CN111764187A - 一种弹性体粘合的纤维增强复合线材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种兼具良好弯曲性能和抗拉性能的纤维增强复合线材，包含多股纤维复合树脂棒材，多股棒材平行排列或绞合排列，所述的纤维复合树脂棒材通过弹性体材料粘合形成最终的复合材料，抗拉强度为700Mpa－4000Mpa，拉伸模量为55－225Gpa，弯曲曲率为≤30D，作为结构构件可以应用在架空导线、建筑钢筋、电梯绳、桥梁拉索、锚索等对强度、刚度、弯曲性和耐久性均有较高要求的领域。

Description

一种弹性体粘合的纤维增强复合线材及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种纤维增强复合线材，具体而言，涉及一种弹性体粘合的纤维增强复合线材，具体包括纤维增强的复合芯、复合索或复合缆，可以应用在架空导线、建筑钢筋、电梯绳、桥梁拉索、锚索等领域。另外，本发明涉及上述纤维增强复合线材的制备方法。

背景技术

与铁、铝等金属结构材料相比，用增强纤维对树脂进行增强的复合材料(也称为纤维增强复合材料，FRP材料)更轻量，机械强度高。纤维增强复合材料也是目前能够解决设施腐蚀问题及实现长寿命的结构材料，在土木、交通、船舶、海洋等工程领域拥有广阔的应用前景。但纤维增强复合材料也存在一些缺陷，例如抗剪强度低、抗压能力小，这就导致在实际紧固或锚固过程中比较困难，容易断裂，同时FRP材料应用于部分需要弯折状态(例如电梯用绳)的结构时，所处的弯折状态也会导致其抗拉性能下降。因此，研究具有良好弯曲性能和抗拉性能的纤维增强复合材料显得十分必要。

发明内容

本发明提供一种兼具良好弯曲性能和抗拉性能的纤维增强复合线材。进一步地，将该纤维增强复合线材作为结构构件应用在架空导线、建筑钢筋、电梯绳、桥梁拉索、锚索等对强度、刚度、弯曲性和耐久性均有较高要求的领域。

为了实现本发明的目的，本发明采取如下技术方案：

提供一种弹性体粘合的纤维增强复合线材，包含多股纤维复合树脂棒材，多股棒材平行排列或绞合排列，所述的纤维复合树脂棒材通过弹性体材料粘合形成最终的复合材料。所述纤维增强复合线材具体包括纤维增强的复合芯、复合索或复合缆。

在其中一个方案中，所述的弹性体粘合的纤维增强复合线材抗拉强度为700Mpa－4000Mpa，优选为1200Mpa－3500Mpa，拉伸模量为55－225Gpa，优选为110－160Gpa，弯曲曲率为≤30D，单股棒材直径为0.1mm－6.0mm，密度为1.5g/cm³－2.5g/cm³。

在其中一个方案中，纤维复合树脂棒材的股数为大于等于2。

在其中一个方案中，多股纤维复合树脂棒材包含中心纵向轴线的纤维复合树脂芯材，以及围绕中心纵向轴线芯材径向排布的一股或多股棒材。进一步地，位于中心的棒材直径大于或等于位于外围的棒材。

在其中一个方案中，纤维复合树脂棒材进行绞合排列，绞合后的节径比范围是20－100。

在其中一个方案中，纤维复合树脂棒材由纤维材料和热固性树脂或热塑性树脂复合制成。其中所述的热固性树脂选自环氧树脂、聚酯树脂、聚氨酯中的一种或多种；所述热塑性树脂选自聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜、聚醚醚酮或聚苯硫醚中的一种或多种；所述纤维材料选自碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、石墨纤维、高密度聚乙烯纤维中的一种或多种。

在其中一个方案中，纤维复合树脂棒材通过包括如下制备工艺制成：

将纤维材料进行张力测试和调整，纤维通过使纤维束间均匀分散不粘结的分纱板，然后牵引通过恒温胶槽浸润树脂，牵引入预固化模具，然后牵引至进入固化模具，得到单股纤维复合树脂棒材。

在其中一个方案中，弹性体粘合的纤维增强复合线材中弹性体选自硅橡胶、聚氨酯、硅树脂、TPE中的一种或多种。

在其中一个方案中，弹性体粘合纤维增强复合线材通过包括如下工艺制成：

将多股棒材涂抹底涂剂后成盘放置于成缆机，首先通过装有液态弹性体材料的装置，然后牵引进入成型装置，通过固化加热装置充分固化成型，最后收卷成盘，得到弹性体粘合的纤维增强复合线材。

在其中一个方案中，弹性体对于纤维复合树脂棒材排列之间空隙的填充率在90％以上。

进一步地，可以对纤维复合树脂棒材的形状和排列形式进行设置，以提升复合材料在不同场景下的使用。

在其中一个方案中，如图3a所示，弹性体粘合的纤维增强复合线材由三根横截面直径相同圆形截面的纤维复合树脂棒材相互绞合制成。

在其中一个方案中，如图3b所示，弹性体粘合的纤维增强复合线材由四根横截面直径相同圆形截面的纤维复合树脂棒材相互绞合制成。

在其中一个方案中，如图3c所示，弹性体粘合的纤维增强复合线材中心由单根圆形截面的纤维复合树脂棒材构成，外层由六股单根圆形截面的纤维复合树脂棒材绞合制成，所述中心和外层的纤维复合树脂棒材横截面直径相同。

在其中一个方案中，如图3d所示，弹性体粘合的纤维增强复合线材中心由单根截面圆形的纤维复合树脂棒材构成，中间层由六个单根圆形截面的纤维复合树脂棒材绞合制成，最外层由十二个单根圆形截面的纤维复合树脂棒材绞合制成，所述中心、中间层和外层的纤维复合树脂棒材横截面直径相同。

在其中一个方案中，如图3e所示，弹性体粘合的纤维增强复合线材中心由单根截面圆形的纤维复合树脂棒材构成，第二层由六个单根圆形截面的纤维复合树脂棒材绞合制成，第三层由十二个单根圆形截面的纤维复合树脂棒材绞合制成，第四层由十八个单根圆形截面的纤维复合树脂棒材绞合制成，所述各层的纤维复合树脂棒材横截面直径相同。

在其中一个方案中，如图3f所示，弹性体粘合的纤维增强复合线材存在两组直径不同的圆形纤维复合树脂棒材，3个大直径棒材的横截面两两相切，3个小直径棒材的横截面填充在大直径棒材之间并与2个大直径棒材相切，两组直径不同的圆形纤维复合树脂棒材均内切于外层圆形的缆套。

在其中一个方案中，如图3g所示，弹性体粘合的纤维增强复合线材存在两组直径不同的圆形纤维复合树脂棒材，中间芯材为小直径棒材，外层为四个大直径棒材两两相切且与芯材相切，四个大直径棒材内切于外层圆形缆套。

在其中一个方案中，如图3h所示，弹性体粘合的纤维增强复合线材由中心线束，和中心线束外层存在的6个结构相同的线束平行排列或绞合形成，所述的中心线束由中心为单根截面圆形的纤维复合树脂棒材，与第二层由六个直径相同的单根圆形截面的纤维复合树脂棒材绞合制成。

在其中一个方案中，如图3i所示，弹性体粘合的纤维增强复合线材中心由单根截面等边六边形的纤维复合树脂棒材构成，外层由六个单根等边六边形截面的纤维复合树脂棒材绞合制成，所述各层的纤维复合树脂棒材等边六边形截面等边边长相同。

在其中一个方案中，如图3j所示，弹性体粘合的纤维增强复合线材其中中心由单根截面圆形的纤维复合树脂棒材构成，外层由六个单根瓦形截面的纤维复合树脂棒材绞合制成，所述瓦形与中心圆形弧形相接。

在其中一个方案中，弹性体粘合的纤维增强复合线材使用在架空导线加强芯中。

在其中一个方案中，弹性体粘合的纤维增强复合线材使用在建筑钢筋中。

在其中一个方案中，弹性体粘合的纤维增强复合线材使用在电梯绳中。

在其中一个方案中，弹性体粘合的纤维增强复合线材使用在应力索中，这里应力索包括了桥梁地索、桥梁拉索、医疗拉杆、海上风电锚索、船用锚索、工程机械锚索等。

本发明通过首先形成纤维增强复合树脂棒材，然后进行弹性体的粘合，材料之间形成了性能的相互强化，其突出效果主要表现在：

1)由于使用了弹性体进行粘合，赋予了复合材料一定的柔软性，与以往的纤维增强复合线材相比，具有更好的抗弯曲强度；

2)同时结构承力部分为纤维增强复合树脂棒材，因此依然保障了具有高强度和高的拉伸性能；

3)本发明是将纤维增强复合树脂棒材牵引通过液态弹性体，成型然后进行固化，因此绞合或平行排列时无需外部任何束合材料，降低了材料的力学缺陷；

4)经本发明制备得到的弹性体粘合的纤维增强复合线材绞合后的节径较大，因此剥离后，每一根棒材复原成直线型，不同于现有技术中绞合节径小的复合材料，剥离后依然呈螺旋型，因此具有更好的约束绞合结构，受力更为均匀，且防止变形。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描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为纤维增强复合树脂棒材的装置示意图；其中：

1－1纱架；1－2分纱板；1－3分纱板；1－4胶槽；1－5固化模具；1－6牵引设备；1－7收卷设备

图2为弹性体粘合纤维增强复合树脂棒材的装置示意图；其中：

2－1放线设备；2－2成缆机；2－3线盘；2－4过胶槽；2－5固化成型装置；2－6牵引设备；2－7收卷设备

图3a－图3j为各种截面的弹性体粘合的纤维增强复合线材截面示意图

具体实施方式：

＜弹性体材料＞

本发明中所述的弹性体材料，一方面固化后具有弹性，另一方面与纤维增强复合树脂棒材之间具有较强的内聚力，并且可以在30－120℃下呈现出液态状态，从而进行浸渍涂布。

因此弹性体基础材料可以包括硅橡胶、聚氨酯、硅树脂、TPE中的一种或多种。基础弹性体的肖氏硬度A为约20至约80，进一步为约30至约70，肖氏硬度A表征了弹性体的柔软度，当基础弹性体在上述肖氏硬度A的范围内时，最终得到的弹性体粘合纤维增强复合线材具有较好的弹性模量，并具有理想的弯曲性能。

优选地，在弹性体基础材料中添加低软化点添加剂和增粘剂，低软化点添加剂使得弹性体材料可以在较低温度下粘度较低，呈现可浸渍涂布的液态状态，而增粘剂对于改善弹性体的粘合性是重要的。低软化点添加剂在弹性体材料中的含量约0％至约20％。特别合适的低软化点添加剂的一个实例是石蜡，其熔点为约65℃。增粘剂可包括来自石油馏分，松香，松香酯，衍生自木材的多萜，衍生自合成化学品的多萜及其组合，增粘剂在弹性体材料中的含量约0％至约20％。

＜纤维增强复合树脂棒材＞

关于纤维增强复合树脂棒材以及棒材之间的排列或绞合方式，可以参见CN201933348U公开的内容。如图1所示，通过牵引设备1-6将增强纤维从纱架1-1上引出，依次经过分纱板1-2和分纱板1-3，通过将纤维成束后浸渍在热固性或热塑性树脂预浸料胶槽1-4中，形成未硬化纤维复合树脂棒材，然后在固化模具1-5中对该未硬化纤维复合树脂棒材进行热处理，通过收卷设备1-7得到收卷的单股固化纤维增强复合树脂棒材。其中热固性树脂选自环氧树脂、聚酯树脂、聚氨酯中的一种或多种；热塑性树脂选自聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜、橡胶、聚醚醚酮或聚苯硫醚中的一种或多种；纤维材料选自碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、石墨纤维、高密度聚乙烯纤维中的一种或多种。其中收卷形成的棒材单股直径为0.1mm-6mm。

<弹性体粘合纤维增强复合树脂棒材工艺>

通过放线设备2－1将多股纤维增强复合树脂棒材涂抹底涂剂后成盘2－3放置于成缆机2－2中，通过牵引设备2－6引入装有液态弹性体材料、固化剂和增粘剂混合物的过胶槽装置2－4，在该装置中，弹性体材料涂覆或浸润在棒材表面，然后牵引进入固化成型装置2－5，进行绞合，同时加热至弹性体固化温度，对弹性体进行固化，弹性体固化温度与所选用的弹性体和固化剂种类相关，通常在120－180℃范围内，当弹性体从液态变为固态，表面无粘稠物时，确认其充分固化成型，通过收卷设备2－7收卷成盘，得到弹性体粘合的纤维增强复合线材。

<绞合结构>

纤维复合树脂棒材进行绞合排列，绞合后的节径比范围是20－100。在此范围时，可以保证棒材充分绞合，使单股棒材的力学性能充分释放。

纤维复合树脂棒状截面积可以是圆形，也可以是瓦形，在棒材为圆形时，也可以是直径不同相切的形式，多股棒材可以形成多层绞合，在一种方案中按照1股、6股进行绞合，在另一种方案中按照1股、6股、12股进行绞合，甚至在另一种方案中按照1股、6股、12股、18股进行绞合。

通过不同的节径比、直径和横截面构型的设置，进一步增加柔韧性，并提升弹性体的填充率，进而可以适用于不同的应用场景。

除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。

实施例1：

将碳纤维(型号为东丽T700系列)进行张力测试和调整，纤维通过使纤维束间均匀分散不粘结的分纱板，然后在20℃下以0.5m/min的速度牵引通过恒温胶槽浸润环氧树脂，牵引入预固化模具，然后牵引至进入固化模具，在200℃下固化，得到单股碳纤维复合环氧树脂棒材，直径为2mm；

将得到的7股碳纤维复合环氧树脂棒材成盘放置于成缆机，首先通过装有20℃液态甲基乙烯基硅橡胶的装置，然后牵引进入成型装置，形成中心由单根圆形截面的纤维复合树脂棒材构成，外层由六股单根圆形截面的纤维复合树脂棒材绞合制成，节径比为40，所述中心和外层的纤维复合树脂棒材横截面直径相同，通过固化加热装置充分固化弹性体成型，最后收卷成盘，得到硅橡胶粘合的碳纤维增强复合树脂材料。性能见表1。

实施例2：

将玻璃纤维(型号为E7CS10-03-508A，巨石集团)进行张力测试和调整，纤维通过使纤维束间均匀分散不粘结的分纱板，然后在20℃下以0.5m/min的速度牵引通过恒温胶槽浸润环氧树脂，牵引入预固化模具，然后牵引至进入固化模具，在200℃下固化，得到单股玻璃纤维复合环氧树脂棒材，直径为5mm；

将得到的7股碳纤维复合环氧树脂棒材成盘放置于成缆机，首先通过装有异氰酸酯、聚醚多元醇和封端剂的混合物的装置，然后牵引进入成型装置，形成中心由单根圆形截面的纤维复合树脂棒材构成，外层由六股单根圆形截面的纤维复合树脂棒材绞合制成，节径比为30，所述中心和外层的纤维复合树脂棒材横截面直径相同，通过固化加热装置充分固化聚氨酯弹性体成型，最后收卷成盘，得到聚氨酯弹性体粘合的玻璃纤维增强复合树脂材料。性能见表1。

对比例1

与实施例1相比，去掉通过装有20℃下液态的甲基乙烯基硅橡胶的装置。性能见表1。

对比例2

与实施例2相比，去掉通过装有异氰酸酯、聚醚多元醇和封端剂的混合物的装置。性能见表1。

性能测试：

1.拉力测试

将实施例1-2和对比例1-2的纤维增强复合线材两端用金属夹具固定好，夹具间距为5m，通过拉力机测试其抗拉强度和拉伸模量。

2.弯曲测试：

将实施例1-2和对比例1-2的纤维增强复合线材沿着不同曲率的圆盘旋转一周，测定断裂时的曲率。

表1：实施例1-2和对比例1-2力学性能测试情况

*D为纤维增强复合线材束线成型后的直径(mm)

本发明虽已藉由上述实施例加以详细说明，但以上所述仅为使熟悉本技术者能更易于了解本发明，并非限定本发明的实施范围，故凡依本发明权利要求所述的形状构造特征及精神所为的均等变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (30)

1.一种弹性体粘合的纤维增强复合线材，包含多股纤维复合树脂棒材，多股棒材平行排列或绞合排列，所述的纤维复合树脂棒材通过弹性体材料粘合形成最终的复合材料。

2.根据权利要求1的复合线材，其中所述纤维增强复合线材具体包括纤维增强的复合芯、复合索或复合缆。

3.根据权利要求1的复合线材，其抗拉强度为700Mpa－4000Mpa，优选为1200Mpa－3500Mpa，拉伸模量为55－225Gpa，优选为110－160Gpa，弯曲曲率为≤30D，单股棒材直径为0.1mm－6.0mm，密度为1.5g/cm³－2.5g/cm³。

4.根据权利要求1的复合线材，其中纤维复合树脂棒材的股数为大于等于2。

5.根据权利要求1的复合线材，其中多股纤维复合树脂棒材包含中心纵向轴线的纤维复合树脂芯材，以及围绕中心纵向轴线芯材径向排布的一股或多股棒材。

6.根据权利要求5的复合线材，其中位于中心的棒材直径大于或等于位于外围的棒材。

7.根据权利要求1的复合线材，其中纤维复合树脂棒材进行绞合排列，绞合后的节径比范围是20－100。

8.根据权利要求1的复合线材，其中纤维复合树脂棒材由纤维材料和热固性树脂或热塑性树脂复合制成。

9.根据权利要求8的复合线材，其中所述的热固性树脂选自环氧树脂、聚酯树脂、聚氨酯中的一种或多种。

10.根据权利要求8的复合线材，其中热塑性树脂选自聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜、橡胶、聚醚醚酮或聚苯硫醚中的一种或多种。

11.根据权利要求8的复合线材，其中纤维材料选自碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、石墨纤维、高密度聚乙烯纤维中的一种或多种。

12.根据权利要求8的复合线材，其中纤维复合树脂棒材的制备工艺如下：

将纤维材料进行张力测试和调整，纤维通过使纤维束间均匀分散不粘结的分纱板，然后牵引通过恒温胶槽浸润树脂，牵引入预固化模具，然后牵引至进入固化模具，得到单股纤维复合树脂棒材。

13.根据权利要求1的复合线材，其中弹性体选自硅橡胶、聚氨酯、硅树脂、TPE中的一种或多种。

14.根据权利要求1的复合线材，其中弹性体粘合纤维增强复合线材的制备工艺如下：

将多股棒材涂抹底涂剂后成盘放置于成缆机，首先通过装有液态弹性体材料的装置，然后牵引进入成型装置，通过固化加热装置充分固化成型，最后收卷成盘，得到弹性体粘合的纤维增强复合线材。

15.根据权利要求1的复合线材，其中弹性体对于纤维复合树脂棒材排列之间的空隙的填充率在70％以上。

16.根据权利要求1的复合线材，其中所述复合线材由三根横截面直径相同圆形截面的纤维复合树脂棒材相互绞合制成。

17.根据权利要求1的复合线材，其中所述复合线材由四根横截面直径相同圆形截面的纤维复合树脂棒材相互绞合制成。

18.根据权利要求1的复合线材，其中中心由单根圆形截面的纤维复合树脂棒材构成，外层由六股单根圆形截面的纤维复合树脂棒材绞合制成，所述中心和外层的纤维复合树脂棒材横截面直径相同。

19.根据权利要求1的复合线材，其中中心由单根截面圆形的纤维复合树脂棒材构成，中间层由六个单根圆形截面的纤维复合树脂棒材绞合制成，最外层由十二个单根圆形截面的纤维复合树脂棒材绞合制成，所述中心、中间层和外层的纤维复合树脂棒材横截面直径相同。

20.根据权利要求1的复合线材，其中中心由单根截面圆形的纤维复合树脂棒材构成，第二层由六个单根圆形截面的纤维复合树脂棒材绞合制成，第三层由十二个单根圆形截面的纤维复合树脂棒材绞合制成，第四层由十八个单根圆形截面的纤维复合树脂棒材绞合制成，所述各层的纤维复合树脂棒材横截面直径相同。

21.根据权利要求1的复合线材，存在两组直径不同的圆形纤维复合树脂棒材，3个大直径棒材的横截面两两相切，3个小直径棒材的横截面填充在大直径棒材之间并与2个大直径棒材相切，两组直径不同的圆形纤维复合树脂棒材均内切于外层圆形的缆套。

22.根据权利要求1的复合线材，其中存在两组直径不同的圆形纤维复合树脂棒材，中间芯材为小直径棒材，外层为四个大直径棒材两两相切且与芯材相切，四个大直径棒材内切于外层圆形缆套。

23.根据权利要求1的复合线材，由中心线束，和中心线束外层存在的6个结构相同的线束平行排列或绞合形成，所述的中心线束由中心为单根截面圆形的纤维复合树脂棒材，与第二层由六个直径相同的单根圆形截面的纤维复合树脂棒材绞合制成。

24.根据权利要求1的复合线材，中心由单根截面等边六边形的纤维复合树脂棒材构成，外层由六个单根等边六边形截面的纤维复合树脂棒材绞合制成，所述各层的纤维复合树脂棒材等边六边形截面等边边长相同。

25.根据权利要求1的复合线材，其中中心由单根截面圆形的纤维复合树脂棒材构成，外层由六个单根瓦形截面的纤维复合树脂棒材绞合制成，所述瓦形与中心圆形弧形相接。

26.一种架空导线加强芯，其特征在于所述架空导线加强芯包含权利要求1－25之一的复合线材。

27.一种建筑钢筋，其特征在于所述建筑加强筋包含权利要求1－24之一的复合线材。

28.一种电梯绳，其特征在于所述电梯绳包含权利要求1－24之一的复合线材。

29.一种应力索，所述应力索为桥梁地索、桥梁拉索、医疗拉杆、海上风电锚索、船用锚索、工程机械锚索，其特征在于所述应力索包含权利要求1－25之一的复合线材。

30.权利要求1－25之一的复合线材应用在架空导线加强芯、建筑加强筋、电梯绳，桥梁地锚/拉索/拉杆、医疗拉杆、海上风电锚索、船用锚索、工程机械锚索中。

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