CN115122694B - 非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产设备及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于复合材料加工技术领域。一种非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产设备，包括依次布设的纱团放置架、HFRP次杆成型系统、HFRP主杆成型系统和牵引装置；所述HFRP次杆成型系统包括依次布置的一号浸胶装置、一号挤压装置、一号高温固化装置、一号冷却装置和碳纤维切割装置；所述HFRP主杆成型系统包括依次布置的二号浸胶装置、二号挤压装置、预热装置、缠绕装置、二号高温固化装置和二号冷却装置。还公开了一种混杂纤维增强聚合物筋的生产设工艺。本申请结构和工艺步骤设计合理，能够解决碳纤维与玻璃纤维之间分层问题，不仅消除了碳含量的限制，还可以保证杂化构型下碳纤维的逐步破碎和稳定拔出。

Description

非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产设备及工艺

技术领域

本发明属于复合材料加工技术领域，具体涉及一种非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产设备及生产工艺。

背景技术

钢筋混凝土结构结合了钢筋和混凝土各自的优异性能，具有承载力大、延性好等优点。但当钢筋混凝土结构暴露在侵蚀性环境中，温度、水、二氧化碳、氯离子和硫酸根离子等综合作用加快了钢筋的锈蚀。当钢筋锈蚀后，其承载力降低，钢筋与混凝土之间的粘结力减弱或是丧失，使构件或结构承载力逐渐退化而发生破坏。维护和修复因钢筋锈蚀造成的构件或结构性能退化会耗费巨大的人力和财力，所以亟需一种新型材料替代钢筋，解决钢筋混凝土构件或结构的钢筋锈蚀问题。

纤维增强聚合物(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)筋(包括：FRP筋、FRP锚杆和FRP绞线)是由连续纤维(增强相)强化树脂(基体相)，经过高温固化而形成的一种新型复合材料，具有轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳和非磁化等优点，被认为是替代钢材的理想材料之一。作为增强相的连续纤维包括碳纤维(Carbon fiber，简称C)、玻璃纤维(Glass fiber，简称G)、玄武岩纤维(Basalt fiber，简称B)、芳纶纤维(Aramid fiber，简称A)和其他高分子合成纤维等，可作为基体相的树脂包括环氧树脂、乙烯基树脂和不饱和聚酯树脂等。

但是，单一的纤维增强聚合物复合材料呈脆性，其失效通常是突发性和灾难性的，残余承载能力低。而混杂纤维增强聚合物(Hybrid Fiber Reinforced Polymer，简称HFRP)筋利用具有不同极限应变的增强纤维在拉伸荷载作用下先后达到自身的极限应变而产生不同等级断裂，使其具有一定的延性，从而达到HFRP筋混凝土构件或结构塑性破坏的目的。常见的混杂筋包括碳/玻HFRP筋(CG HFRP)和碳/玄武岩HFRP筋(CB HFRP)等。

然而，现有的CG HFRP筋内使用的纤维丝束多为连续型的，在拉伸过程中，碳纤维发生破坏时，通过应力-应变曲线可以观察到明显的应力陡降，这是由于碳纤维与玻璃纤维之间发生灾难性分层，加快了HFRP筋的破坏，使HFRP筋的伪延性没有得到充分发挥，限制了HFRP筋在工程中的应用范围。

以现有的纤维生产技术来说，在生产工艺中对连续的碳纤维纤维进行周期性切割是无法实现的，HFRP筋内的纤维丝束多以连续的形式存在。HFRP筋的制备以拉挤技术为主，并没有任何技术能对HFRP筋内部的连续碳纤维进行切割。

发明内容

本发明目的是针对上述存在的问题和不足，提供一种非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产设备及生产工艺，其结构和工艺步骤设计合理，能够解决碳纤维与玻璃纤维之间分层问题，不仅消除了碳含量的限制，还可以保证杂化构型下碳纤维的逐步破碎和稳定拔出。

为实现上述目的，所采取的技术方案是：

一种非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产设备，包括依次布设的纱团放置架、HFRP次杆成型系统、HFRP主杆成型系统和牵引装置；

所述HFRP次杆成型系统包括依次布置的一号浸胶装置、一号挤压装置、一号高温固化装置、一号冷却装置和碳纤维切割装置；

所述HFRP主杆成型系统包括依次布置的二号浸胶装置、二号挤压装置、预热装置、缠绕装置、二号高温固化装置和二号冷却装置；

所述一号浸胶装置和所述二号浸胶装置均包括浸胶室、设置在所述浸胶室进口侧的第一集纱板、设置在所述浸胶室出口侧的第二集纱板和设置在所述浸胶室内的压杆轴，在所述第一集纱板和第二集纱板上均布置有多个导线孔；

所述一号高温固化装置、一号冷却装置、二号高温固化装置、二号冷却装置和预热装置均包括高温室、用于对高温室内空气加热的加热组件和管线室，所述管线室内设置有控制加热组件的电控单元、排布线路和废气收集管道；

所述碳纤维切割装置包括转盘、驱动所述转盘周向旋转的旋转驱动部、设置在所述转盘上的径向滑移槽、布设在所述滑移槽内的连接杆、驱动所述连接杆滑移动作的滑移驱动部和设置在所述连接杆的端部的切割刀片，所述转盘的中部设置有与HFRP次杆对应的第一通孔，所述切割刀片用于对HFRP次杆外层的碳纤维进行切割。

根据本发明非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产设备，优选地，还包括用于刮除HFRP次杆和HFRP主杆上的多余树脂的刮胶装置，所述刮胶装置包括连接件、盖帽和刮胶片，所述连接件的中部设置有第二通孔，所述盖帽的其中一侧设置有用于放置刮胶片的沉槽，所述盖帽的另一侧设置有与沉槽连通的呈锥台形的导液口，所述盖帽的周向设置有多个紧固螺栓，所述连接件的其中一端插入沉槽内并与所述刮胶片贴合压紧，所述紧固螺栓固紧所述连接件和盖帽。

根据本发明非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产设备，优选地，所述连接件为圆柱形，所述连接件两端的外壁上均开设有环形外卡槽，在所述外卡槽内设置有弹性卡簧；与所述连接件的两端连接的设备机架上设置有连接套，所述连接套内设置有内卡槽，所述弹性卡簧匹配设置在所述外卡槽和内卡槽之间。

根据本发明非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产设备，优选地，在依次设置的一号浸胶装置、一号挤压装置、一号高温固化装置、一号冷却装置和碳纤维切割装置中，相邻两设备之间均设置有刮胶装置；

在依次设置的二号浸胶装置、二号挤压装置、预热装置、缠绕装置、二号高温固化装置和二号冷却装置中，相邻两装置之间均设置有刮胶装置。

根据本发明非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产设备，优选地，所述加热组件包括导风筒、布设在导风筒内的加热线圈、设置在加热线圈上部的扇叶和驱动扇叶转动的驱动电机，所述扇叶用于将经过加热线圈加热的空气吹入高温室内。

根据本发明非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产设备，优选地，所述牵引装置包括上下布设的两输送带或牵引辊，所述混杂纤维增强聚合物筋匹配设置在两输送带之间或两牵引辊之间。

根据本发明非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产设备，优选地，还包括裁切装置，所述裁切装置设置在所述牵引装置后侧，所述裁切装置用于对混杂纤维增强聚合物筋进行裁切。

根据本发明非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产设备，优选地，还包括高温凝胶装置，所述高温凝胶装置与所述一号高温固化装置结构相同。

一种非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产工艺，利用上述的非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产设备进行混杂纤维增强聚合物筋的生产，具体包括以下步骤：

步骤S1，确定目标混杂纤维增强聚合物筋的参数，并获取所需碳纤维总束数、所需钢纤维总束数、所需玻璃纤维总束数和碳纤维切割装置的切割周期；

步骤S2，按照预设的碳纤维、钢纤维和玻璃纤维在目标混杂纤维增强聚合物筋截面上的分布方式把纤维纱团搁置在纱团放置架上，从纱团放置架上引出的碳纤维进入一号浸胶装置浸渍树脂，钢纤维和玻璃纤维直接平行穿过一号浸胶装置后，玻璃纤维进入二号浸胶装置浸渍树脂；

步骤S3，浸渍树脂的碳纤维和钢纤维由牵引装置带动进入一号挤压装置，挤压形成HFRP次杆，所述HFRP次杆采用中间为钢芯、外围为碳纤维层的纤维层间分布；

步骤S4，HFRP次杆由牵引装置带动进入一号高温固化装置，树脂进行聚合反应并形成高密度聚合体，再经过一号冷却装置降温处理；

步骤S5，经一号冷却装置处理后的HFRP次杆由牵引装置带动进入碳纤维切割装置，对HFRP次杆中的碳纤维层进行周期切割；

步骤S6，经碳纤维切割装置处理后的HFRP次杆由牵引装置带动进入二号挤压装置，将浸渍树脂的玻璃纤维与HFRP次杆挤压形成HFRP主杆，经过预热装置后，再通过缠绕装置使得预紧的缠绕带在HFRP主杆表面形成缠绕肋；

步骤S7，带有缠绕肋的HFRP主杆受牵引进入二号高温固化装置，树脂进行聚合反应并形成高密度聚合体，再经过二号冷却装置降温处理，完成混杂纤维增强聚合物筋的生产。

根据本发明非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产工艺，优选地，在步骤S1中，所需碳纤维总束数：

所需钢纤维总束数：

所需玻璃纤维总束数：

碳纤维切割周期：

其中，D为HFRP筋直径、V_f为总纤维体积比，V_C为表碳纤维体积率，V_S为钢纤维体积率，V_G为玻璃纤维体积率，S_C为单束碳纤维的截面面积，S_S为单束钢纤维的截面面积，S_G为单束玻璃纤维的截面面积，L为非连续碳纤维片的长度，Q为牵引速度。

采用上述技术方案，所取得的有益效果是：

本申请采用经过周期性切割后形成的非连续碳纤维替代连续碳纤维，解决碳纤维与玻璃纤维之间分层问题，不仅消除了碳含量的限制，还可以保证杂化构型下碳纤维的逐步破碎和稳定拔出。在连续碳纤维复合材料构造中，碳纤维失效释放的能量应始终低于层间断裂韧性，以避免突然分层和荷载下降。但在不连续的碳纤维复合构造中，稳定的分层可以在碳纤维失效之前开始，使HFRP筋在拉伸过程中没有明显的应力陡降，应力-应变曲线只有线弹性阶段和水平稳定过渡阶段，提升了HFRP筋在拉伸过程中的伪延性性能。

本申请提出先通过第一道拉挤成型工艺将碳纤维与钢纤维挤压形成HFRP次杆，由于钢纤维的横向剪切强度比碳纤维的大，将钢纤维作为碳纤维的载体，通过碳纤维切割装置对次杆中的碳纤维进行周期性切割，再通过第二道拉挤成型工艺将玻璃纤维与切割处理后的HFRP次杆挤压形成一根主杆，生产出一种新型的非连续碳纤维和连续钢/玻璃纤维HFRP筋。这种非连续碳纤维和连续钢/玻璃纤维HFRP筋在拉伸过程中没有明显的应力陡降。此外，由于不连续的碳纤维对复合材料刚度的贡献不如连续碳纤维，钢纤维的加入还能弥补因切割碳纤维造成HFRP筋弹性模量降低。

在复合材料生产加工领域中，含有非连续碳纤维与钢/玻璃纤维HFRP筋在拉伸荷载作用下，低延伸的非连续碳纤维在界面上主要发生稳定的分层，逐步释放应变能，只有在局部发生碳纤维断裂，当非连续碳纤维层失效后，玻璃纤维和钢纤维共同承受碳纤维断裂后的整体荷载，继续加载至钢纤维断裂，然后直到玻璃纤维断裂，整个混杂筋材的破坏呈现出一种具有伪屈服特征的多级破坏。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下文中将对本发明实施例的附图进行简单介绍。其中，附图仅仅用于展示本发明的一些实施例，而非将本发明的全部实施例限制于此。

图1为本发明实施例的非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产设备的结构示意图。

图2为本发明实施例的碳纤维切割装置结构示意图。

图3是本发明实施例的一号浸胶装置外部结构示意图。

图4是本发明实施例的一号高温固化装置和一号冷却装置的连接示意图。

图5是本发明实施例的加热组件的结构示意图。

图6是本发明实施例的刮胶装置的结构示意图。

图7是本发明实施例的盖帽的结构示意图之一。

图8是本发明实施例的盖帽的结构示意图之二。

图9是本发明实施例的刮胶片的结构示意图。

图10是本发明实施例的弹性卡簧和外卡槽的连接示意图。

图11是本发明实施例的连接件的结构示意图。

图中序号：

1为纱团放置架，2为一号浸胶装置，201为浸胶室，202为第一集纱板，203为第二集纱板，204为导线孔，205为浸胶池，206为压杆轴，3为一号挤压装置，4为一号高温固化装置，401为高温室，402为管线室，403为显示屏，404为盖帽，405为刮胶片，406为连接件，407为刮胶装置，408为加热组件，409为废胶收集容器，410为扇叶，411为加热线圈，412为沉槽，413为导液口，414为紧固螺栓，415为弹性卡簧，416为外卡槽，5为一号冷却装置，6为碳纤维切割装置，601为切割刀片，602为连接杆，603为滑移槽，604为转盘，7为二号浸胶装置，8为二号挤压装置，9为预热装置，10为缠绕装置，11为高温凝胶装置，12为二号高温固化装置，13为二号冷却装置，14为牵引装置，15为裁切装置。

具体实施方式

下文中将结合本发明具体实施例的附图，对本发明实施例的示例方案进行清楚、完整地描述。除非另作定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

在本发明的描述中，需要理解的是，“第一”、“第二”的表述用来描述本发明的各个元件，并不表示任何顺序、数量或者重要性的限制，而只是用来将一个部件和另一个部件区分开。

应注意到，当一个元件与另一元件存在“连接”、“耦合”或者“相连”的表述时，可以意味着其直接连接、耦合或相连，但应当理解的是，二者之间可能存在中间元件；即涵盖了直接连接和间接连接的位置关系。

应当注意到，使用“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

应注意到，“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或位置关系的术语，仅用于表示相对位置关系，其是为了便于描述本发明，而不是所指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；当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应的改变。

对于本申请的混杂纤维增强聚合物筋的伪屈服特征的多级破坏特性，HFRP筋内部纤维的力学性能对破坏模式的研究尤为重要，而纤维的力学性能除了由组分材料的性能决定以外，还受到碳纤维切割过程的影响，如果HFRP筋内部的非连续碳纤维排列不紧密或周围的连续纤维受到切割工艺的影响，生产出的HFRP筋的力学性能将很大程度降低或出现极大的离散性。故对于生产设备和生产工艺的要求也尤为重要。

参见图1-图11，本申请公开了一种非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产设备，包括依次布设的纱团放置架1、HFRP次杆成型系统、HFRP主杆成型系统和牵引装置。纱团放置架用于碳纤维、钢纤维和玻璃纤维的纱团的有序摆放。HFRP次杆成型系统包括依次布置的一号浸胶装置2、一号挤压装置3、一号高温固化装置4、一号冷却装置5和碳纤维切割装置6；HFRP主杆成型系统包括依次布置的二号浸胶装置7、二号挤压装置8、预热装置9、缠绕装置10、二号高温固化装置12和二号冷却装置13。碳纤维和钢纤维经过HFRP次杆成型系统形成HFRP次杆，HFRP次杆和玻璃纤维经过HFRP主杆成型系统后形成HFRP主杆，并最终得到含有非连续碳纤维和连续钢玻璃纤维混杂纤维增强聚合物筋。牵引装置用于提供牵引动力，从而使得纱团放置架上的碳纤维、钢纤维、玻璃纤维有序放线。

上述结构中的，一号浸胶装置2和二号浸胶装置7均包括浸胶室201、设置在所述浸胶室进口侧的第一集纱板202、设置在所述浸胶室出口侧的第二集纱板203和设置在所述浸胶室底部的浸胶池内的压杆轴206，在所述第一集纱板和第二集纱板上均布置有多个导线孔204；本实施例中的一号浸胶装置2和二号浸胶装置7均对热固性树脂和热塑性树脂均有普适性，如图3所示，在浸胶室201的入口处设置第一集纱板202，在浸胶室201的出口处设置第二集纱板203，在第一集纱板202和第二集纱板203上阵列多排导线孔204，导线孔204用来向浸胶室201内输入和输出连续纤维，第一集纱板202和第二集纱板203上的圆孔204数量和位置相一致，这里位置一一对应是为了防止出现纤维束数量过多发生缠绕情况；在浸胶室201的底部设置浸胶池205，在浸胶池205中设置压杆轴206；连续碳纤维从第一集纱板202上的导线孔204进入，从盛放树脂的浸胶池205中的压杆轴206下方穿过，再从第二集纱板203上的导线孔204引出。钢纤维从第一集纱板上进入，并直接从第二集纱板上引出，玻璃纤维可以水平穿过一号浸胶装置的第一集纱板和第二集纱板，最终由二号浸胶装置7的第一集纱板202引入，经过二号浸胶装置7的压杆轴206后，从二号浸胶装置7的第二集纱板203引出。

本实施例中的一号高温固化装置4、一号冷却装置5、二号高温固化装置12、二号冷却装置13和预热装置9均包括高温室401、用于对高温室内空气加热的加热组件408和管线室402，所述管线室内设置有控制加热组件的电控单元、排布线路和废气收集管道。加热组件包括导风筒、布设在导风筒内的加热线圈411、设置在加热线圈上部的扇叶和驱动扇叶转动的驱动电机，所述扇叶用于将经过加热线圈加热的空气吹入高温室内。为了对HFRP主杆的树脂进行充分、均匀的与纤维融合接触，本申请还设置有高温凝胶装置，高温凝胶装置与所述一号高温固化装置结构相同。上述结构中的一号高温固化装置、一号冷却装置、二号高温固化装置、二号冷却装置、预热装置和高温凝胶装置内的温度根据不同，根据不同区段对工艺温度的要求进行相应的调整。如一号冷却装置和二号冷却装置中的温度，应当介于相应的高温固化装置和环境温度之间，从而避免温差过大，形成梯度变化的温度区间，相应的高温固化装置和高温凝胶装置根据树脂熔融反应的状态进行温度控制，保障树脂的流动性和聚合反应的充分性。

碳纤维切割装置：用于对连续的碳纤维进行周期性切割，碳纤维切割装置包括转盘604、驱动所述转盘604周向旋转的旋转驱动部、设置在所述转盘604上的径向滑移槽603、布设在所述滑移槽内的连接杆602、驱动所述连接杆滑移动作的滑移驱动部和设置在所述连接杆的端部的切割刀片601，所述转盘的中部设置有与HFRP次杆对应的第一通孔，所述切割刀片601用于对HFRP次杆外层的碳纤维进行切割，旋转驱动部为旋转驱动电机，其设置在相应的机架上，转盘可以通过轴承设置在机架上，且转盘的其中一侧同轴固定设置从动齿轮，旋转驱动电机的输出轴设置主动齿轮，实现转盘的转动；转盘上设置气缸等动力推杆作为滑移驱动部，对连接杆的滑移动作进行驱动。

刮胶装置：用于连接相邻的两设备，同时用于刮除HFRP次杆和HFRP主杆上的多余树脂的刮胶装置，进而回收，刮胶装置包括连接件、盖帽和刮胶片，所述连接件的中部设置有第二通孔，所述盖帽的其中一侧设置有用于放置刮胶片的沉槽，所述盖帽的另一侧设置有与沉槽连通的呈锥台形的导液口，所述盖帽的周向设置有多个紧固螺栓，所述连接件的其中一端插入沉槽内并与所述刮胶片贴合压紧，所述紧固螺栓固紧所述连接件和盖帽。

进一步地，本申请的连接件为圆柱形，所述连接件两端的外壁上均开设有环形外卡槽，在所述外卡槽内设置有弹性卡簧；与所述连接件的两端连接的设备机架上设置有连接套，所述连接套内设置有内卡槽，所述弹性卡簧匹配设置在所述外卡槽和内卡槽之间。

根据设备中各部件之间的对位关系，在依次设置的一号浸胶装置、一号挤压装置、一号高温固化装置、一号冷却装置和碳纤维切割装置中，相邻两设备之间均设置有刮胶装置；在依次设置的二号浸胶装置、二号挤压装置、预热装置、缠绕装置、二号高温固化装置和二号冷却装置中，相邻两装置之间均设置有刮胶装置。

牵引装置包括上下布设的两输送带或牵引辊，所述混杂纤维增强聚合物筋匹配设置在两输送带之间或两牵引辊之间。

为了便于对成型后的含有非连续碳纤维和连续钢玻璃纤维混杂纤维增强聚合物筋进行裁切，本申请在牵引装置后部设置裁切装置，所述裁切装置用于对混杂纤维增强聚合物筋进行裁切。

进行HFRP次杆的成型：

连续的碳纤维经过一号浸胶装置后与钢纤维一起进入一号挤压装置3，在挤压模具的作用下完成HFRP次杆的挤压成型，一号高温固化装置4入口通过刮胶装置与一号挤压装置3连接，一号高温固化装置4出口通过刮胶装置407与一号冷却装置5连接，用于对一号挤压装置3输出的HFRP次杆进行高温处理，树脂发生固化反应，由液态变为固态。一号高温固化装置4包括高温室401和位于高温室401下方的管线室402，高温室401的四周采用隔热材料保温，管线室402用来放置控制设备的电器部件、排布线路和废气收集管道，高温室401的正面设置实时显示高温室401温度的显示屏403，在高温室401的顶部设置多个加热组件408，如图5所示；本实施例中的加热线圈411采用电偶丝加热空气的方法，可使高温室401内温度高达几百摄氏度。加热线圈411产生的热量输送到高温室401中，这一动态过程中高温室401内部空气受到了驱热扇叶410的扰动实现了高温室401内部温度的均匀分布。上述结构中的

刮胶装置407包括盖帽404、刮胶片405和连接件406，如图7和图8所示，盖帽404包括带有倒台钝化坡面的导液口413、紧固螺栓414和放置刮胶片的沉槽412，带有倒台钝化坡面的导液口413能够防止纤维与孔口413边缘摩擦发生断裂，并使刮下来的树脂沿着倒台坡度流入相应位置布置的废胶收集容器409中，同时防止刮下来的树脂集聚在导液口413处，避免内渗到刮胶装置407的内部。组配时，先将刮胶片405放置在沉槽412内，然后将带有刮胶片405的盖帽404通过紧固螺栓414牢固地固定在连接件406上，连接件406的端部紧紧的将刮胶片405顶在沉槽412内，防止其工作过程中发生上下左右晃动造成刮胶不完善。优选的，刮胶片405的材质由耐磨橡胶制成。如图9和图10所示，连接件406采用刚性较大的实心圆柱在中心掏孔制成，在连接件406的外部开设有两个环形的外卡槽416，在外卡槽416内设置弹性卡簧415，使弹性卡簧415始终处于原始位置；当需要连接一号高温固化装置4和一号挤压装置3时，一个弹性卡簧415卡在一号挤压装置3箱体一侧的内部，另一个弹性卡簧415卡在一号高温固化装置4的内部，弹性卡簧415阻止连接件406在纤维行进方向发生较大位移，使连接件406连接的一号挤压装置3与一号高温固化装置4，其他相邻的两设备之间如果需要连接并布置刮胶装置，采用相同的连接方式即可。

本申请的碳纤维切割装置6入口通过刮胶装置407与一号冷却装置5连接，出口通过刮胶装置407与二号浸胶装置7连接，用于将HFRP次杆中的连续碳纤维进行周期性切割，形成非连续碳纤维。碳纤维切割装置6包括切割刀片601，连接杆602，滑移槽603和转盘604，切割刀片601锋利程度不高，这是因为考虑到碳纤维的抗剪能力较弱，且切割过程中产生的剪力不能对钢纤维造成预损伤；连接杆602安装来滑移槽603上，用于在切割碳纤维时，使切割刀片滑向HFRP次杆并接触，通过转盘604的快速转动充分在HFRP次杆表面环向切割一周，形成非连续碳纤维片，然后通过滑移槽603使切割刀片快速离开HFRP次杆表面，HFRP次杆的牵引移动不影响碳纤维的周期性紧密切割。

进行HFRP主杆的成型：

二号挤压装置8的入口通过刮胶装置407与二号浸胶装置7连接，出口通过刮胶装置407与预热装置9连接，二号挤压装置8用于将浸渍树脂成阵列分布的玻璃纤维束与进行切割处理后的HFRP次杆挤压形成一根主杆，同时考虑到碳纤维切割装置6对固化HFRP次杆表面树脂基体的损伤，液态树脂可以流动进入HFRP次杆表面的缝隙中，通过缠绕装置10缠绕，预紧的缠绕带在HFRP筋表面形成缠绕肋，再依次通过高温凝胶装置11和二号高温固化装置12进行高温处理，从而形成预设目标的HFRP筋；一号挤压装置3的构造与二号挤压装置8的构造相同，采用现有的挤压装置即可。

预热装置9的入口通过刮胶装置407与二号挤压装置8连接，出口通过刮胶装置407与缠绕装置10连接，用于对二号挤压装置8输出的HFRP主杆进行预热处理，再次增大杆材内部树脂的流动性，使二次挤压后的HFRP主杆内部树脂重新分布。预热装置9的设置温度低于高温凝胶装置11的设置温度，并与高温凝胶装置11设置温度形成一定的温度梯度。预热装置9设有常温观察口，目的是由于预热装置9内部温度很高且在设备运行过程中防止内部温度紊乱而不能随便打开，但又为了能够掌控混杂纤维主杆在预热装置9内部的状态，可随时根据此状态对装置参数做出及时调整，常温观察口通过箱体结构与预热装置9连接为一体。

高温凝胶装置11入口通过刮胶装置407与缠绕装置10连接，出口通过刮胶装置407与二号高温固化装置12连接，用于将缠绕装置10处理后的带肋HFRP筋进行凝胶反应，树脂从液态变为橡胶态；高温凝胶装置11与一号高温固化装置4的构造相同。

二号高温固化装置12入口通过刮胶装置407与高温凝胶装置11连接，出口通过刮胶装置407与二号冷却装置13连接，用于将发生凝胶反应的预成型HFRP筋进行高温处理，树脂发生固化反应，由橡胶态变为固态；二号高温固化装置12与一号高温固化装置4的构造相同。

二号冷却装置13用于使处于高温状态下完全固化的混杂纤维增强聚合物杆暴露在环境温度之前，先通过一个低于二号高温固化装置11设置温度和高于环境温度的一个温度梯度的冷却处理过程，防止高温状态下的混杂纤维增强聚合物杆所处环境温度骤降，由热胀冷缩造成混杂纤维增强聚合物杆内部出现微裂缝；二号冷却装置13与一号高温固化装置4的构造也相同。

本申请结构简单、操作方便，可对HFRP次杆表面的碳纤维进行准确周期性切割，并且设置两道拉挤成型工艺，极大降低了因切割碳纤维对HFRP筋造成的不利影响，从而保证了HFRP筋力学性能的充分发挥，且极大降低了HFRP筋力学性能的离散性。

本申请还公开了一种非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产工艺，利用上述的非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产设备进行混杂纤维增强聚合物筋的生产，具体包括以下步骤：

步骤S1，确定目标混杂纤维增强聚合物筋的参数，并获取所需碳纤维总束数、所需钢纤维总束数、所需玻璃纤维总束数和碳纤维切割装置的切割周期；其中，所需碳纤维总束数：

所需钢纤维总束数：

所需玻璃纤维总束数：

碳纤维切割周期：

D为HFRP筋直径、V_f为总纤维体积比，V_C为表碳纤维体积率，V_S为钢纤维体积率，V_G为玻璃纤维体积率，S_C为单束碳纤维的截面面积，S_S为单束钢纤维的截面面积，S_G为单束玻璃纤维的截面面积，L为非连续碳纤维片的长度，Q为牵引速度。

步骤S2，按照预设的碳纤维、钢纤维和玻璃纤维在目标混杂纤维增强聚合物筋截面上的分布方式把纤维纱团搁置在纱团放置架上，从纱团放置架上引出的碳纤维进入一号浸胶装置浸渍树脂，钢纤维和玻璃纤维直接平行穿过一号浸胶装置后，玻璃纤维进入二号浸胶装置浸渍树脂；

步骤S3，抬起压杆轴206，碳纤维束通过一号浸胶装置2浸渍树脂，玻璃纤维束通过二号浸胶装置7浸渍树脂，因为树脂的粘性作用纤维束粘结成团，所以要经过第二道集纱板把碳纤维束团分开，使其保持浸渍树脂的纤维单束行进，同时第二道集纱板的另一个作用是刮掉碳纤维上浸渍的多余树脂，该树脂又重新流回浸胶池可再利用。浸渍树脂的碳纤维和钢纤维由牵引装置带动进入一号挤压装置，挤压模具的入口端面中心有一个挤砂孔，出口端面上设有与挤砂孔对应的出口，浸渍树脂的混杂纤维束按照预设方案进入挤砂孔中，挤压形成HFRP次杆，所述HFRP次杆采用中间为钢芯、外围为碳纤维层的纤维层间分布；

步骤S4，HFRP次杆由牵引装置带动进入一号高温固化装置，树脂进行聚合反应并形成高密度聚合体，再经过一号冷却装置降温处理；具体地，由一号高温固化装置4的入口经过刮胶装置412进入高温室401的腔室中，刮胶装置412内置的刮胶片405将悬垂在混杂纤维次杆下面的树脂胶滴刮除，刮除下来的树脂沿着盖帽404上面带有倒台钝化坡度的导液口413收集到下方的废胶收容器中。高温室401内部的温度是通过在设备控制台上对加热组件408输入指令温度信号实现的，通过在设备控制台上输入加热组件408的指令温度，加热组件408的加热线圈411全功率工作，加热线圈411产生的热量经过驱热扇叶410均匀地扩散到整个高温室401的腔室中，高温室401的温度实时在线监测，当高温室401的温度接近指令温度时，加热组件408以低功率补偿热量，直至达到指令温度。

HFRP次杆进入高温室401之初，温度升高，混杂纤维次杆受热，内部树脂粘度降低流动性增大，促进了树脂在HFRP次杆内的流动性和浸润性，达到均匀分布的目的。随着时间的推移，HFRP次杆在一号高温固化装置4中大量受热，乙烯树脂进行充分的聚合反应形成高密度聚合体。然后，再经过一号冷却装置5降温处理，通过一个低于一号高温固化装置4设置温度和高于环境温度的一个温度梯度的冷却处理过程，防止高温状态下的HFRP次杆所处环境骤降，由热胀冷缩造成HFRP次杆内部出现微裂缝。

步骤S5，经一号冷却装置处理后的HFRP次杆由牵引装置带动进入碳纤维切割装置，对HFRP次杆中的碳纤维层进行周期切割；具体地，连接杆602可在滑移槽603内往复运动，连接杆602的往复周期和转盘604转动的间隔周期与碳纤维切割周期T相等，在预设切割位置处，切割刀片601随着连接杆602共同快速移向HFRP次杆，切割刀片随着转盘旋转180°，对HFRP次杆中的碳纤维进行准确切割，然后切割刀片601随着连接杆602共同快速离开HFRP次杆，以上程序循环进行。对碳纤维切割装置的控制是通过在设备控制台上对连接杆602和转盘604输入指令周期信号实现的，由于设定的连接杆602移动速度与转盘604的转速足够大，HFRP次杆的牵引移动不会影响到碳纤维的切割工艺。

步骤S6，经碳纤维切割装置处理后的HFRP次杆由牵引装置带动进入二号挤压装置，将浸渍树脂的玻璃纤维与HFRP次杆挤压形成HFRP主杆，经过预热装置后，再通过缠绕装置使得预紧的缠绕带在HFRP主杆表面形成缠绕肋；工作过程中，通过挤压模具将浸渍树脂的成阵列分布的玻璃纤维束与HFRP次杆挤压形成一根主杆，考虑到碳纤维切割装置可能对HFRP次杆表面产生预损伤，液态树脂可以流动进入HFRP次杆表面的缝隙中，经过预热装置9，可增大树脂在HFRP主杆内部的流动性，再通过缠绕装置10缠绕，预紧的缠绕带在HFRP筋表面形成缠绕肋。

步骤S7，带有缠绕肋的HFRP主杆受牵引进入二号高温固化装置，树脂进行聚合反应并形成高密度聚合体，再经过二号冷却装置降温处理，完成混杂纤维增强聚合物筋的生产。带有缠绕肋的HFRP筋受牵引进入二号高温固化装置12，进入初始温度剧增，HFRP筋内树脂粘度降低流动性增大，再一次促进了树脂在HFRP筋内的流动性和浸润性达到更加均匀分布的目的。随着时间的推移，HFRP筋在二号高温固化装置12中大量受热，乙烯树脂进行充分的聚合反应形成高密度聚合体。最后，再经过二号冷却装置13降温处理和裁切装置15定长切割就实现了其截面纤维分布形式按照预设方式分布的HFRP筋。

上文已详细描述了用于实现本发明的较佳实施例，但应理解，这些实施例的作用仅在于举例，而不在于以任何方式限制本发明的范围、适用或构造。本发明的保护范围由所附权利要求及其等同方式限定。所属领域的普通技术人员可以在本发明的教导下对前述各实施例作出诸多改变，这些改变均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产工艺，所述生产工艺是利用非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产设备进行混杂纤维增强聚合物筋的生产，所述非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产设备包括依次布设的纱团放置架、HFRP次杆成型系统、HFRP主杆成型系统和牵引装置；所述HFRP次杆成型系统包括依次布置的一号浸胶装置、一号挤压装置、一号高温固化装置、一号冷却装置和碳纤维切割装置；所述HFRP主杆成型系统包括依次布置的二号浸胶装置、二号挤压装置、预热装置、缠绕装置、二号高温固化装置和二号冷却装置；

所述一号浸胶装置和所述二号浸胶装置均包括浸胶室、设置在所述浸胶室进口侧的第一集纱板、设置在所述浸胶室出口侧的第二集纱板和设置在所述浸胶室内的压杆轴，在所述第一集纱板和第二集纱板上均布置有多个导线孔；

所述一号高温固化装置、一号冷却装置、二号高温固化装置、二号冷却装置和预热装置均包括高温室、用于对高温室内空气加热的加热组件和管线室，所述管线室内设置有控制加热组件的电控单元、排布线路和废气收集管道；

所述碳纤维切割装置包括转盘、驱动所述转盘周向旋转的旋转驱动部、设置在所述转盘上的径向滑移槽、布设在所述滑移槽内的连接杆、驱动所述连接杆滑移动作的滑移驱动部和设置在所述连接杆的端部的切割刀片，所述转盘的中部设置有与HFRP次杆对应的第一通孔，所述切割刀片用于对HFRP次杆外层的碳纤维进行切割；

其特征在于，所述生产工艺包括以下步骤：

步骤S1，确定目标混杂纤维增强聚合物筋的参数，并获取所需碳纤维总束数、所需钢纤维总束数、所需玻璃纤维总束数和碳纤维切割装置的切割周期；

步骤S2，按照预设的碳纤维、钢纤维和玻璃纤维在目标混杂纤维增强聚合物筋截面上的分布方式把纤维纱团搁置在纱团放置架上，从纱团放置架上引出的碳纤维进入一号浸胶装置浸渍树脂，钢纤维和玻璃纤维直接平行穿过一号浸胶装置后，玻璃纤维进入二号浸胶装置浸渍树脂；

步骤S3，浸渍树脂的碳纤维和钢纤维由牵引装置带动进入一号挤压装置，挤压形成HFRP次杆，所述HFRP次杆采用中间为钢芯、外围为碳纤维层的纤维层间分布；

步骤S4，HFRP次杆由牵引装置带动进入一号高温固化装置，树脂进行聚合反应并形成高密度聚合体，再经过一号冷却装置降温处理；

步骤S5，经一号冷却装置处理后的HFRP次杆由牵引装置带动进入碳纤维切割装置，对HFRP次杆中的碳纤维层进行周期切割；

步骤S6，经碳纤维切割装置处理后的HFRP次杆由牵引装置带动进入二号挤压装置，将浸渍树脂的玻璃纤维与HFRP次杆挤压形成HFRP主杆，经过预热装置后，再通过缠绕装置使得预紧的缠绕带在HFRP主杆表面形成缠绕肋；

步骤S7，带有缠绕肋的HFRP主杆受牵引进入二号高温固化装置，树脂进行聚合反应并形成高密度聚合体，再经过二号冷却装置降温处理，完成混杂纤维增强聚合物筋的生产。

2.根据权利要求1所述的非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产工艺，其特征在于，所述生产设备还包括用于刮除HFRP次杆和HFRP主杆上的多余树脂的刮胶装置，所述刮胶装置包括连接件、盖帽和刮胶片，所述连接件的中部设置有第二通孔，所述盖帽的其中一侧设置有用于放置刮胶片的沉槽，所述盖帽的另一侧设置有与沉槽连通的呈锥台形的导液口，所述盖帽的周向设置有多个紧固螺栓，所述连接件的其中一端插入沉槽内并与所述刮胶片贴合压紧，所述紧固螺栓固紧所述连接件和盖帽。

3.根据权利要求2所述的非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产工艺，其特征在于，所述连接件为圆柱形，所述连接件两端的外壁上均开设有环形外卡槽，在所述外卡槽内设置有弹性卡簧；与所述连接件的两端连接的设备机架上设置有连接套，所述连接套内设置有内卡槽，所述弹性卡簧匹配设置在所述外卡槽和内卡槽之间。

4.根据权利要求2或3所述的非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产工艺，其特征在于，在依次设置的一号浸胶装置、一号挤压装置、一号高温固化装置、一号冷却装置和碳纤维切割装置中，相邻两设备之间均设置有刮胶装置；

在依次设置的二号浸胶装置、二号挤压装置、预热装置、缠绕装置、二号高温固化装置和二号冷却装置中，相邻两装置之间均设置有刮胶装置。

5.根据权利要求1所述的非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产工艺，其特征在于，所述加热组件包括导风筒、布设在导风筒内的加热线圈、设置在加热线圈上部的扇叶和驱动扇叶转动的驱动电机，所述扇叶用于将经过加热线圈加热的空气吹入高温室内。

6.根据权利要求1所述的非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产工艺，其特征在于，所述牵引装置包括上下布设的两输送带或牵引辊，所述混杂纤维增强聚合物筋匹配设置在两输送带之间或两牵引辊之间。

7.根据权利要求1所述的非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产工艺，其特征在于，所述生产设备还包括裁切装置，所述裁切装置设置在所述牵引装置后侧，所述裁切装置用于对混杂纤维增强聚合物筋进行裁切。

8.根据权利要求1所述的非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产工艺，其特征在于，所述生产设备还包括高温凝胶装置，所述高温凝胶装置与所述一号高温固化装置结构相同。

9.根据权利要求1所述的非连续混杂纤维增强聚合物筋的生产工艺，其特征在于，在步骤S1中，

所需碳纤维总束数：

所需钢纤维总束数：

所需玻璃纤维总束数：

碳纤维切割周期：

其中，D为HFRP筋直径、V_f为总纤维体积比，V_C为表碳纤维体积率，V_S为钢纤维体积率，V_G为玻璃纤维体积率，S_C为单束碳纤维的截面面积，S_S为单束钢纤维的截面面积，S_G为单束玻璃纤维的截面面积，L为非连续碳纤维片的长度，Q为牵引速度。