CN113968030A - 一种水下保护罩及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种水下保护罩及其制备方法，水下保护罩包括由内向外依次设置的：复合材料结构层，复合材料结构层的增强材料为玻璃纤维织物，复合材料结构层的树脂材料为乙烯基树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂中的一种或几种的混合；耐水结构层，耐水结构层的增强材料为玻璃纤维表面毡或短切毡，耐水结构层的树脂材料为乙烯基树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂中的一种或几种的混合；耐水涂层。该水下保护罩通过内层的复合材料结构层、中层的耐水结构层、外层的耐水涂层的结构，使水下保护罩的耐腐蚀性能进一步提高，并通过对各层的增强材料、树脂材料的进一步改进，使其在长度、宽度方向上的结构强度更适于其使用中不同方向上所承受的载荷。
Description
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种水下保护罩及其制备方法。
背景技术
水下设施保护罩可保护水下油气设施，防止落物或渔网拖挂，使油气设施受损产生漏油，造成环境污染和经济损失。
目前国内水下油气设施保护罩采用钢结构保护罩，产品不耐腐蚀，往往需要通过增加阳极块进行防腐，且重量大，安装及维护成本高。而复合材料水下保护罩具有轻质高强、耐水腐蚀的性能优点。如中国专利文献CN109898559A公开了一种水下设施保护罩，采用纤维增强树脂复合材料制成，相比于钢结构保护罩，其耐腐蚀性提高，质量减轻，但是该保护罩的结构强度与耐腐蚀效果有限，仍需进一步提高。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种水下保护罩及其制备方法，通过内层的复合材料结构层、中层的耐水结构层、外层的耐水涂层的结构，使水下保护罩的耐腐蚀性能进一步提高，并通过对各层的增强材料、树脂材料的进一步改进，使其在长度、宽度方向上的结构强度更适于其使用中不同方向上所承受的载荷。
为了解决上述问题，本发明的一个方面提供一种水下保护罩，包括由内向外依次设置的：
复合材料结构层，所述复合材料结构层的增强材料为玻璃纤维织物，所述复合材料结构层的树脂材料为乙烯基树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂中的一种或几种的混合；
耐水结构层，所述耐水结构层的增强材料为玻璃纤维表面毡或短切毡，所述耐水结构层的树脂材料为乙烯基树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂中的一种或几种的混合；
耐水涂层。
本发明的水下保护罩，相比于钢结构保护罩，其具有质量轻、耐海水腐蚀、可设计性强、防微生物附着、运输安装成本低等优点，在水下保护罩方面的应用前景广阔。进一步地，本发明的复合材料结构层为保护罩提供强度性能；耐水结构层使用玻璃纤维表面毡或短切毡为增强材料，为保护罩提供耐水性能；耐水涂层可进一步保护耐水结构层，使保护罩的耐腐蚀性能进一步提高。
优选地，所述复合材料结构层的增强材料为双轴复合毡。双轴复合毡是由玻璃纤维以0度和90度两种不同方向编织形成的织物，采用双轴的复合毡，可以对0度和90度方向的玻纤含量进行设计，由此可进行0度和90度方向强度的调节。由于长方形结构的增强材料在长度方向容易产生变形，所以需要进行一定的设计补强，采用双轴复合毡可以通过玻纤含量进行补强。而采用毡的目的是可以形成富树脂，增强各层玻纤布之间界面的粘接强度。
优选地，所述双轴复合毡中，0°方向的玻璃纤维占质量比为45％-75％、90°方向玻璃纤维占质量比为20％-45％，短切丝在混杂方向占质量比为3％-10％。0°和90°方向的不同纤维含量，可形成不同强度性能，更有利于长度和宽度方向承受的不同载荷；而短切丝可形成富树脂层，有利于玻纤织物的界面粘接和富树脂层，达到较好的耐水腐蚀效果。
优选地，所述双轴复合毡中，0°方向的玻璃纤维占质量比为70％、90°方向玻璃纤维占质量比为25％，短切丝在混杂方向占质量比为5％。经大量实验尝试发现，双轴复合毡采用上述的玻璃纤维配比时，可使其在不同方向上的强度性能与其实际应用时的载荷更匹配，且耐水腐蚀效果最好。
优选地，所述耐水涂层为树脂胶衣、聚脲中的一种或两种的组合。
优选地，所述复合材料结构层的厚度为24-60mm；
所述耐水结构层的厚度为0.5-3mm；
所述耐水涂层的厚度为0.2-2mm。
本发明的水下保护罩，各结构层采用上述厚度时，可使其强度性能、耐水腐蚀性能最佳。
优选地，还包括：
泡沫夹心层，所述泡沫夹心层设于所述复合材料结构层的内侧；所述泡沫夹心层为聚氨酯泡沫、PVC泡沫中的一种或两种的组合。
可在水下保护罩的加强筋处增设泡沫夹心层，提高其加强筋处的强度。
本发明的另一方面提供一种制备上述的水下保护罩的方法，包括以下步骤：
S1.在模具表面喷涂耐水材料，形成所述耐水涂层；
S2.在所述耐水涂层的表面铺覆所述耐水结构层的增强材料，然后真空灌注所述耐水结构层的树脂材料，并成型，形成所述耐水结构层；
S3.在所述耐水结构层的表面铺覆所述复合材料结构层的增强材料，然后真空灌注所述复合材料结构层的树脂材料，并成型，形成所述复合材料结构层。
优选地，还包括：在步骤S1之前，在所述模具上产品的边缘位置安装封边工装，在步骤S2、S3时，将所述耐水结构层的增强材料、所述复合材料结构层的增强材料铺覆至所述封边工装边缘，真空灌注所述耐水结构层的树脂材料、所述复合材料结构层的树脂材料，使所述水下保护罩的外边缘与所述水下保护罩的本体结构一体成型。
优选地，还包括：在步骤S1之前，在所述模具上涂覆抛光膏，并清洁干净，然后依次涂覆洁模水、封孔剂、脱模剂。
优选地，具体包括以下步骤：
S0a.制作与产品外形匹配的模具，在产品的边缘位置安装封边工装；
S0b.在模具表面涂覆抛光膏，并清洁干净；然后在模具表面依次涂覆2次洁模水、2次封孔剂和4次脱模剂；
S1.在模具表面喷涂耐水材料，形成所述耐水涂层；或不在所述模具表面喷涂耐水材料，在所述耐水结构层、所述复合材料结构层成型后，对所述耐水结构层的表面进行打磨，在所述耐水结构层表面喷涂耐水材料；
S2.根据水下保护罩的厚度和增强材料的克重，计算增强材料的铺层层数，在所述耐水涂层的表面或所述模具的表面铺覆相应层数的所述耐水结构层的增强材料，耐水结构层的增强材料铺放到封边工装边缘，然后真空灌注耐水结构层的树脂材料，并成型，形成所述耐水结构层；
S3a.在所述耐水结构层的表面铺覆所述复合材料结构层的增强材料，带毡玻璃纤维织物带毡的一侧朝下，复合材料结构层的增强材料铺放到封边工装边缘；
S3b.在所述复合材料结构层的增强材料上方依次铺放：脱模布、导流网、注胶管、第一吸胶管和第一真空膜；所述注胶管等间距的排布在所述导流网的上方；注胶管与第一吸胶管设置在所述导流网的边缘部位；所述第一真空膜用于将模腔的上端开口密封；在第一真空膜上方依次铺放透气毡、第二吸胶管和第二真空膜，透气毡呈S状排布，第二吸胶管与透气毡相连，所述第二真空膜用于将模腔的上端开口密封；
S3c.通过所述注胶管向所述模腔内导入复合材料结构层的树脂材料，所述第一吸胶管、第二吸胶管在所述注胶管导入复合材料结构层的树脂材料前实施抽吸，为所述复合材料结构层的树脂材料在所述模腔内均匀分布提供足够的负压；注塑完毕后根据相应固化温度进行固化成型；
S4.将产品表面的第一真空膜、第二真空膜、第一吸胶管、第二吸胶管、注胶管、导流网、脱模布撕掉，并将产品表面缺陷部位进行打磨处理；
S5.将产品从模具中脱出。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明的水下保护罩，相比于钢结构保护罩，其具有质量轻、耐海水腐蚀、可设计性强、防微生物附着、运输安装成本低等优点，在水下保护罩方面的应用前景广阔；其中，复合材料结构层为保护罩提供强度性能；耐水结构层使用玻璃纤维表面毡或短切毡为增强材料，为保护罩提供耐水性能；耐水涂层可进一步保护耐水结构层，使保护罩的耐腐蚀性能进一步提高；
2.本发明的水下保护罩，复合材料结构层的增强材料采用双轴复合毡，双轴复合毡是由玻璃纤维以两种不同方向编织形成的织物，采用双轴复合毡可使复合材料结构层在不同方向上均具有一定的强度性能；本发明还进一步调节了双轴复合毡中各不同方向纤维占比，更有利于长度和宽度方向承受的不同载荷；短切丝可形成富树脂层，有利于玻纤织物的界面粘接和富树脂层，达到较好的耐水腐蚀效果；
3.本发明的水下保护罩的制备方法，复合材料结构层和耐水结构层采用真空灌注成型工艺，产品的边界通过模具工装设计，可与产品一体成型，封边自成型，避免复合材料翻边切割成型而存在的切割界面。
附图说明
图1是本发明实施例所述的水下保护罩的结构示意图；
图2是本发明实施例所述的水下保护罩中加强筋处的结构示意图；
图3是本发明实施例所述的水下保护罩的模具安装示意图。
其中：1-复合材料结构层；2-耐水结构层；3-耐水涂层；4-泡沫夹心层；5-模具；6-封边工装。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
实施例1
如图1所示，本实施例所述的一种水下保护罩，包括由内向外依次设置的：
复合材料结构层1，所述复合材料结构层的增强材料为玻璃纤维织物，具体地，为双轴复合毡，且双轴复合毡中，0°方向的玻璃纤维占质量比为70％、90°方向玻璃纤维占质量比为25％，短切丝在混杂方向占质量比为5％；所述复合材料结构层的树脂材料为环氧双酚A乙烯基树脂；所述复合材料结构层的厚度为36mm；
耐水结构层2，所述耐水结构层的增强材料为玻璃纤维表面毡，所述耐水结构层的树脂材料为环氧双酚A乙烯基树脂；所述耐水结构层的厚度为1mm；
耐水涂层3，所述耐水涂层为树脂胶衣；所述耐水涂层的厚度为1mm。
如图2所示，进一步地，在该水下保护罩的增强筋处，还设有泡沫夹心层4，泡沫夹心层4设于所述复合材料结构层1的内侧；所述泡沫夹心层为聚氨酯泡沫。
本实施例的水下保护罩的制备方法，包括以下步骤：
S0a.制作与产品外形匹配的模具，在产品的边缘位置安装封边工装，如图3所示；
S0b.在模具表面涂覆抛光膏，并清洁干净；然后在模具表面依次涂覆2次洁模水、2次封孔剂和4次脱模剂；
S1.在模具表面喷涂耐水材料，形成所述耐水涂层；
S2.根据水下保护罩的厚度和增强材料的克重，计算增强材料的铺层层数，在所述耐水涂层的表面铺覆相应层数的所述耐水结构层的增强材料，耐水结构层的增强材料铺放到封边工装边缘，然后真空灌注耐水结构层的树脂材料，并成型，形成所述耐水结构层；
S3a.在所述耐水结构层的表面铺覆所述复合材料结构层的增强材料，带毡玻璃纤维织物带毡的一侧朝下，复合材料结构层的增强材料铺放到封边工装边缘；
S3b.在所述复合材料结构层的增强材料上方依次铺放：脱模布、导流网、注胶管、第一吸胶管和第一真空膜；所述注胶管等间距的排布在所述导流网的上方；注胶管与第一吸胶管设置在所述导流网的边缘部位；所述第一真空膜用于将模腔的上端开口密封；在第一真空膜上方依次铺放透气毡、第二吸胶管和第二真空膜，透气毡呈S状排布，第二吸胶管与透气毡相连，所述第二真空膜用于将模腔的上端开口密封；
S3c.通过所述注胶管向所述模腔内导入复合材料结构层的树脂材料，所述第一吸胶管、第二吸胶管在所述注胶管导入复合材料结构层的树脂材料前实施抽吸，为所述复合材料结构层的树脂材料在所述模腔内均匀分布提供足够的负压；注塑完毕后根据相应固化温度进行固化成型；
S4.将产品表面的第一真空膜、第二真空膜、第一吸胶管、第二吸胶管、注胶管、导流网、脱模布撕掉，并将产品表面缺陷部位进行打磨处理；
S5.将产品从模具中脱出，得到所述水下保护罩。
实施例2
本实施例所述的一种水下保护罩，包括由内向外依次设置的：
复合材料结构层1，所述复合材料结构层的增强材料为玻璃纤维织物，具体地，为双轴复合毡，且双轴复合毡中，0°方向的玻璃纤维占质量比为70％、90°方向玻璃纤维占质量比为25％，短切丝在混杂方向占质量比为5％；所述复合材料结构层的树脂材料为多环戊二烯不饱和聚酯树脂；所述复合材料结构层的厚度为36mm；
耐水结构层2，所述耐水结构层的增强材料为短切毡，所述耐水结构层的树脂材料为多环戊二烯不饱和聚酯树脂；所述耐水结构层的厚度为0.8mm；
耐水涂层3，所述耐水涂层为聚脲；所述耐水涂层的厚度为1.5mm。
进一步地，在该水下保护罩的增强筋处，还设有泡沫夹心层4，泡沫夹心层4设于所述复合材料结构层1的内侧；所述泡沫夹心层为PVC泡沫。
本实施例的水下保护罩的制备方法，包括以下步骤：
S0a.制作与产品外形匹配的模具，在产品的边缘位置安装封边工装；
S0b.在模具表面涂覆抛光膏，并清洁干净；然后在模具表面依次涂覆2次洁模水、2次封孔剂和4次脱模剂；
S2.根据水下保护罩的厚度和增强材料的克重，计算增强材料的铺层层数，在所述模具的表面铺覆相应层数的所述耐水结构层的增强材料，耐水结构层的增强材料铺放到封边工装边缘，然后真空灌注耐水结构层的树脂材料，并成型，形成所述耐水结构层；
S3a.在所述耐水结构层的表面铺覆所述复合材料结构层的增强材料，带毡玻璃纤维织物带毡的一侧朝下，复合材料结构层的增强材料铺放到封边工装边缘；
S3b.在所述复合材料结构层的增强材料上方依次铺放：脱模布、导流网、注胶管、第一吸胶管和第一真空膜；所述注胶管等间距的排布在所述导流网的上方；注胶管与第一吸胶管设置在所述导流网的边缘部位；所述第一真空膜用于将模腔的上端开口密封；在第一真空膜上方依次铺放透气毡、第二吸胶管和第二真空膜，透气毡呈S状排布，第二吸胶管与透气毡相连，所述第二真空膜用于将模腔的上端开口密封；
S3c.通过所述注胶管向所述模腔内导入复合材料结构层的树脂材料，所述第一吸胶管、第二吸胶管在所述注胶管导入复合材料结构层的树脂材料前实施抽吸，为所述复合材料结构层的树脂材料在所述模腔内均匀分布提供足够的负压；注塑完毕后根据相应固化温度进行固化成型；
S4.将产品表面的第一真空膜、第二真空膜、第一吸胶管、第二吸胶管、注胶管、导流网、脱模布撕掉，并将产品表面缺陷部位进行打磨处理；
S4a.在所述耐水结构层表面喷涂耐水材料；
S5.将产品从模具中脱出，得到所述水下保护罩。
实施例3
本实施例所述的一种水下保护罩，包括由内向外依次设置的：
复合材料结构层1，所述复合材料结构层的增强材料为玻璃纤维织物，具体地，为双轴复合毡，且双轴复合毡中，0°方向的玻璃纤维占质量比为70％、90°方向玻璃纤维占质量比为25％，短切丝在混杂方向占质量比为5％；所述复合材料结构层的树脂材料为环氧树脂；所述复合材料结构层的厚度为36mm；
耐水结构层2，所述耐水结构层的增强材料为表面毡，所述耐水结构层的树脂材料为环氧树脂；所述耐水结构层的厚度为0.5mm；
耐水涂层3，所述耐水涂层为树脂胶衣；所述耐水涂层的厚度为0.8mm。
进一步地，在该水下保护罩的增强筋处，还设有泡沫夹心层4，泡沫夹心层4设于所述复合材料结构层1的内侧；所述泡沫夹心层为聚氨酯泡沫。
本实施例的水下保护罩的制备方法与实施例1相同。
实施例4
本实施例所述的一种水下保护罩，其余结构与实施例1中均相同，区别在于，复合材料结构层的增强材料为双轴布，0°和90°纤维含量均为50％。
实施例5
本实施例所述的一种水下保护罩，其余结构与实施例1中均相同，区别在于，复合材料结构层的增强材料为双轴复合毡，且双轴复合毡中，0°方向的玻璃纤维占质量比为47％、90°方向玻璃纤维占质量比为45％，短切丝在混杂方向占质量比为8％。
实施例6
本实施例所述的一种水下保护罩，其余结构与实施例1中均相同，区别在于，复合材料结构层的增强材料为双轴复合毡，且双轴复合毡中，0°方向的玻璃纤维占质量比为60％、90°方向玻璃纤维占质量比为37％，短切丝在混杂方向占质量比为3％。
实施例7
本实施例所述的一种水下保护罩，其余结构与实施例1中均相同，区别在于，复合材料结构层的增强材料为双轴复合毡，且双轴复合毡中，0°方向的玻璃纤维占质量比为85％、90°方向玻璃纤维占质量比为13％，短切丝在混杂方向占质量比为2％。
水下保护罩的性能测试
对上述各实施例的水下保护罩的强度性能和耐腐蚀性能进行测试，测试方法为将各实施例测试试样在海水环境中浸泡一定时间，分别测试吸水率(规范D570-98)、拉伸强度和模量(标准ASTM D3039)、压缩强度和模量(标准ASTM D6641)、剪切强度和模量数据(标准ASTM D2344)数据，选取试样未浸泡海水和海水浸泡360天的性能数据作为材料的性能参数，将本保护罩结构(长宽约1.7:1)依据吊装、防护落物等工况载荷进行计算分析，得出上述实例的安全比例(数值＜1为满足要求)数据如下表1。安全比例又称许用值，是分别将结构在X、Y、Z三个方向的拉伸、压缩、剪切的弹性模量、强度等参数输入到有限元分析软件根据产品尺寸和吊装、落物冲击等工况的计算结果，相比于单独对比材料的拉伸强度、压缩强度、剪切强度，这个结果可以更好的体现水下保护罩的综合性能。由下表1可以看出，本发明的水下保护罩的安全比例均小于1，满足使用要求，其中，实施例1、2、3、5、6为优选的实施例，安全性能相较于其他实施例更好，实施例4的增强材料不采用双轴复合毡，其性能较其他实施例差，而实施例7的各方向纤维占比不是优选范围，性能差于实施例1、2、3、5、6，实施例1、2、3、5、6中实施例1为最优选的实施方式。
表1安全比例分析结果
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种水下保护罩，其特征在于，包括由内向外依次设置的：
复合材料结构层，所述复合材料结构层的增强材料为玻璃纤维织物，所述复合材料结构层的树脂材料为乙烯基树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂中的一种或几种的混合；
耐水结构层，所述耐水结构层的增强材料为玻璃纤维表面毡或短切毡，所述耐水结构层的树脂材料为乙烯基树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂中的一种或几种的混合；
耐水涂层。
2.根据权利要求1所述的水下保护罩，其特征在于：
所述复合材料结构层的增强材料为双轴复合毡。
3.根据权利要求2所述的水下保护罩，其特征在于：
所述双轴复合毡中，0°方向的玻璃纤维占质量比为45％-75％、90°方向玻璃纤维占质量比为20％-45％，短切丝在混杂方向占质量比为3％-10％。
4.根据权利要求3所述的水下保护罩，其特征在于：
所述双轴复合毡中，0°方向的玻璃纤维占质量比为70％、90°方向玻璃纤维占质量比为25％，短切丝在混杂方向占质量比为5％。
5.根据权利要求3所述的水下保护罩，其特征在于：
所述耐水涂层为树脂胶衣、聚脲中的一种或两种的组合。
6.根据权利要求1所述的水下保护罩，其特征在于：
所述复合材料结构层的厚度为24-60mm；
所述耐水结构层的厚度为0.5-3mm；
所述耐水涂层的厚度为0.2-2mm。
7.根据权利要求1所述的水下保护罩，其特征在于，还包括：
泡沫夹心层，所述泡沫夹心层设于所述复合材料结构层的内侧；所述泡沫夹心层为聚氨酯泡沫、PVC泡沫中的一种或两种的组合。
8.一种制备如权利要求1-7任一所述的水下保护罩的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.在模具表面喷涂耐水材料，形成所述耐水涂层；
S2.在所述耐水涂层的表面铺覆所述耐水结构层的增强材料，然后真空灌注所述耐水结构层的树脂材料，并成型，形成所述耐水结构层；
S3.在所述耐水结构层的表面铺覆所述复合材料结构层的增强材料，然后真空灌注所述复合材料结构层的树脂材料，并成型，形成所述复合材料结构层。
9.根据权利要求8所述的制备水下保护罩的方法，其特征在于，
还包括：在步骤S1之前，在所述模具上产品的边缘位置安装封边工装，在步骤S2、S3时，将所述耐水结构层的增强材料、所述复合材料结构层的增强材料铺覆至所述封边工装边缘，真空灌注所述耐水结构层的树脂材料、所述复合材料结构层的树脂材料，使所述水下保护罩的外边缘与所述水下保护罩的本体结构一体成型。
10.根据权利要求8所述的制备水下保护罩的方法，其特征在于，
还包括：在步骤S1之前，在所述模具上涂覆抛光膏，并清洁干净，然后依次涂覆洁模水、封孔剂、脱模剂。
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