室5，沿底部腔室5中间朝上端形成腹板的肋部腔室6和沿肋部腔室6顶端向外形成左右对称孔腔的顶部腔室7组成。为保证该异形工字钢型材正常成型，注胶通道口位于孔腔内侧。如此设计是因为本实施例初步设计该款异形工字钢的“注胶盒”的“注胶口”位置尺寸和方向性时，开始主要针对树脂在一定的“压力”作用下可以完全渗透到纤维增强材料中这个因素而在设计“注胶盒”的“注胶口”时，采用在异形工字钢的两个孔中间的隔板和下椽板的中心轴方向对称加工两个“注胶口”；一是考虑到如果采用一套“注胶机”从一侧或者另一侧进行“注胶”时不能满足要求，再使用两套“注胶机”同时从这两侧的两个“注胶口”（两个箭头A1和A2所示）进行注胶；如图2所示，成型模具和与之配套的“注胶盒”加工好后，按照上述初步设想分别进行工艺验证试验，具体过程如下：

1、先采用一套“注胶机”从“注胶口A1”进行注胶，以验证是否可以在短暂的时间之内使得树脂基体全部渗透的玻纤增强材料的里面中；但是，无论调整“注胶机”的注射压力（频率模式或者压力模式）还是降低牵引速度都无法达到纤维增强材料全部渗透树脂基体；尤其是下椽板的部分始终缺少树脂基体即下椽板的部分始终缺少树脂基体后颜色呈黑色的部分。

2、再从“注胶口A2”进行注胶验证；同样是异形工字钢的两个孔的部分同样也是缺少树脂基体而无法达到正常成型要求。

3、针对上述分别采用一套“注胶机”从“注胶盒”的两侧“注胶口”的A1和A2进行注胶都无法达到要求的情况进行分析后，认为这种情况也许是采用一套“注胶机”注射的压力不够大所致；但是，如果将注射压力调大，在“注胶盒”中树脂基体就会在高的压力作用下向“注胶盒”的尾部溢出，这种溢出现象同样也无法保证在“注胶盒”的型腔中保持所需的一定的“内压”而将树脂渗透到全部玻纤增强材料中的。与此同时，如果“注胶盒”中的压力过高，会造成玻纤增强材料在“注胶盒”中的“抱紧力”增大而使得拉挤牵引力也增大了；这种过高的牵引力在纤维增强材料拉挤成型工艺中是不正常的也是不可取的，这是因为：一是，如果拉挤生产线在过高的牵引力工作状态长时间连续工作的话，就会造成生产线的牵引液压装置始终处在“超负荷”状态而损坏，二是，易造成“夹持工装”损坏而无法保证型材的连续正常生产。因此，我们又采用两套“注胶机”在异形工字钢的两个孔和下椽板的中心轴对应的两个“注胶口”A1和A2同时注胶；其结果仍然还是无法满足要求。经过分析后我们认为这是因为“注胶盒”型腔是一个相对密闭的，从两个“注胶口”同时注胶的话，在两套“注胶机”同时以相同的注射“压力”作用下，在“注胶盒”型腔中的树脂流动的“对接线或者对接面”处就会形成一个“对冲压力区”，而两股树脂在这个“对冲压力”作用下形成了一种相互“抵消”现象，从而也就造成树脂基体无法渗透到此部分纤维增强材料里面。这可以从两个“注胶口”同时注胶时还没有采用一个“注胶口”注胶的方式要好的情况来充分说明我们的分析是可以理解的。为此，我们也就基本上否定了采用两套“注胶机”分别从两个“注胶口”同时注胶的这种方式。而如果是平板形状的或者近似于板状形状的产品的话，采用两个或者两个以上“注胶口”也是可行的。

4、根据上述几次验证结果，为了从根本上解决纤维增强材料在“注胶盒”型腔中的树脂基体渗透不良问题，我们又重新分析了树脂在“注胶盒”型腔中的“流动性”和树脂基体“渗透”纤维增强材料的方向性以及异形工字钢结构复杂性等各方面情况。最后确定“注胶盒”的异形工字钢两个孔的内侧与异形工字钢的腹板交界处的上部R角位置设计加工了一个“注胶口B”。这种考虑主要是针对树脂在一定的压力作用下由上而下在短时间之内充满“注胶盒”的型腔，同时又可以保证树脂基体在型腔中现成的“压力小区域”中充分渗透到纤维增强材料的里外。修改后的“注胶口B”的位置示意图如图1所示。

5、采用一套“注胶机”从这个“注胶口B”进行注胶来验证树脂基体渗透情况；经验证后，证明这个“注胶口B”是完全可以保证树脂在“注胶盒”中全部渗透到纤维增强材料的内外各部分。

综上所述，采用双组份拉挤型聚氨酯树脂增强纤维材料在拉挤型材工艺中“注胶盒”的结构设计尤为关键，所得异形工字钢的整体力学性能测试也同样满足了产品要求。

Claims (2)

1.一种用于玻璃纤维增强双组份聚氨酯异形工字钢的注胶工装的注胶方法，包括以下步骤：

第一步、分别取无碱玻璃纤维纱和玻璃纤维织物，经过预成型模进入注胶工装, 所述注胶工装包括注胶盒体，所述注胶盒体内安置用于填充材料的、与所述异形工字钢形状相配合的密封的型腔，所述盒体上设有注胶口，所述注胶口经注胶通道与型腔连通；所述异形工字钢的形状为上部的两个近似方形的孔与下椽板呈不对称性的结构，所述异形工字钢的截面形状和厚度不一，在两个异形方孔的内侧与异形工字钢的腹板交界处的上部R角位置设有另一个注胶口；该异形 工字钢的型腔的截面结构由形成下缘板的底部腔室，沿所述底部腔室中间朝上端形成腹板的肋部腔室和沿肋部腔室顶端形成左右对称孔腔的顶部腔室组成；其中，注胶通道口位于孔腔内侧；

第二步，取双组份聚氨酯树脂中的白料按照设计比例加入双组份聚氨酯树脂专用阻燃剂、聚氨酯专用色浆搅拌均匀后倒入注胶机上的白料存放桶中并将桶盖固定螺栓拧紧密封，与此同时，将双组份聚氨酯树脂的黑料加入注胶机上的黑料存放桶中并将桶盖固定螺栓拧紧密封，将白料和黑料混合，经注胶机混合后进行注入注胶盒成型, 注胶的压力是12-18公斤；

第三步、待上述材料浸透树脂基体后经成型模上的三个加热板进行固化加热，所述固化加热的温度分别为90-110℃、160-170℃、165-180℃,经过牵引，出模，冷却后按照产品定长尺寸进行切割得到产品。

2.根据权利要求1所述用于玻璃纤维增强双组份聚氨酯异形工字钢的注胶工装的注胶方法，其特征在于：所述盒体由四个均分的组件经螺栓连接构成整体。

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