CN112644093A - 一种管状型材及其制备设备 - Google Patents

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Abstract

一种管状型材及其制备设备，涉及非金属复合材料管状型材结构领域，该管状型材，由连续纤维增强热塑复合材料制成，包括：内衬层；箍紧层，包覆于该内衬层之外；树脂膜层，包覆于该箍紧层之外；或者，所述内衬层包覆于所述箍紧层之外，所述树脂膜层包覆于所述内衬层之外。

Description

一种管状型材及其制备设备
技术领域
本发明涉及非金属复合材料管状型材结构领域，具体而言，涉及一种管状型材及其制备设备。
背景技术
目前，非金属复合材料制成的型材的市场需求日益增长，尤其是管状型材类的产品作为一种通用型材料产品，以其特有的轻质，高强以及耐腐蚀等特点在现代工业，包括通讯，供电和交通运输等领域获得愈来愈多的应用。
但目前上述的非金属复合材料管状型材主要是以玻璃钢等材料为主，其不足之处是工艺过程中产生大量的化学气体排放，不够绿色环保等缺点；另外，也有采用各种改性热塑熟料，如LFT等材料制成的管状型材，由于其强度不足，而无法满足工业领域对所需型材的力学性能的要求。
目前也有一些技术，公开了复合材料制作的管状型材的类似产品，主要的产品制作工艺采用的事由内到外采用多层的玻璃纤维与聚氨酯或环氧树脂的固化产物。相比于传统的塔杆，已经具备了轻质，耐腐蚀，强度够等特点，但本发明专利提出了一种连续纤维增强热塑复合材料管状型材的制备方法，强度更高，重量更轻，同时也具备耐腐蚀，绝缘性好等复合材料的基本优势。，为设计和制造抗压强度和抗弯曲强度性能更优异的复合材料管状型材提供了有效的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种管状型材及其制备设备，以解决上述问题。
本发明的实施例是这样实现的：
本发明实施例的一方面，提供一种管状型材，由连续纤维增强热塑复合材料制成，包括：
内衬层；
箍紧层，包覆于该内衬层之外；
树脂膜层，包覆于该箍紧层之外；
或者，所述内衬层包覆于所述箍紧层之外，所述树脂膜层包覆于所述内衬层之外。
可选地，该内衬层由连续纤维增强复合材料制成。
可选地，该箍紧层由至少一层单向连续纤维增强复合材料依次绕制形成。
可选地，所述树脂膜层具有抗氧剂，抗UV材料，阻燃剂。
可选地，该内衬层具有加强筋；所述加强筋呈内凹型或者外凸型。
可选地，所述树脂膜层具有颜色。
本发明实施例的另一方面，还提供一种管状型材的制备设备，用于制造管状型材，包括：芯模；沿该芯模轴向设置的纵向结构单元放卷装置、外侧压筋辊、冷却定型辊、缠绕层放卷机构、环形加热装置、树脂挤出装置、牵引装置和切断装置；其中，纵向结构单元放卷装置用于放卷以形成内衬层；外侧压筋辊用于将该内衬层压出内凹型或外凸型的加强筋结构；冷却定型辊，该冷却定型辊用于对所述内衬层进行热压成型；缠绕层放卷机构，用于在该内衬层之外形成箍紧层；环形加热装置，用于对初步完成热压成型的该内衬层外侧进行加热；树脂挤出装置，用于挤出热塑性树脂以生成包覆于该箍紧层之外的树脂膜层；牵引装置，用于对该管状型材进行对应的牵引；切断装置，用于按照设定的长度对该管状型材进行切断操作以形成最终的管状型材。
可选地，所述缠绕层放卷机构绕芯模轴线旋转，其转速可调，放卷的方向与芯模的轴向具有第一角度。
可选地，该芯模的一端采用铰支式支撑。
可选地，所述树脂挤出装置包括具有挤出模头或喷塑模头的挤出机，所述挤出模头或所述喷塑模头沿该芯模周向环形布置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1是本发明实施案例的一种纤维增强热塑复合材料管状型材的制备设备工艺图；
图1a是本发明实施案例的一种纤维增强热塑复合材料管状型材的制备设备工艺三维视图；
图2是本发明实施案例的图1中所示A-A截面放大图，即芯模与纵向结构单元的相对位置图；
图2a是本发明实施案例的芯模与纵向结构单元的相对位置三维视图；
图3是本发明实施案例的图1中所示B-B截面放大图，即纵向结构单元铺设厚经过定型辊的截面视图；
图4为本发明实施案例中图1中所示C-C截面放大图，即环形加热装置处的截面视图；
图5是本发明实施案例中图1中所示D-D截面放大视图，即压筋处的截面视图；
图6是本发明实施案例中纵向结构单元与横向结构单元的产品纤维方向示意图；
图7是列举了若干种本发明提出的管状型材的截面形状，其中图7-a是圆环形，图7-b是椭圆环型，图7-c是带外凸加强筋的圆环形，图7-d是带内凹加强筋的圆环形，图7-e是长方形带圆角截面，图7-f是正方形带圆角截面，图7-g是带外凸加强筋的长方形带圆角截面。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请结合参照图1至图7，本实施例提供一种管状型材，由连续纤维增强热塑复合材料制成，包括：内衬层1-a，箍紧层5-a和树脂膜层。内衬层1-a呈环形结构，该内衬层1-a具有内凹型的加强筋；箍紧层5-a包覆于该内衬层1-a之外；树脂膜层包覆于该箍紧层5-a之外。在另一种实施例中，所述内衬层1-a包覆于所述箍紧层5-a之外，所述树脂膜层包覆于所述内衬层之外。
其中，该内衬层1-a由连续纤维增强复合材料制成。该箍紧层5-a由至少一层单向连续纤维增强复合材料依次绕制形成。所述树脂膜层具有抗氧剂。该抗氧剂包括HDPE材料。所述树脂膜层具有颜色。所述树脂膜层还包括抗UV材料(防紫外线材料)，阻燃剂。
上述管状型材由本申请提供的一种管状型材的制备设备来制造，管状型材的制备设备包括：芯模1；沿该芯模1轴向设置的纵向结构单元放卷装置2、外侧压筋辊6、冷却定型辊3、缠绕层放卷机构5、环形加热装置4、树脂挤出装置7、牵引装置8和切断装置9；其中，纵向结构单元放卷装置2用于放卷以形成内衬层1-a；外侧压筋辊6用于将该内衬层1-a压出内凹型的加强筋结构；冷却定型辊3，该冷却定型辊3用于对所述内衬层1-a进行热压成型；缠绕层放卷机构5，用于在该内衬层1-a之外形成箍紧层5-a；环形加热装置4，用于对初步完成热压成型的该内衬层1-a外侧进行加热；树脂挤出装置7，用于挤出热塑性树脂以生成包覆于该箍紧层5-a之外的树脂膜层；牵引装置8，用于对该管状型材进行对应的牵引；切断装置9，用于按照设定的长度对该管状型材进行切断操作以形成最终的管状型材。
其中，所述缠绕层放卷机构5绕芯模1轴线旋转，其转速可调，放卷的方向与芯模1的轴向具有第一角度。该芯模1的一端采用铰支式支撑。所述树脂挤出装置7包括具有挤出模头或喷塑模头的挤出机，所述挤出模头或所述喷塑模头沿该芯模1周向环形布置。
以下对本申请进行详细说明：
本实施例的管状型材的制备设备中，采用的芯模1沿长度方向分为4段，分别为内衬层1-a的成型工艺段1-1，中间层(箍紧层5-a缠绕的横向结构单元的)成型工艺段1-2，加强筋热压制成型段1-3以及冷却定型工艺段1-4。芯模1的一端采用铰支式支撑，且全长设置了多组浮动支撑的芯管做为所述的管状型材成型的芯模1；其中，组成所述的支撑机构采用了多个支撑单元，且沿所述的芯模1段的管状型材横截面周向布置，并呈接触支撑，每个支撑单元均通有冷却水，冷却水连通循环的制冷设备，以保证管状型材的内部不是熔融状态，有利于管状型材的牵引驱动。其中，加强筋热压制成型段的芯模1的滚轮式支撑单元上设置有凹槽，二对应的外侧的压筋辊设置有凸起，用于将材料压成内凹的筋。放卷装置5整体可以绕芯模1轴线旋转，转速可调，放卷的方向与芯模1的轴向有一定的角度，角度一定范围内可调。
按照需要制作的管状型材的几何形状，设置一个轴向铰支撑或悬臂式支撑的，全长设置了至少一组浮动支撑的芯管做为所述的内衬层1-a成型和所述的箍紧层5-a缠绕的芯模1，本实施例为圆环形的截面，采用两组固定位置的放卷装置2，使放卷装置上的所述的、由连续纤维增强复合材料单元制成的内衬层1-a，通过环形加热装置4，并经由冷却定型辊3定型完成所述的内衬层1-a的热压成型；环形加热装置4对初步完成热压成型的内衬层1-a外侧进行加热；然后，采用两组机构整体可以绕所述的芯模1中心轴线旋转的放卷装置5，使所述的、由连续纤维增强复合材料单元制成的箍紧层5-a缠绕在所述的内衬层1-a的外侧；并通过冷却定型装置3与芯模1之间的啮合压力对箍紧层5-a与所述的内衬层1-a实施热压成型，同步地，所述的管状型材在所述的牵引装置8的驱动下，以设定的速度做连续地前行运动；同时，至少一组所述的机构整体可以绕所述的芯模1中心轴线旋转的放卷装置5，按照所设定的转速，将所述的箍紧层5-a缠绕在内衬层1-a的外侧，或缠绕在前次缠绕的箍紧层5-a的外侧；此时，管状型材在牵引装置8驱动下的直线运动速度与绕芯模1中心轴线一个方向旋转的放卷装置的旋转速度的合成速度的轨迹，形成所述的箍紧层5-a与所述的芯模1中心轴线的一个方向的缠绕夹角；在此设定为正向缠绕夹角；而管状型材在牵引装置8的驱动下的直线运动速度与绕芯模1中心轴线一个另一个方向旋转的放卷装置的旋转速度的合成速度的轨迹，形成所述的箍紧层5-a与所述的芯模1中心轴线的另一个方向的缠绕夹角；在此设定为负向缠绕夹角；缠绕层缠绕结束后管状型材通过压筋辊6制成带凹陷或凸起的加强筋的管状型材，再通过挤出机设备7的挤出摸头热塑树脂膜层，作为所管状型材的外表层，再经过冷却定型辊3的初步冷却和环形冷却装置3-1的彻底冷却，最后，管状型材通过牵引装置8，完成管状型材的制备，并且由切割装置9按照设定的长度进行切断，制成一种连续纤维增强热塑复合材料的管状型材。
在上述实施例中，采用一组所述的，一端轴向铰支式撑或悬臂式支撑的，且全长设置了至少一组浮动支撑的芯管做为所述的内衬层1-a成型和所述的箍紧层5-a缠绕的芯模1；其中，所述的芯模1分为所述的内衬层1-a的成型工艺段和所述的箍紧层5-a缠绕工艺段以及所述的冷却定型工艺段；所述的内衬层1-a的成型段芯模1的外侧设置了至少一组加热源。
所述的内衬层1-a的成型段芯模1表面采用防粘材料；其内部通入温度可以调整的液体介质；在所述的内衬层1-a的成型段芯模1，沿其长度方向间隔设置了至少一组滚动支撑机构；其中，组成所述的支撑机构至少采用一个支撑单元，且与所述的箍紧层5-a外侧沿所述的管状型材横截面呈周向相接触；在所述的箍紧层5-a缠绕工艺芯模1段的长度方向，与所述的内衬层1-a的内侧相接触面之间，沿所述的芯模1横截面周边，间隔设置了至少一组滚动装置；所述的一种连续纤维增强热塑复合材料的管状型材的材料可以是，但不限于在此所陈述的，包括PP树脂，或连续纤维增强热塑PP材料或改性PP类，PP改性材料；或尼龙树脂，或改性尼龙树脂，或连续纤维增强热塑尼龙材料；或聚乙烯树脂，或改性聚乙烯树脂，或连续纤维增强热塑聚乙烯材料；进一步地，所述的连续纤维可以是，但不限于在此所陈述的，包括玻璃纤维，碳纤维等。
在本实施例中，所述的一种连续纤维增强热塑复合材料的管状型材，包括所述的内衬层1-a为所述管状型材的纵向结构单元和缠绕在所述的(管状型材)/内衬层1-a外侧的箍紧层5-a为所述管状型材的横向结构单元为连续纤维增强热塑复合材料，包括主体层与界面层，其中，所述的主体层采用至少一层连续纤维增强热塑材料制造而成，所述的界面层采用至少一层连续纤维增强热塑材料或一层热塑树脂膜制成；其中所述的缠绕在外侧的箍紧层5-a单元，为连续纤维增强热塑复合材料；所述的箍紧层5-a单元，包括主体层与界面层；其中，所述的主体层采用至少一层连续纤维增强热塑材料制造而成，所述的界面层采用至少一层连续纤维增强热塑材料或一层热塑树脂膜制成；所述的制成所述的箍紧层5-a的最外侧的层单元具有所述的性能特征，包括，但不限于在此所陈述的，如抗UV层，或颜色，或防火层等；所述的制成所述的箍紧层5-a的连续纤维增强热塑复合材料单元的至少一层主体层的连续纤维的方向与形成杆塔几何主体的与所述的形成杆塔几何柱体的母线以正、负夹角交错排布；所述的正、负夹角设定范围+/-0～60度角。至少采用一组所述的箍紧层5-a层单元按照与杆塔的中心轴线设定的正、负夹角，为缠绕角度，相互交错依次地缠绕在所述的三明治结构构件单元外侧；其中，所述的正、负缠绕夹角设定范围+/-15～80度角。
本实施例还提供一种管状型材的制备方法，包括如下步骤：
S1：按照所述的管状型材的几何形状，设置所述的一端轴向铰支撑或悬臂式支撑的，全长设置了至少一组浮动支撑的芯管做为所述的内衬层1-a成型和所述的箍紧层5-a缠绕的芯模1；
S2:采用至少一组固定位置的放卷装置，使所述的、由连续纤维增强复合材料单元制成的内衬层1-a，通过所述的加热装置，并经由所述的内衬层1-a的成型工艺段完成所述的内衬层1-a的热压成型；
S3:所述的加热装置对所述的初步完成热压成型的内衬层1-a外侧进行加热；
S4:采用至少一组机构整体可以绕所述的芯模1中心轴线旋转的放卷装置，使所述的、由连续纤维增强复合材料单元制成的箍紧层5-a缠绕在所述的内衬层1-a的外侧；并通过所述的压合装置与所述的芯模1之间的啮合压力对所述的箍紧层5-a与所述的内衬层1-a实施热压成型；所述的S3工序分解如下：
S4-1:同步地，所述的管状型材在所述的牵引装置8驱动下，以设定的速度做连续地前行运动；
S4-2:同步地，至少一组所述的放卷机构整体可以绕所述的芯模1中心轴线旋转的放卷装置，按照所设定的转速，将所述的箍紧层5-a缠绕在所述的内衬层1-a外侧，或缠绕在所述的前次缠绕的箍紧层5-a外侧；
S4-3:同步地，所述的管状型材在所述的牵引装置8驱动下的直线运动速度与所述的绕芯模1中心轴线一个方向旋转的放卷装置的旋转速度的合成速度的轨迹，形成所述的箍紧层5-a与所述的芯模1中心轴线的一个方向的缠绕夹角；在此设定为正向缠绕夹角；
S4-4:同步地，所述的管状型材在所述的牵引装置8驱动下的直线运动速度与所述的绕芯模1中心轴线一个另一个方向旋转的放卷装置的旋转速度的合成速度的轨迹，形成所述的箍紧层5-a与所述的芯模1中心轴线的另一个方向的缠绕夹角；在此设定为负向缠绕夹角；
S5:由所述的挤出机设备的挤出摸头热塑树脂膜层，作为所所述管状型材的外表层；
S6:通过所述的冷却、定型装置对所述的管状型材实施定型；
S7:通过所述的牵引装置8，牵引所述的完成定型的管状型材，由所述的切割装置按照设定的长度进行切断，制成所述的一种连续纤维增强热塑复合材料的管状型材。
采用如上的技术方案，本发明达到的有益效果是：制备方法简单，使用较少的材料获得更好的力学性能，生产成本降低。采用热复合工艺制备的管状型材力学性能优异，有效提高了强度，进一步提升了生产工艺的连续性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种管状型材，其特征在于，由连续纤维增强热塑复合材料制成，包括：
内衬层；
箍紧层，包覆于该内衬层之外；
树脂膜层，包覆于该箍紧层之外；
或者，所述内衬层包覆于所述箍紧层之外，所述树脂膜层包覆于所述内衬层之外。
2.根据权利要求1所述的管状型材，其特征在于，该内衬层由连续纤维增强复合材料制成。
3.根据权利要求1所述的管状型材，其特征在于，该箍紧层由至少一层单向连续纤维增强复合材料依次绕制形成。
4.根据权利要求1所述的管状型材，其特征在于，所述树脂膜层具有抗氧剂，抗UV材料，阻燃剂。
5.根据权利要求1所述的管状型材，其特征在于，该内衬层具有加强筋；所述加强筋呈内凹型或者外凸型。
6.根据权利要求1所述的管状型材，其特征在于，所述树脂膜层具有颜色。
7.一种管状型材的制备设备，其特征在于，用于制造管状型材，包括：
芯模；
沿该芯模轴向设置的纵向结构单元放卷装置、外侧压筋辊、冷却定型辊、缠绕层放卷机构、环形加热装置、树脂挤出装置、牵引装置和切断装置；其中，
纵向结构单元放卷装置用于放卷以形成内衬层；
外侧压筋辊用于将该内衬层压出内凹型或外凸型的加强筋结构；
冷却定型辊，该冷却定型辊用于对所述内衬层进行热压成型；
缠绕层放卷机构，用于在该内衬层之外形成箍紧层；
环形加热装置，用于对初步完成热压成型的该内衬层外侧进行加热；
树脂挤出装置，用于挤出热塑性树脂以生成包覆于该箍紧层之外的树脂膜层；
牵引装置，用于对该管状型材进行对应的牵引；
切断装置，用于按照设定的长度对该管状型材进行切断操作以形成最终的管状型材。
8.根据权利要求1所述的管状型材的制备设备，其特征在于，所述缠绕层放卷机构绕芯模轴线旋转，其转速可调，放卷的方向与芯模的轴向具有第一角度。
9.根据权利要求1所述的管状型材的制备设备，其特征在于，该芯模的一端采用铰支式支撑。
10.根据权利要求1所述的管状型材的制备设备，其特征在于，所述树脂挤出装置包括具有挤出模头或喷塑模头的挤出机，所述挤出模头或所述喷塑模头沿该芯模周向环形布置。
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