CN113320191A - 一种高性能热塑性复合材料工字梁的拉挤成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性能热塑性复合材料工字梁的拉挤成型方法，属于热塑性复合材料技术领域。拉挤成型方法包括：根据工字梁的截面积尺寸设计拉挤成型模具和冷却定型模具，依据连续纤维增强热塑性复合材料预浸带中连续纤维的含量计算预浸带理论进料量，按照一定倍数放大得到预浸带实际进料量，进料，设定模具加工温度/加工温度梯度并升温后依次进行拉挤成型和冷却定型得到。本发明得到的工字梁结构件具有良好的力学性能和耐腐蚀性能，工艺简单且可连续生产，加工长度不受限制，采用自主设计的拉挤成型模具和冷却定型模具可根据工字梁结构件尺寸灵活调整，产品灵活性好且自动化程度高。

Description

一种高性能热塑性复合材料工字梁的拉挤成型方法
技术领域
本发明属于热塑性复合材料技术领域，具体涉及一种高性能热塑性复合材料工字梁的拉挤成型方法。
背景技术
工字梁在房屋、桥梁、电站、交通基础设施等建筑领域有着广泛的应用，市面上常见的钢质工资梁和木质工字梁由于存在耐腐蚀性较差、单位质量较大等缺点，难以满足现代建设要求。为获得力学性能高且具有良好适应能力的工字梁制品，需要综合考虑原材料以及加工工艺对其制备过程和性能的影响。
热塑性复合材料是一种力学性能优异、化学稳定性好、耐湿热能力强、加工性能优良、贮存期长且可回收重复使用的材料，用于汽车、风能、航空航天等领域。相较于金属与木质材料，其具有更好的力学性能和环境适应性，作为工字梁制品的原料具有广泛的应用潜力。现有技术中，热塑性复合材料的成型工艺有模压成型、铺放成型、缠绕成型以及拉挤成型等，其中拉挤成型是制造有效等截面复合型材的一种高效方法，与其他聚合物成型工艺相比最大的特点是连续成型，生产制品长度不受限制，具有产品灵活性好、自动化程度高和制造速度快等优势。由于工字梁是一种定截面的制品，采用拉挤成型加工方法可以与其生产要求相匹配，为开发具有力学性能高、化学稳定性好和耐腐蚀性强的工字梁提供新的加工途径。
发明内容
为克服现有技术的上述不足，本发明的主要目的是提供一种高性能热塑性复合材料工字梁的拉挤成型方法，将连续纤维增强热塑性复合材料预浸带通过拉挤成型和冷却定型，赋予工字梁结构件良好的力学性能和耐腐蚀性能，工艺简单且可连续生产，工字梁结构件长度不受限制。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供高性能热塑性复合材料工字梁的拉挤成型方法，包括以下步骤：
(1)根据工字梁的截面积尺寸设计拉挤成型模具和冷却定型模具；
(2)依据连续纤维增强热塑性复合材料预浸带中连续纤维的含量计算预浸带理论进料量，按照一定倍数放大得到预浸带实际进料量，进料；
(3)设定所述拉挤成型模具的加工温度为220–290℃和所述冷却定型模具的加工温度梯度为(55–85)℃–(75–105)℃–(115–145)℃，升温至设定温度并稳定后，在拉挤速度为50–110mm/min的条件下依次进行拉挤成型和冷却定型，得到高性能热塑性复合材料工字梁；
或还包括纤维网格布经过处理剂处理后添加到步骤(2)中所述连续纤维增强热塑性复合材料预浸带的进料中进行补强的步骤。
优选地，步骤(1)中，所述拉挤成型模具的截面积为工字梁结构件截面积的10–30倍，依次分为进料段、渐缩段和出料段，且所述渐缩段的锥度为2–5：50。
更优选地，步骤(1)中，所述进料段、渐缩段和出料段的长度比值为3:5:2。
优选地，步骤(1)中，所述冷却定型模具的截面积为工字梁结构件截面积的10–30倍，其冷却水流道的总截面积为2×10-5–6×10-5m2。
优选地，步骤(2)中，所述连续纤维增强热塑性复合材料预浸带中采用的连续纤维选自玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、高硼硅纤维或芳纶纤维中的一种或两种以上组合。
优选地，步骤(2)中，所述连续纤维增强热塑性复合材料预浸带中采用的热塑性树脂选自聚丙烯、聚乙烯、聚乳酸、聚碳酸酯或聚醚醚酮中的一种。
优选地，步骤(2)中，所述预浸带实际进料量为预浸带理论进料量的1.1–1.2倍。
优选地，所述处理剂选自聚丙烯蜡、聚乙烯蜡、聚丙烯乳液或聚乙烯乳液中的一种或两种以上组合。
更优选地，所述处理剂为聚丙烯蜡。
优选地，所述纤维网格布选自玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、高硼硅纤维或芳纶纤维中的一种制备的网格布，其与所述连续纤维增强热塑性复合材料预浸带的质量比为1：5–10。
优选地，所述纤维网格布为玻璃纤维网格步，且以夹层的形式添加到所述连续纤维增强热塑性复合材料预浸带的层间。
优选地，步骤(3)中，所述拉挤成型模具的加工温度为235℃，所述冷却定型模具的加工温度梯度为65℃–85℃–125℃，所述拉挤速度为80mm/min。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明的高性能热塑性复合材料工字梁中，以连续纤维增强热塑性复合材料预浸带作为基材，其中连续纤维作为主要承力载体承受纵向载荷，热塑性树脂作为基体赋予耐腐蚀性能，同时还可以采用处理剂处理后的纤维网格布进行补强强化工字梁的综合性能，通过拉挤成型和冷却定型得到的工字梁结构件具有良好的力学性能和耐腐蚀性能，工艺简单且可连续生产，工字梁结构件长度不受限制。
(2)本发明的拉挤成型方法中采用自主设计的拉挤成型模具和冷却定型模具，可根据工字梁结构件的尺寸灵活调整，具有产品灵活性好、自动化程度高和制造速度快等优势。
参考以下详细说明更易于理解本发明的上述以及其他特征、方面和优点。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更显著：
图1是实施例1制备的高性能热塑性复合材料工字梁的形貌图；
图2是实施例1连续纤维增强热塑性复合材料预浸带进料时的排布方式示意图；
图3是实施例1和2中玻璃纤维网格布在连续纤维增强热塑性复合材料预浸带中的排布方式示意图，(a)实施例1中无玻璃纤维网格布补强，(b)实施例2中有玻璃纤维网格布补强；
图4是实施例1中设计的拉挤成型模具结构示意图；
图5是实施例1中设计的冷却定型模具结构示意图；
图6是实施例1制备的高性能热塑性复合材料工字梁的弯曲载荷–位移曲线；
图7是实施例2制备的高性能热塑性复合材料工字梁的弯曲载荷–位移曲线；
图8是实施例1和2制备的高性能热塑性复合材料工字梁在海水中吸湿率；
图9是实施例1和2制备的高性能热塑性复合材料工字梁在雨水中吸湿率；
图10是实施例2制备的高性能热塑性复合材料工字梁经海水(a和b)和雨水(c和d)侵蚀后破坏截面的扫描电子显微镜(SEM)图。
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的附图，对本发明实施例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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
以下实施例中采用的高性能热塑性复合材料工字梁的拉挤成型方法，步骤如下：
根据工字梁的截面积尺寸设计拉挤成型模具和冷却定型模具，依据连续纤维增强热塑性复合材料预浸带中连续纤维的含量计算预浸带理论进料量，按照一定倍数放大得到预浸带实际进料量，进料。设定拉挤成型模具的加工温度为220–290℃和冷却定型模具的加工温度梯度为(55–85)℃–(75–105)℃–(115–145)℃，升温至设定温度并稳定后，在拉挤速度为50–110mm/min的条件下依次进行拉挤成型和冷却定型，得到高性能热塑性复合材料工字梁。
一些实施例中，还包括纤维网格布经过处理剂处理后添加到连续纤维增强热塑性复合材料预浸带的进料中进行补强的步骤。
一些实施例中，拉挤成型模具的截面积为工字梁结构件截面积的10–30倍，依次分为进料段、渐缩段和出料段，且渐缩段的锥度为2–5：50，进料段、渐缩段和出料段的长度比值为3:5:2；冷却定型模具的截面积为工字梁结构件截面积的10–30倍，其冷却水流道的总截面积为2×10-5–6×10-5m2。
一些实施例中，连续纤维增强热塑性复合材料预浸带中采用的连续纤维选自玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、高硼硅纤维或芳纶纤维中的一种或两种以上组合，采用的热塑性树脂选自聚丙烯、聚乙烯、聚乳酸、聚碳酸酯或聚醚醚酮中的一种；预浸带实际进料量为预浸带理论进料量的1.1–1.2倍。
一些实施例中，处理剂选自聚丙烯蜡、聚乙烯蜡、聚丙烯乳液或聚乙烯乳液中的一种或两种以上组合；纤维网格布选自玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、高硼硅纤维或芳纶纤维中的一种制备的网格布，其与预浸带的质量比为1：5–10。
一些实施例中，纤维网格布为玻璃纤维网格步，且以夹层的形式添加到连续纤维增强热塑性复合材料预浸带的层间。
一些实施例中，拉挤成型模具的加工温度为240–260℃，冷却定型模具的加工温度梯度为65℃–85℃–125℃，拉挤速度为70–90mm/min。
以下通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
本实施例中采用拉挤成型方法制备高性能热塑性复合材料工字梁，步骤如下：根据工字梁的截面积尺寸为217.7mm2设计尺寸为60×60×200mm的拉挤成型模具(内部流道分依次为60mm进料段、100mm渐缩段和40mm出料段)(图4)和冷却定型模具(图5)，依据连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料预浸带中连续玻璃纤维的含量计算预浸带理论进料量，按照1.2倍放大得到预浸带实际进料量，进料(如图2所示)。设定拉挤成型模具的加工温度为235℃、冷却定型模具的加工温度梯度为65℃–85℃–125℃，升温至温度稳定后，在拉挤速度为80mm/min的条件下依次通过拉挤成型模具和冷却定型模具进行拉挤成型和冷却定型，得到高性能热塑性复合材料工字梁(如图1所示)。
对本实施例制备的高性能热塑性复合材料工字梁使用万能试验机进行弯曲载荷评估。样品在进行评估前切割为长度100mm的工字梁段，使用GB–T1449–2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》作为评估标准，计算5次测量的平均值，其弯曲载荷–位移如图6所示，可以看出本实施例制备的高性能热塑性复合材料工字梁的弯曲破坏载荷达到4800N以上。
对本实施例制备的高性能热塑性复合材料工字梁进行耐海洋环境与雨水环境侵蚀性能的评估。先将工字梁制品切割为长度100mm、质量约为25g的工字梁截段。测试前将切割好的试样放入60℃的烘箱中干燥24h，干燥结束后使用电子天平称量并记录其重量，将两个塑料容器中分别注入模拟海水与雨水后放入恒温水浴箱中，待温度上升到60℃时，将工字梁的切割面使用环氧胶胶封后放置在塑料容器中，容器用保鲜膜密封，避免水分的挥发对实验造成影响，同时将恒温水浴箱也使用保鲜膜密封，并记录放入时间。定期取出试样，冷却至室温后使用吸水纸擦干其表面水分进行称重，称重时间不计入浸泡时间，最后计算工字梁的吸湿率(如图8和9所示)，可以看出经过672小时的海水与雨水侵蚀后，热塑性复合材料工字梁均能保持较低的吸湿率。
实施例2
本实施例中采用拉挤成型方法制备高性能热塑性复合材料工字梁，步骤如下：根据工字梁的截面积尺寸为217.7mm2设计尺寸为60×60×200mm的拉挤成型模具(内部流道分依次为60mm进料段、100mm渐缩段和40mm出料段)和冷却定型模具，依据连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料预浸带中连续玻璃纤维的含量计算预浸带理论进料量，按照1.2倍放大得到预浸带实际进料量，进料；用聚丙烯蜡处理过的玻璃纤维网格布按照与预浸带质量比为1：10添加到预浸带中进行补强(如图3所示)。设定拉挤成型模具的加工温度为235℃、冷却定型模具的加工温度梯度为65℃–85℃–125℃，升温至温度稳定后，在拉挤速度为80mm/min的条件下依次通过拉挤成型模具和冷却定型模具进行拉挤成型和冷却定型，得到高性能热塑性复合材料工字梁。
对本实施例制备的高性能热塑性复合材料工字梁使用万能试验机进行弯曲载荷评估。样品在进行评估前切割为长度100mm的工字梁段，使用GB–T1449–2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》作为评估标准，计算5次测量的平均值，其弯曲载荷–位移如图7所示，可以看出本实施例制备的高性能热塑性复合材料工字梁的弯曲破坏载荷达到5300N以上。
对本实施例制备的高性能热塑性复合材料工字梁进行耐海洋环境与雨水环境侵蚀性能的评估。先将工字梁制品切割为长度100mm、质量约为25g的工字梁截段。测试前将切割好的试样放入60℃的烘箱中干燥24h，干燥结束后使用电子天平称量并记录其重量，将两个塑料容器中分别注入模拟海水与雨水后放入恒温水浴箱中，待温度上升到60℃时，将工字梁的切割面使用环氧胶胶封后放置在塑料容器中，容器用保鲜膜密封，避免水分的挥发对实验造成影响，同时将恒温水浴箱也使用保鲜膜密封，并记录放入时间。定期取出试样，冷却至室温后使用吸水纸擦干其表面水分进行称重，称重时间不计入浸泡时间，最后计算工字梁的吸湿率(如图8和9所示)，可以看出经过672小时的海水与雨水侵蚀后，热塑性复合材料工字梁均能保持较低的吸湿率。
对本实施例制备的高性能热塑性复合材料工字梁经过海水与雨水侵蚀后的破坏截面用扫描电子显微镜进行形态学评估如图10所示a和b为经海水侵蚀后的破坏截面，c和d为经雨水侵蚀后的破坏截面，证明其具有良好的耐腐蚀性能。

Claims (10)

1.一种高性能热塑性复合材料工字梁的拉挤成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据工字梁的截面积尺寸设计拉挤成型模具和冷却定型模具；
(2)依据连续纤维增强热塑性复合材料预浸带中连续纤维的含量计算预浸带理论进料量，按照一定倍数放大得到预浸带实际进料量，进料；
(3)设定所述拉挤成型模具的加工温度为220–290℃和所述冷却定型模具的加工温度梯度为(55–85)℃–(75–105)℃–(115–145)℃，升温至设定温度并稳定后，在拉挤速度为50–110mm/min的条件下依次进行拉挤成型和冷却定型，得到高性能热塑性复合材料工字梁；
或还包括纤维网格布经过处理剂处理后添加到步骤(2)中所述连续纤维增强热塑性复合材料预浸带的进料中进行补强的步骤。
2.根据权利要求1所述高性能热塑性复合材料工字梁的拉挤成型方法，其特征在于，步骤(1)中，所述拉挤成型模具的截面积为工字梁结构件截面积的10–30倍，依次分为进料段、渐缩段和出料段，且所述渐缩段的锥度为2–5：50。
3.根据权利要求2所述高性能热塑性复合材料工字梁的拉挤成型方法，其特征在于，步骤(1)中，所述进料段、渐缩段和出料段的长度比值为3:5:2。
4.根据权利要求1所述高性能热塑性复合材料工字梁的拉挤成型方法，其特征在于，步骤(1)中，所述冷却定型模具的截面积为工字梁结构件截面积的10–30倍，其冷却水流道的总截面积为2×10-5–6×10-5m2。
5.根据权利要求1所述高性能热塑性复合材料工字梁的拉挤成型方法，其特征在于，
步骤(2)中，所述连续纤维增强热塑性复合材料预浸带中采用的连续纤维选自玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、高硼硅纤维或芳纶纤维中的一种或两种以上组合；和/或
所述连续纤维增强热塑性复合材料预浸带中采用的热塑性树脂选自聚丙烯、聚乙烯、聚乳酸、聚碳酸酯或聚醚醚酮中的一种。
6.根据权利要求1所述高性能热塑性复合材料工字梁的拉挤成型方法，其特征在于，步骤(2)中，所述预浸带实际进料量为预浸带理论进料量的1.1–1.2倍。
7.根据权利要求1所述高性能热塑性复合材料工字梁的拉挤成型方法，其特征在于，所述处理剂选自聚丙烯蜡、聚乙烯蜡、聚丙烯乳液或聚乙烯乳液中的一种或两种以上组合。
8.根据权利要求1所述高性能热塑性复合材料工字梁的拉挤成型方法，其特征在于，所述纤维网格布选自玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、高硼硅纤维或芳纶纤维中的一种制备的网格布，其与所述预浸带的质量比为1：5–10。
9.根据权利要求8所述高性能热塑性复合材料工字梁的拉挤成型方法，其特征在于，所述纤维网格布为玻璃纤维网格步，其以夹层的形式添加到所述连续纤维增强热塑性复合材料预浸带的层间。
10.根据权利要求1所述高性能热塑性复合材料工字梁的拉挤成型方法，其特征在于，步骤(3)中，所述拉挤成型模具的加工温度为235℃，所述冷却定型模具的加工温度梯度为65℃–85℃–125℃，所述拉挤速度为80mm/min。
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