CN114150418A - 纤维复合材料集装箱框架构件及其制造方法 - Google Patents

纤维复合材料集装箱框架构件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纤维复合材料集装箱框架构件及其制造方法，该集装箱框架构件是将芯层增强体经热定型、浸渍和涂敷聚四氟乙烯乳液后成型、加热固化制备成“C”型、“Z”型或“口”型截面的框架构件；其中，芯层增强体以高性能纤维为原材料，采用多种类高性能纤维纱线多层水平以00、900、+450、‑450角直线排列，纵向捆绑成整体的编织方法，或采用X轴向、Y轴向或Z轴向正交结构机织而成。本发明能有效地发挥高性能纤维材料优异的表观特征，在同样的性能要求下，能减轻集装箱自身质量20‑35％，显著减少运输成本，节省油料的消耗，减少CO2的排放，能产生巨大的经济效益和社会效益。

Description

纤维复合材料集装箱框架构件及其制造方法
技术领域
本发明属于纺织技术领域，具体涉及一种纤维材料生产集装箱框架构件的复合技术，具体说是一种纤维复合材料集装箱框架构件及其制造方法。
背景技术
根据ISO/TC-104标准、GB/T1413-2008《系列1集装箱的分类、尺寸和额定质量》标准、ISO1495-1《集装箱技术要求和试验方法第1部分：通用集装箱》标准等要求，集装箱必须具备堆码能力、拴固能力、承载能力、刚性、风雨密性能力等，并确定标准集装箱载重量不超过30吨。
传统集装箱通常是长方体结构，除集装箱底板为竹木材质外，其它所有零部件，如角件、角柱、门楣、、门槛、箱门、顶侧梁、底侧梁、侧板、上端梁、下端梁、端板、顶板、地板、底横梁等均为铁质材料。其中箱门、侧壁、箱顶、箱底为耐候波纹钢板，角柱、顶侧梁、底侧梁、上、下端梁、底横梁一般用“C”、“Z”或“工”形的型钢或其它断面的型钢制造。铁质材料比重大，刚度大，是集装箱能起到必备的承载能力，刚性能力和风雨密性能力的主要材料，但同时也是造成集装箱自重过大的必然因素。
发明内容
本发明的目的是提供一种纤维复合材料集装箱框架构件(包括角柱、顶侧梁、底侧梁、上、下端梁及侧壁、端壁、箱顶、箱底的背梁)，该框架构件具有结构合理，较轻的质量，较强的承载力及耐气候稳定性等特点。
本发明的另一个目的是提供纤维复合材料集装箱框架构件的制造方法。
本发明同时也适用于特种集装箱，如角柱式折叠平板集装箱立柱等构件的制造。
本发明的目的是通过以下方式实现的：
一种纤维复合材料集装箱框架构件，该集装箱框架构件是将芯层增强体经热定型、浸渍和涂敷聚四氟乙烯乳液后成型、加热固化制备成“C”型、“Z”型或“口”型截面的框架构件；其中，芯层增强体以高性能纤维为原材料，采用多种类高性能纤维纱线多层水平以00、900、+450、-450角直线排列，纵向捆绑成整体的编织方法，或采用X轴向、Y轴向或Z轴向正交结构机织而成。上述纤维复合材料集装箱框架构件一次成型，碳纤维等轻质纤维材料体积分数在40％-65％，自重减少30％左右。
所述框架构件的厚度为3-108mm。
框架构件也可和主体部件一样，呈现相同的色泽。
本发明所述的纤维复合材料集装箱框架构件制造工艺过程包括：
(1)芯层增强体的制造及热定型；
(2)芯层增强体的浸渍或涂敷；
(3)框架构件的成型。
所述的芯层增强体的制造有经编编织和多剑杆织造两种方法。经编织造采用的织造材料可以是高性能纤维或普通合成纤维长丝或短纤维纱线，如500dtex-5000dtex的高强粗旦涤纶长丝，500dtex-20000dtex的粗旦玻纤长丝，大、小丝束碳纤维长丝、碳纤维预浸料，1.0dtex-7.0dtexⅹ10-75mm的高性能纤维及高性能纤维制品回收再生短纤维纱线，也可以是石墨烯、玄武岩纤维、高强聚乙烯纤维、聚四氟乙烯纤维、聚苯硫醚纤维等纱线；也可以是纤维网如聚酯、聚丙烯纺粘、熔喷非织造布、碳纤维短切纤维网等；3-7层不同种类的纱线完全平行伸直，每层纱线以900/00/-450/+450的不同角度排列，质量为80-700g/m2，同层纱线之间等间距间隔0.5-5mm，多层不同材质、不同性能的纱线及纤维网，通过纵向的捆绑纱绑缚成一个整体。
多剑杆制造采用高性能纤维长丝为原料，使用多经轴、多综眼综丝形成多层梭口，进行二层或多层织造，用接经纱将上、下层或多层织物整体联结成立体织物。芯层增强体截面可为“I”字型、“T”字型或其它异型形状。
“I”字型截面的型材织物是使用上、下层两个独立的引纬系统投纬，与上、下层地组织经纱，上下层织物的接经纱三维交织成面对面的双层织物。
经纱和纬纱可采用，大、小丝束碳纤维长丝，500dtex-5000dtex的高强粗旦涤纶长丝，接经纱可采用50dtex-500dtex尼龙纤维，1500dtex-3000dtex高强涤纶长丝。“T”字形截面的型材，先由两片综框上、下交织运动，形成横向部分，再通过另外两片综框上、下交织，形成“T”型织物具有高度方向的整体部分。如大、小丝束的碳纤维长丝，也可用500dtex-20000dtex的粗旦玻纤长丝，或500dtex-5000dtex的高强粗旦涤纶长丝。整体使用同一种原材料。
集装箱框架构件中，连接顶角件与底角件的角柱，是承受集装箱堆码载荷的高强度构件，上端梁、下端梁是位于箱体前后端部与左右角柱连接的横向构件，顶侧梁、底侧梁为箱壁顶部及底部与前后顶角件连接的纵向结构件，也是承重的主体构件，背梁位于侧壁、端壁及箱顶、箱底等主体部件背面，起到支撑和承重的作用。根据ISO/TC-104标准、GB/T1414-2008《系列1集装箱的分类、尺寸和额定质量》标准、ISO1495-1《集装箱技术要求和试验方法第1部分：通用集装箱》标准中对顶部构件、底部构件及连接顶部和底部的角柱的要求进行结构方案的设计，选用框架构件为“口”型或“C”型的截面形状。既可以在经编编织机上制造，也可以在剑杆织机上制造。“口”型截面规格为150-250ⅹ(100-150)ⅹ(3-6)mm，“C”型截面规格为100-122ⅹ(70-80)ⅹ(20-35)mmⅹ/(40-50)mm。在经编机上编织或在剑杆织机上织造芯层增强体时，织造门幅为框架构件的长度方向。
受设备幅宽的限制，40尺柜的顶侧梁及底侧梁需采用两块芯层增强体，对端面进行焊接连接。焊接时一块芯层增强体的端面剪成锯齿状，和另一块芯层增强体的平接口进行平面焊接，焊接接缝不小于50mm。
纱线层及织物层增强体采用合成纤维为原材料，需要在热定型机上进行定型处理，使纤维中的大分子在热空气及纵、横向力的作用下，沿轴向进行定向排列，消除内应力，增强纤维表观特征。
热定型工艺条件：定型温度300-350℃，定型时间15-45秒。
所述的芯层增强体浸渍与涂敷是将已进行定型处理的芯层增强体通过浸渍粘胶剂乳液，使乳液进入较疏松的多层纱线或立体织物的纱线之间、经纬纱交织点间隙，成为柔性卷材，继而在增强体两面涂敷聚四氟乙烯乳液，经固化成为硬质板材的过程。
浸渍和涂敷可用两种乳液分两步分别进行，也可以采用一种乳液。
浸渍粘胶剂过程可分为乳液的配制和浸渍两步。
粘胶剂乳液的配制：聚丙烯酸酯乳液32％，交联剂P 4.3％，非离子型表面活性剂平平加O 0.5％，氨水1.5％，余量为水相混和，充分搅拌，制成乳液。
芯层增强体的浸渍在浸渍机上进行，将已调配好的粘胶剂乳液倒入浸渍槽中，芯层增强体在浸渍槽中浸渍粘胶剂乳液，浸渍后进入烘干区。浸渍工艺：浸渍时间1-2分钟，浸渍温度35-50℃，出口轧辊轧液率110-120％，烘干温度130-150℃，浸渍后的芯层增强体增重10-40％。
涂敷过程可分为乳液的配制和涂敷两步。
聚四氟乙烯乳液的配制：将固体含量为50-60％的聚四氟乙烯分散乳液，加入其质量的20％-30％的蒸馏水混合，稀释后加入占聚四氟乙烯分散乳液0.5-1％的OBS(全氟壬烯氧基苯磺酸钠)，2-5％的渗透剂，1-3％的分散剂，充分搅拌混和，即制成聚四氟乙烯乳液。
浸渍和涂敷也可以都为聚四氟乙烯乳液。
芯层增强体的涂敷：先根据集装箱框架构件的尺寸，如角柱采用150ⅹ150ⅹ6mm的方管，在已经过浸渍、烘干的增强体卷材中截取2896(角柱的高度)ⅹ650mm(角柱外围+预留接口)条状，待用。根据所制作的集装箱框架构件展开后的尺寸一样的平面模具，如角柱模具为2896(角柱的高度)ⅹ650mm，高度为10-20mm。在模具里层涂一层脱模剂，将涂敷一层或多层已调配好的聚四氟乙烯分散乳液，将预先制作好的条状增强体放进模具，在其表面涂敷一层或多层聚四氟乙烯分散乳液，通过热压，自然状况下固化1-1.5h，脱模成柔性卷材。涂敷工序由机械臂自动完成。
所述的框架构件成型是和涂敷过程同步进行的。先制作和集装箱框架构件尺寸相同的立体框架构件模具，在模具立柱的外侧面涂一层脱模剂。将从平面模具上脱模并在自然环境状态下固化1-1.5h的卷材环绕到预制的立体模具的四周，固定好四周的边框。两端接缝处(一端为锯齿状，另一端为平接口)重叠50mm，用激光焊接牢固，焊接处用聚四氟乙烯分散乳液修补平整。焊接后连同立体框架一起进入固化机固化。固化温度120-150℃，固化时间5-10h。固化后退出固化机，冷却后脱模，完成整个成型过程。
聚四氟乙烯分散乳液/高性能纤维复合材料在固化机中的固化过程也是在热空气条件下的氧化过程，能使聚四氟乙烯分散乳液/高性能纤维复合材料的界面结合力得到有效提升，并达到最大值。
在上述成型加工工序中，40尺柜的上、下侧梁长度为13716mm，无论是平面模具，还是立体框架构件模具，也是根据上述方式制作，成型过程也是同样进行。
上述芯层增强体的浸渍和涂敷过程可以采用聚四氟乙烯分散乳液一步完成，即省略了芯层增强体预先浸渍粘胶剂乳液使其成为柔性卷材，再任意选择时间涂敷树脂乳液并固化。一步法用聚四氟乙烯分散乳液进行浸渍和涂敷对分散乳液的配制有特殊的要求，要在乳液未固化前完成主体部件在立体模具上的环绕成型和接口搭接等工序。
高性能纤维属新材料领域，具有极高的抗拉伸力、压缩强度、杨氏模量、高抗热、耐酸碱、氧化剂腐蚀等性能，如碳纤维、玻纤、芳纶的纤维强度，分别为4127MPa、3540MPa、2757MPa，层压强度分别为1600MPa、1500MPa和1430MPa。碳纤维的比重不到钢的1/4，抗拉强度是钢的12倍，比强度是铁的20倍。基于这些性质，高性能纤维已广泛应用于军工、国防、大飞机制造、汽车轻量化、交通运输、环保、医疗卫生等国民经济的众多领域。
与现有技术比较，本发明的有益效果：
1、采用高性能纤维复合材料制造集装箱框架构件能有效地发挥高性能纤维材料优异的表观特征，在同样的性能要求下，能减轻集装箱自身质量20-35％。
2、对传统钢制集装箱进行材料的改进，能减少运输成本，节省油料的消耗，减少CO2的排放，能产生巨大的经济效益和社会效益。
附图说明
图1示出纤维复合材料集装箱框架构件示意图。图中1为角柱，2为上端梁，3为下端梁，4为顶侧梁，5为底侧梁，6为底横梁。
图2示出经编织造的纤维复合材料芯层增强体结构示意图。图中7、8、9为900纱，10为+450纱、11为00纱、12为-450纱、13为捆绑纱。所有3-6层纱线通过捆绑纱13绑缚成芯层增强体。
图3示出机织三维立体织物纤维复合材料芯层增强体结构示意图。(a)是“工”字形截面的芯层织物示意图，(b)是“T”字形截面的芯层织物示意图，图中14为上层织物，15为下层织物，16为接经纱，17为横向部分，18为整体部分。
图4示出芯层材料端面连接示意图。其中19垂直端面，20为斜端面。
图5示出立体框架模具示意图。(a)为“口”型模具；(b)为“C”型梁模具，其中21为梁的高度，22为截面长度，23为截面宽度，24为梁的高度，25为截面长度，26为截面宽度，27为直角边长。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明进行解释说明：
实施例1
本实施例是以碳纤维为原材料，用双剑杆织机织造“工”字型截面的芯层增强体，用粘胶剂乳液浸渍，外涂聚四氟乙烯乳液制作集装箱的角柱。
(1)选用48K大丝束碳纤维作芯层上、下层织物的经纱和纬纱，用1500dtex高强涤纶长丝为接经纱，织物密度：经密60根/10cm，纬密60根/10cm，织物间距4mm。
剑杆织机车速1.5m/min，芯层幅宽2900mm。
芯层增强体定型工艺条件：车速5m/min，定型温度310℃，定型时间30秒。
(2)芯层增强体浸渍粘胶剂乳液在浸渍机上进行。浸渍工艺：车速0.5m/min，浸渍时间1.5min，浸渍温度40℃，出口轧辊轧液率110％，烘干温度150℃。
粘胶剂乳液的配制：聚丙烯酸酯乳液32％，交联剂P 4.3％，非离子型表面活性剂平平加O 0.5％，氨水1.5％，余量为水。
(3)裁剪浸渍烘干后的卷材长650mm，用玻璃钢制作长2896mm，宽650mm，高10mm的平板模具。在模具内壁涂聚乙烯醇脱模剂，待脱模剂成膜后，在模具内壁涂敷2层聚四氟乙烯乳液，将卷材平铺到平板模具内，铺平整，不起绉。在卷材表面涂敷2层聚四氟乙烯乳液，涂敷均采用机械臂完成。自然状态下固化1h，脱模后迅速将卷材移动到预制好的立体框架模具(2896mm高ⅹ150mm边长)的方形钢架，环绕外侧，转角处要紧贴模具成直角，卷材两端中有一端剪成锯齿状，另一端为平接口，接口处搭接长度为50mm，用激光焊接机焊接接缝处，要焊接牢固，接缝处用聚四氟乙烯乳液涂敷、修饰。
聚四氟乙烯乳液的配制：将固体含量为50％的聚四氟乙烯分散乳液，加入其质量的30％的蒸馏水混合，稀释后加入聚四氟乙烯分散乳液0.6％的OBS，5％的渗透剂，3％的分散剂，充分搅拌混和，即制成聚四氟乙烯乳液。
焊接好的集装箱角柱连同立体框架一起进入固化机加热固化，固化温度160℃，固化时间8h，固化后退出固化机，冷却后脱模。
集装箱角柱中纤维的体积分数64.5％，单位重量的刚性比值124.9HPa/g，耐冲击剪切强度111.3HPa，单位重量时拉伸强度比值827.4HPa/g。
实施例2
本实施例是以碳纤维长丝、玻纤长丝为原材料，用经编机织造纱线层增强体，用聚丙烯酸酯乳液浸渍，外层涂敷聚四氟乙烯乳液制作集装箱“口”型顶侧梁、底侧梁。
(1)选用55K碳纤维长丝铺900纱线层7、8、9和00纱线层11，选用10000dtex玻纤长丝铺+450纱线层10，-450纱线层12，选用1500dtex高强涤纶长丝作捆绑纱13，将上述6层纱线层捆绑成芯层增强体。
编织机车速2.0m/min。芯层幅宽7.2m。
(2)芯层增强体定型：浸渍粘胶剂乳液的工艺条件同实施例1。
(3)在门幅方向裁剪2幅已浸渍烘干的增强体卷材650mm，用焊接机焊接成长13716mm、宽650mm的平面卷材。用玻璃钢制作13716mm、宽650mm的平板模具，在模具内壁涂聚乙烯醇脱模剂，待脱模剂成膜后，用机械臂涂敷2层聚四氟乙烯乳液(制备方法同实施例1)，将已裁剪好的卷材平铺到模具中，用机械臂在卷材表面涂敷2层聚四氟乙烯乳液，自然状态下固化1h，脱模后迅速将卷材移动到预制好的长13716mm、宽650mm的方形钢架立体模具，环绕外侧，转角处要紧贴模具成直角，卷材两端中有一端剪成锯齿状，另一端为平接口，接口处搭接长度为50mm，用激光焊接机焊接接缝处，要焊接牢固，接缝处用聚四氟乙烯乳液涂敷、修饰。
焊接好的集装箱侧梁连同立体框架一起进入固化机加热固化，固化温度160℃，固化时间8h，固化后退出固化机，冷却后脱模。
集装箱侧梁中纤维的体积分数60.5％，单位重量的刚性比值118.7HPa/g，耐冲击剪切强度113.4HPa，单位重量时拉伸强度比值831.8HPa/g。
实施例3
本实施例是以60K碳纤维长丝、碳纤维短切网、高温滤袋回收再生纤维纱线为原材料，用经编机织造纱线层增强体，用聚四氟乙烯分散乳液一次浸渍、涂敷，制作集装箱箱顶、箱底背梁。
(1)选用500g/m2碳纤维短切网铺最底层的900纱线层7，48K碳纤维长丝铺900纱线层8、9和00纱线层11，选用1000dtex高温滤袋回收再生纤维纺成的纱(主要成分为聚酰亚胺、芳纶、聚四氟乙烯等高性能纤维)铺+450及-450纱线层10、12，选用芯1500dtex高强涤纶长丝为捆绑纱13，将上述6层纱线层捆绑成芯层增强体。
编织机车速2.5m/min。芯层幅宽2438mm。
芯层定型工艺条同实施例1。
(2)浸渍和涂敷均采用聚四氟乙烯乳液。聚四氟乙烯乳液的配制：将固体含量为50％的聚四氟乙烯分散乳液，加入其质量的30％的蒸馏水混合，稀释后加入0.6％的OBS，3％的渗透剂，2％的分散剂，充分搅拌混和。浸渍在浸渍机上进行，将上述调配好的聚四氟乙烯乳液倒入浸渍槽中，芯层在浸渍槽中粘胶剂乳液，浸渍时间1.5分钟，浸渍温度40℃，浸渍机出口轧辊轧液率120％。出轧辊后的芯层在自然状态下固化1h。
(3)用上述幅宽的卷材650mm，在长2438mm、宽200mm、高20mm的矩形平面模具中进行聚四氟乙烯乳液的涂敷。工艺条件同实施例1(3)，自然状态下固化1h，脱模后迅速将卷材移动到预制好的立体框架模具钢架，钢架尺寸：2438(高)a:100mm，b:140mm，c:10mm，环绕外侧，转角处要紧贴模具成直角。
成型好的集装箱背梁连同立体框架一起进入固化机加热固化，固化温度160℃，固化时间8h，固化后退出固化机，冷却后脱模。
集装箱箱顶、箱底背梁中纤维的体积分数60.5％，单位重量的刚性比值119.4HPa/g，耐冲击剪切强度121.1HPa，单位重量时拉伸强度比值819.6HPa/g。

Claims (10)

1.一种纤维复合材料集装箱框架构件，其特征在于：该集装箱框架构件是将芯层增强体经热定型、浸渍和涂敷聚四氟乙烯乳液后成型、加热固化制备成“C”型、“Z”型或“口”型截面的框架构件；其中，芯层增强体以高性能纤维为原材料，采用多种类高性能纤维纱线多层水平以00、900、+450、-450角直线排列，纵向捆绑成整体的编织方法，或采用X轴向、Y轴向或Z轴向正交结构机织而成。
2.根据权利要求1所述的纤维复合材料集装箱框架构件，其特征在于：所述的高性能纤维中碳纤维材料体积分数在40％-65％。
3.一种权利要求1所述的纤维复合材料集装箱框架构件的制作方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)芯层增强体的制造及热定型；
(2)芯层增强体的浸渍和涂敷；
(3)框架构件的成型。
4.根据权利要求3所述的纤维复合材料集装箱框架构件的制作方法，其特征在于：所述的芯层增强体的制造采用经编编织或多剑杆织造方法。
5.根据权利要求4所述的纤维复合材料集装箱框架构件的制作方法，其特征在于：芯层增强体的制造采用的织造材料为高性能纤维或普通合成纤维长丝或短纤维纱线，或者石墨烯、玄武岩纤维、高强聚乙烯纤维、聚四氟乙烯纤维、聚苯硫醚纤维纱线；或者聚酯、聚丙烯纺粘、熔喷非织造布、碳纤维短切纤维网。
6.根据权利要求4所述的纤维复合材料集装箱框架构件的制作方法，其特征在于：所述的经编编织是将3-7层不同种类的纱线完全平行伸直，每层纱线以90°/0°/-45°/+45°的不同角度排列，质量为80-700g/m2，同层纱线之间等间距间隔0.5-5mm，多层不同材质、不同性能的纱线及纤维网，通过纵向的捆绑纱绑缚成一个整体。
7.根据权利要求4所述的纤维复合材料集装箱框架构件的制作方法，其特征在于：所述的多剑杆织造采用高性能纤维长丝为原料，使用多经轴、多综眼综丝形成多层梭口，进行二层或多层织造，用接经纱将上、下层或多层织物整体联结成立体织物；芯层截面为
Figure FDA0003358718740000011
字型、“T”字型或其它异型形状。
8.根据权利要求7所述的纤维复合材料集装箱框架构件的制作方法，其特征在于：所述的
Figure FDA0003358718740000021
字型截面的型材织物是使用上、下层两个独立的引纬系统投纬，与上、下层地组织经纱，上下层织物的接经纱三维交织成面对面的双层织物；经纱和纬纱采用大丝束或小丝束碳纤维长丝，500dtex-5000dtex的高强粗旦涤纶长丝，接经纱采用50dtex-500dtex尼龙纤维，1500dtex-3000dtex高强涤纶长丝；“T”字形截面的型材，先由两片综框上、下交织运动，形成横向部分，再通过另外两片综框上、下交织，形成“T”型织物具有高度方向的整体部分；整体使用同一种原材料。
9.根据权利要求7所述的纤维复合材料集装箱框架构件的制作方法，其特征在于：整体使用同一种原材料指的是大、小丝束的碳纤维长丝，碳纤维预浸料、或500dtex-20000dtex的粗旦玻纤长丝，或500dtex-5000dtex的高强粗旦涤纶长丝。
10.根据权利要求3所述的纤维复合材料集装箱框架构件的制作方法，其特征在于所述的热定型条件：定型温度300-350℃，定型时间15-45秒；所述的浸渍工艺：浸渍时间1-2分钟，浸渍温度35-50℃，出口轧辊轧液率110-120％，烘干温度130-150℃，浸渍后的芯层增重10-40％。
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