CN113829641B - 一种连续纤维增强热塑性树脂复合材料螺旋肋筋的制备装置及方法 - Google Patents

一种连续纤维增强热塑性树脂复合材料螺旋肋筋的制备装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种连续纤维增强热塑性树脂复合材料螺旋肋筋的制备装置及方法。本发明属于工程材料CFRTP制备领域。本发明旨在提供一种纤维扭结少、弯曲次应力小、整体性好和粘结强度高的连续纤维增强热塑性树脂复合材料螺旋肋筋的制备装置及方法，以解决传统树脂螺旋肋横向约束不足的技术问题。本发明的装置包括成形部、成型部末端的预制肋缠绕固定部、预制肋缠绕固定部末端的二次熔融部和二次熔融部末端的牵引辊。本发明显著改善了CFRTP增强混凝土结构的力学性能和服役寿命，制备方法具有连续生产、效率高等优点，且螺旋肋筋截面大小及肋筋间距可根据应用需求进行调节，适用范围广，制得的CFRTP螺旋肋筋在混凝土结构应用中具有极大的发展潜力与应用价值。

Description

一种连续纤维增强热塑性树脂复合材料螺旋肋筋的制备装置 及方法
技术领域
本发明属于工程材料CFRTP制备领域，具体涉及一种连续纤维增强热塑性树脂复合材料螺旋肋筋的制备装置及方法。
背景技术
随着我国大规模的基础建设和土木工程的高速发展，钢筋混凝土结构广泛应用于建筑工程、道路桥梁工程、水利工程等领域。然而，随着其服役年限增加钢筋发生锈蚀，导致其承载力退化，从而使服役寿命降低维修费用增加。FRP具有轻质高强、耐腐蚀等特点，因此采用FRP代替普通钢筋成为解决钢筋锈蚀的有效方法。目前，纤维增强复合材料按树脂不同可分为纤维增强热固性复合材料和纤维增强热塑性复合材料(FRTP)两类，其中FRSP是以合成树脂为基体材料制备而成，其成型过程会产生危害气体且成型后形状不可改变等特点使其应用受到一定程度的限制。与之相比，FRTP具有固化成型时间短、能够二次熔化再成型、可回收循环利用等优点，同时具备热固性复合材料轻质高强、耐腐蚀等优点，因而在混凝土结构中具极大的发展潜力和应用价值。但现阶段制备的CFRTP筋表面平整，在实际应用中因粘结力不足而产生滑移，降低了混凝土结构的力学性能及服役寿命，阻碍了其在混凝土结构中的应用与发展。
目前，国内外已开发的带肋FRP筋主要为纤维增强热固性树脂复合材料，且其制备的带肋FRP筋形状及几何尺寸固定、无法连续制备；部分研究采用环氧树脂固化粘结的方法制备带肋FRP筋，该方法存在筋与肋间粘结强度低、容易脱粘等问题；少部分研究采用机械法在FRP筋表面加工形成螺纹结构，增加了FRP筋表面积，但是该方法造成表面部分纤维断裂，使得力学性能和耐久性明显下降；极少部分研究采用热塑性树脂肋缠绕FRP筋，但其成肋工艺仍采用传统热固性成肋方法，未真正发挥出热塑性树脂可二次熔融成型的优势。因此，提出一种CFRTP螺旋肋筋的制备方法及装置十分必要。
发明内容
本发明旨在提供一种纤维扭结少、弯曲次应力小、整体性好和粘结强度高的连续纤维增强热塑性树脂复合材料螺旋肋筋的制备装置及方法，以解决传统树脂螺旋肋横向约束不足的技术问题。
本发明的一种连续纤维增强热塑性树脂复合材料螺旋肋筋的制备装置包括成形部、成型部末端的预制肋缠绕固定部、预制肋缠绕固定部末端的二次熔融部和二次熔融部末端的牵引辊；
所述成型部由上模具和下模具组成，上模具和下模具合模后中间形成CFRTP筋的通道，所述成型部上模具和下模具中均匀布设有加热电偶棒；所述二次熔融部的结构与成型部的结构相同；
所述预制肋缠绕固定部包括固定用钢套筒、转动套筒、预制肋缠绕卷、缠绕肋导向环、从动齿轮、主动齿轮、传动链条、缠绕控制装置和电机，所述固定用钢套筒外套设有转动套筒，所述固定用钢套筒和转动套筒之间采用轴承连接，所述转动套筒轴向的一端焊有预制肋缠绕卷，所述转动套筒轴向的另一端焊有缠绕肋导向环，所述预制肋缠绕卷和缠绕肋导向环位于同一轴线，所述转动套筒轴向的中间位置处焊有从动齿轮，与从动齿轮对应的位置设有主动齿轮，主动齿轮连有电机，从动齿轮与主动齿轮之间通过传动链条连接，所述缠绕控制装置与电机连接。
进一步限定，所述成型部的上模具和下模具通过密封螺钉固定为一整体。
进一步限定，所述成型部上模具和下模具中均设有5～8个加热电偶棒。
进一步限定，所述固定用钢套筒的两端通过支撑部件固定于地面之上。
进一步限定，所述支撑部件为三角刚或钢管。
进一步限定，所述支撑部件与固定用钢套筒之间采用焊接。
进一步限定，所述二次熔融部中间的通道直径为成型部中间的CFRTP筋通道直径与1～1.5倍螺旋肋的(直径或厚度)之和。
进一步限定，所述预制肋缠绕卷两端设有挡片。
本发明的一种连续纤维增强热塑性树脂复合材料螺旋肋筋的制备方法按以下步骤进行：
步骤1：将纤维束依次穿过成型部中间的CFRTP筋通道、固定用钢套筒的通孔和二次熔融部中间的通道，在牵引辊的牵引下运动；
步骤2：开启成型部内的加热电偶棒，对成型部进行预热，在牵引辊的牵引下浸渍了热塑性树脂的纤维束进入成型部中间的CFRTP筋通道内，在成型部的出口端得到CFRTP筋；
步骤3：开启二次熔融部内的加热电偶棒，对二次熔融部进行预热，将螺旋肋缠绕在预制肋缠绕卷上，将螺旋肋端头穿过缠绕肋导向环并就近与CFRTP筋固定，然后经缠绕控制装置开启预制肋缠绕固定部，通过缠绕控制装置调节电机转速，以调节螺旋肋间距，已缠绕螺旋肋的CFRTP筋经牵引进入二次熔融部，在二次熔融部中保温，最后牵引出二次熔融部，冷却后，得到连续纤维增强热塑性树脂复合材料螺旋肋筋。
进一步限定，步骤1中所述纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或玄武岩纤维。
进一步限定，步骤2中所述热塑性树脂为聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰胺或聚醚醚酮。
进一步限定，步骤2中所述预热的温度比所述热塑性树脂的熔点高5～10℃。
进一步限定，步骤3中所述螺旋肋形状为带材，薄板材或棒材。
进一步限定，步骤3中将2～3条螺旋肋同时缠绕在预制肋缠绕卷上。
进一步限定，步骤3中所述螺旋肋间距为5mm～10mm。
进一步限定，步骤3中所述预热的温度比所述热塑性树脂的熔点高5～10℃。
进一步限定，制备过程中牵引辊牵引速率为0.3m/min～5m/min。
本发明与现有技术相比具有的显著效果：
1)本发明设计一种螺旋肋筋的连续缠绕装置及二次熔融加热模具，制备的CFRTP螺旋肋筋纤维扭结少、弯曲次应力小、整体性好、粘结强度高；有效解决了上述粘结力不足等问题，显著改善了混凝土结构的力学性能和服役寿命。
2)本发明预制CFRTP预浸带为螺旋肋，显著提高螺旋肋约束力、改善其表面耐磨损性能；且该制备工艺与CFRTP筋制备工艺衔接，可实现螺旋肋连续缠绕，制备长度不受限制，此外，螺旋肋截面大小及肋间距可根据应用需求进行调节，适用范围广。
3)本发明的装置中预制肋缠绕卷随从动齿轮同时转动，肋筋缠绕后不会发生扭结和弯曲，有效降低螺旋肋弯曲次应力；缠绕螺旋肋筋经二次熔融部加热，筋与肋表面热塑性树脂熔融，经模具孔壁挤压后冷却固化，使得螺旋肋筋整体性好，肋粘结强度高。
4)本发明的装置中，缠绕控制装置控制电机的开启、关机、转向及转速，通过控制电机转速可实现调节相邻螺旋肋间距的目的，二次熔融部温度范围为150～420℃(±1℃)，适用树脂基体多，各类纤维在该温度区间力学性能不会发生明显退化，适用纤维多。
5)本发明装置中成型部通道直径与二次熔融部通道直径相配合，实现了螺旋肋和筋部分熔融树脂在适宜的压力下接触，且模具对肋和筋表面的增强纤维无破坏。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为预制肋缠绕固定部的结构示意图；
图3为二次熔融部横剖面图；
其中1-成形部，2-预制肋缠绕固定部，3-二次熔融部，4-牵引辊，5-加热电偶棒，6-固定用钢套筒，7-转动套筒，8-预制肋缠绕卷，9-缠绕肋导向环，10-从动齿轮，11-主动齿轮，12-传动链条，13-缠绕控制装置，14-电机，15-密封螺钉，16-支撑部件，17-挡片，18-螺旋肋，19-CFRTP螺旋肋筋。
具体实施方式
实施例1、本实施例的一种连续纤维增强热塑性树脂复合材料螺旋肋筋的制备装置包括成形部1、成型部1末端的预制肋缠绕固定部2、预制肋缠绕固定部2末端的二次熔融部3和二次熔融部3末端的牵引辊4；
所述成型部1由上模具和下模具组成，上模具和下模具合模后中间形成CFRTP筋的通道，所述成型部1上模具和下模具中分别均匀布设有5个加热电偶棒5，所述成型部1的上模具和下模具通过密封螺钉15固定为一整体，所述成型部1中间的CFRTP筋通道直径为9mm；
所述二次熔融部3由上模具和下模具组成，上模具和下模具合模后中间形成CFRTP筋的通道，所述二次熔融部3上模具和下模具中分别均匀布设有5个加热电偶棒5，所述二次熔融部3的上模具和下模具通过密封螺钉15固定为一整体，所述二次熔融部3中间的通道直径为10mm；
所述预制肋缠绕固定部2包括固定用钢套筒6、转动套筒7、预制肋缠绕卷8、缠绕肋导向环9、从动齿轮10、主动齿轮11、传动链条12、缠绕控制装置13和电机14，所述固定用钢套筒6的两端通过焊接支撑部件16(多个三角刚和钢管)使其固定于地面之上，所述固定用钢套筒6外套设有转动套筒7，所述固定用钢套筒6和转动套筒7之间采用轴承连接，所述转动套筒7轴向的一端焊有预制肋缠绕卷8，所述转动套筒7轴向的另一端焊有缠绕肋导向环9，所述预制肋缠绕卷8和缠绕肋导向环9位于同一轴线，所述预制肋缠绕卷8两端设有挡片17，所述转动套筒7轴向的中间位置处焊有从动齿轮10，与从动齿轮10对应的位置设有主动齿轮11，主动齿轮11连有电机，从动齿轮10与主动齿轮11之间通过传动链条12连接，所述缠绕控制装置13与电机14连接。
实施例2、用实施例1所述的装置制备连续纤维增强聚丙烯复合材料螺旋肋筋的方法按以下步骤进行：
步骤1：将碳纤维束依次穿过成型部1中间的CFRTP筋通道、固定用钢套筒6的通孔和二次熔融部3中间的通道，在牵引辊4的牵引下运动，牵引速率为1m/min；
步骤2：开启成型部1内的加热电偶棒5，对成型部1进行预热，预热至195℃，在牵引辊4的牵引下浸渍了聚丙烯的碳纤维束进入成型部1中间的CFRTP筋通道内，在成型部1的出口端得到CFRTP筋(直径9mm)，牵引速率为1m/min；
步骤3：开启二次熔融部3内的加热电偶棒5，对二次熔融部3进行预热，预热至195℃，将3条螺旋肋带材(连续碳纤维增强聚丙烯复合材料带材，单层厚度为0.3mm，宽度为4mm)缠绕在预制肋缠绕卷8上，将螺旋肋端头穿过缠绕肋导向环9并就近与CFRTP筋固定，然后经缠绕控制装置13开启预制肋缠绕固定部2，通过缠绕控制装置13调节电机14转速，以调节螺旋肋间距至8mm，已缠绕螺旋肋的CFRTP筋经牵引进入二次熔融部3，在二次熔融部3中保温，最后牵引出二次熔融部3，冷却后，得到连续纤维增强热塑性树脂复合材料螺旋肋筋。
实施例3、用实施例1所述的装置制备连续纤维增强热塑性树脂复合材料螺旋肋筋的方法按以下步骤进行：
步骤1：将碳纤维束依次穿过成型部1中间的CFRTP筋通道、固定用钢套筒6的通孔和二次熔融部3中间的通道，在牵引辊4的牵引下运动，牵引速率为1m/min；
步骤2：开启成型部1内的加热电偶棒5，对成型部1进行预热，预热至225℃，在牵引辊4的牵引下浸渍了聚丙烯的碳纤维束进入成型部1中间的CFRTP筋通道内，在成型部1的出口端得到CFRTP筋(直径9mm)，牵引速率为1m/min；
步骤3：开启二次熔融部3内的加热电偶棒5，对二次熔融部3进行预热，预热至225℃，将3条螺旋肋带材(连续碳纤维增强尼龙6(PA6)复合材料带材，单层厚度为0.3mm，宽度为4mm)缠绕在预制肋缠绕卷8上，将螺旋肋端头穿过缠绕肋导向环9并就近与CFRTP筋固定，然后经缠绕控制装置13开启预制肋缠绕固定部2，通过缠绕控制装置13调节电机14转速，以调节螺旋肋间距至8mm，已缠绕螺旋肋的CFRTP筋经牵引进入二次熔融部3，在二次熔融部3中保温，最后牵引出二次熔融部3，冷却后，得到连续纤维增强热塑性树脂复合材料螺旋肋筋。
实施例4、本实施例的装置与实施例1不同的是：所述成型部1中间的CFRTP筋通道直径为6mm，所述二次熔融部3中间的通道直径为7mm。
实施例5、用实施例4所述的装置制备连续纤维增强尼龙复合材料螺旋肋筋的方法按以下步骤进行：
步骤1：将碳纤维束依次穿过成型部1中间的CFRTP筋通道、固定用钢套筒6的通孔和二次熔融部3中间的通道，在牵引辊4的牵引下运动，牵引速率为1m/min；
步骤2：开启成型部1内的加热电偶棒5，对成型部1进行预热，预热至225℃，在牵引辊4的牵引下浸渍了尼龙的碳纤维束进入成型部1中间的CFRTP筋通道内，在成型部1的出口端得到CFRTP筋(直径6mm)，牵引速率为1m/min；
步骤3：开启二次熔融部3内的加热电偶棒5，对二次熔融部3进行预热，预热至225℃，将3条螺旋肋带材(连续碳纤维增强尼龙6(PA6)复合材料带材，单层厚度为0.3mm，宽度为4mm)缠绕在预制肋缠绕卷8上，将螺旋肋端头穿过缠绕肋导向环9并就近与CFRTP筋固定，然后经缠绕控制装置13开启预制肋缠绕固定部2，通过缠绕控制装置13调节电机14转速，以调节螺旋肋间距至8mm，已缠绕螺旋肋的CFRTP筋经牵引进入二次熔融部3，在二次熔融部3中保温，最后牵引出二次熔融部3，冷却后，得到连续纤维增强热塑性树脂复合材料螺旋肋筋。

Claims (10)

1.一种连续纤维增强热塑性树脂复合材料螺旋肋筋的制备装置，其特征在于，该装置包括成型 部(1)、成型部(1)末端的预制肋缠绕固定部(2)、预制肋缠绕固定部(2)末端的二次熔融部(3)和二次熔融部(3)末端的牵引辊(4)；
所述成型部(1)由上模具和下模具组成，上模具和下模具合模后中间形成CFRTP筋的通道，所述成型部(1)上模具和下模具中均匀布设有加热电偶棒(5)；所述二次熔融部(3)的结构与成型部(1)的结构相同；
所述预制肋缠绕固定部(2)包括固定用钢套筒(6)、转动套筒(7)、预制肋缠绕卷(8)、缠绕肋导向环(9)、从动齿轮(10)、主动齿轮(11)、传动链条(12)、缠绕控制装置(13)和电机(14)，所述固定用钢套筒(6)外套设有转动套筒(7)，所述固定用钢套筒(6)和转动套筒(7)之间采用轴承连接，所述转动套筒(7)轴向的一端焊有预制肋缠绕卷(8)，所述转动套筒(7)轴向的另一端焊有缠绕肋导向环(9)，所述预制肋缠绕卷(8)和缠绕肋导向环(9)位于同一轴线，所述转动套筒(7)轴向的中间位置处焊有从动齿轮(10)，与从动齿轮(10)对应的位置设有主动齿轮(11)，主动齿轮(11)连有电机，从动齿轮(10)与主动齿轮(11)之间通过传动链条(12)连接。
2.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强热塑性树脂复合材料螺旋肋筋的制备装置，其特征在于，所述成型部(1)的上模具和下模具通过密封螺钉(15)固定为一整体，所述成型部(1)上模具和下模具中均设有5～8个加热电偶棒(5)。
3.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强热塑性树脂复合材料螺旋肋筋的制备装置，其特征在于，所述固定用钢套筒(6)的两端通过支撑部件(16)固定于地面之上，所述支撑部件(16)与固定用钢套筒(6)之间采用焊接。
4.根据权利要求3所述的一种连续纤维增强热塑性树脂复合材料螺旋肋筋的制备装置，其特征在于，所述支撑部件(16)为三角刚或钢管。
5.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强热塑性树脂复合材料螺旋肋筋的制备装置，其特征在于，所述二次熔融部(3)中间的通道直径为成型部(1)中间的CFRTP筋通道直径与1～1.5倍螺旋肋的直径或厚度之和，所述预制肋缠绕卷(8)两端设有挡片(17)。
6.利用如权利要求1-5任意一项权利要求所述的装置制备连续纤维增强热塑性树脂复合材料螺旋肋筋的方法，其特征在于，该制备方法按以下步骤进行：
步骤1：将纤维束依次穿过成型部(1)中间的CFRTP筋通道、固定用钢套筒(6)的通孔和二次熔融部(3)中间的通道，在牵引辊(4)的牵引下运动；
步骤2：开启成型部(1)内的加热电偶棒(5)，对成型部(1)进行预热，在牵引辊(4)的牵引下浸渍了热塑性树脂的纤维束进入成型部(1)中间的CFRTP筋通道内，在成型部(1)的出口端得到CFRTP筋；
步骤3：开启二次熔融部(3)内的加热电偶棒(5)，对二次熔融部(3)进行预热，将螺旋肋缠绕在预制肋缠绕卷(8)上，将螺旋肋端头穿过缠绕肋导向环(9)并就近与CFRTP筋固定，然后经缠绕控制装置(13)开启预制肋缠绕固定部(2)，通过缠绕控制装置(13)调节电机(14)转速，以调节螺旋肋间距，已缠绕螺旋肋的CFRTP筋经牵引进入二次熔融部(3)，在二次熔融部(3)中保温，最后牵引出二次熔融部(3)，冷却后，得到连续纤维增强热塑性树脂复合材料螺旋肋筋。
7.根据权利要求6所述的一种连续纤维增强热塑性树脂复合材料螺旋肋筋的制备方法，其特征在于，步骤1中所述纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或玄武岩纤维。
8.根据权利要求6所述的一种连续纤维增强热塑性树脂复合材料螺旋肋筋的制备方法，其特征在于，步骤2中所述热塑性树脂为聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰胺或聚醚醚酮，步骤2和步骤3中所述预热的温度均比所述热塑性树脂的熔点高5～10℃。
9.根据权利要求6所述的一种连续纤维增强热塑性树脂复合材料螺旋肋筋的制备方法，其特征在于，步骤3中所述螺旋肋形状为带材，薄板材或棒材，步骤3中将2～3条螺旋肋同时缠绕在预制肋缠绕卷(8)上，步骤3中所述螺旋肋间距为5mm～10mm。
10.根据权利要求6所述的一种连续纤维增强热塑性树脂复合材料螺旋肋筋的制备方法，其特征在于，制备过程中牵引辊(4)牵引速率为0.3m/min～5m/min。
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