CN116290574A - 高模量混杂纤维增强树脂筋及其制备方法、应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高模量混杂纤维增强树脂筋及其制备方法、应用，涉及建筑材料的技术领域，包括作为芯部的混杂纤维增强筋、包裹该芯部的树脂层，以及缠绕该树脂层的纤维增强聚合物筋；其中，作为芯部的混杂纤维增强筋中碳纤维和玻璃纤维的体积比为1：2～1：6，玻璃纤维的弹性模量为90～120GPa，碳纤维的弹性模量为230～460GPa，作为芯部的混杂纤维增强筋的纤维体积率为60～75％。本发明解决了现有技术中HFRP筋材的模量低和各项力学性能不佳的技术问题，达到了HFRP筋材的弹性模量高、韧性好以及抗压能力强的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料的技术领域，尤其是涉及一种高模量混杂纤维增强树脂筋及其制备方法、应用。
背景技术
纤维增强聚合物复合材料(FRP)因其轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳以及无磁性等的优点而被用作为钢材的替代材料，在土木工程中得到了广泛的应用。与传统钢筋相比，玻璃纤维增强聚合物(GFRP)复合钢筋具有出色的耐久性，同时，FRP筋作为纵筋、腹筋或预应力筋用于混凝土结构中，不仅能够提高混凝土结构的耐久性，而且能够带来良好的经济效益和社会效益。
目前，单一的FRP材料通常存在各自的缺陷，例如FRP筋中的碳纤维增强聚合物(CFRP)筋的成本过高且延伸率低，导致难以大范围应用，而成本较低的玻璃纤维增强聚合物(GFRP)筋的弹性模量小，导致使用GFRP筋的混凝土构件的刚度较低，容易造成裂缝和变形过大而引起损坏。
针对上述问题，目前主要采用多种纤维混杂制成的HFRP筋材来提高力学性能，不仅可以综合多种纤维的优势，获得类似钢筋的屈服阶段，而且还能够大幅降低材料的成本。然而，现有研究中采用的玻璃纤维材料的弹性模量大多低于80GPa，碳纤维的弹性模量一般在230GPa以下，制备出的HFRP筋也都低于90GPa，模量偏低的问题仍较为突出；而且，目前的常规工艺并不能够改善筋材的各向异性，包括其在压缩中的复杂行为和缺乏标准的测试程序，往往忽略筋材在混凝土受压区中的抗压强度贡献，阻碍了其作为抗压增强材料的使用。因此，制作出各项性能出色的高弹模HFRP筋材，是目前建筑工程行业所亟待解决的重要问题。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种高模量混杂纤维增强树脂筋，不仅弹性模量高、韧性好，而且抗压能力强。
本发明的目的之二在于提供一种高模量混杂纤维增强树脂筋的制备方法，工艺简单、高效，适合工厂化生产。
本发明的目的之三在于提供一种高模量混杂纤维增强树脂筋的应用，能够提高混凝土构件的刚度，不易引起损坏，应用效果突出。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
第一方面，一种高模量混杂纤维增强树脂筋，包括作为芯部的混杂纤维增强筋、包裹所述芯部的树脂层，以及缠绕所述树脂层的纤维增强聚合物筋；
所述作为芯部的混杂纤维增强筋中碳纤维和玻璃纤维的体积比为1：2～1：6；
其中，所述玻璃纤维的弹性模量为90～120GPa，所述碳纤维的弹性模量为230～460GPa；
所述作为芯部的混杂纤维增强筋的纤维体积率为60～75％。
进一步的，所述玻璃纤维包括E9玻璃纤维；
优选地，所述碳纤维包括M40JB-12000型高模量碳纤维。
进一步的，所述树脂层包括乙烯基树脂；
优选地，所述乙烯基树脂的弹性模量在3GPa以上；
优选地，所述树脂层的厚度为2～3mm。
进一步的，所述缠绕包括螺旋缠绕；
优选地，所述螺旋缠绕的角度为80～85°。
进一步的，所述纤维增强聚合物筋包括玻璃纤维增强聚合物筋；
优选地，所述玻璃纤维增强聚合物筋的模量为90～120GPa。
第二方面，一种上述任一项所述的高模量混杂纤维增强树脂筋的制备方法，包括以下步骤：
(a)按比例引出碳纤维和玻璃纤维，依次经第一浸胶和成型，得到作为芯部的混杂纤维增强筋；
(b)步骤(a)得到的作为芯部的混杂纤维增强筋经第二浸胶，形成树脂层，之后将纤维增强聚合物筋缠绕在所述树脂层上，固化，得到所述高模量混杂纤维增强树脂筋。
进一步的，所述成型的方式包括在模具中挤压成型。
进一步的，所述树脂层的交联引发剂包括过氧化苯甲酰和过氧化苯甲酸叔丁酯中的至少一种；
优选地，所述交联引发剂为过氧化苯甲酰和过氧化苯甲酸叔丁酯的双组分复合引发剂。
进一步的，所述缠绕的方法包括以下步骤：
沿混杂纤维增强筋的轴线方向在树脂层上进行螺旋缠绕。
第三方面，一种上述任一项所述的高模量混杂纤维增强树脂筋在混凝土构件中的应用。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
本发明提供的高模量混杂纤维增强树脂筋(HFRP筋)，通过高模量碳玻纤维的混杂，HFRP筋的弹性模量得到了有效提升；同时，通过外部缠绕的纤维增强聚合物筋(例如可以为高模量GFRP)，HFRP筋的整体抗压能力得到了显著提升，其抗压能力能够提高近一倍；此外，树脂层可以采用高模量高韧性的树脂材料，能够进一步加强HFRP筋的韧性。总之，通过混杂纤维中特定模量及其比例的碳纤维和玻璃纤维、特定的纤维体积率，以及缠绕于树脂层的纤维增强聚合物筋的协同配合，本发明的HFRP筋不仅弹性模量高、韧性好，而且抗压能力强，各项性能出色，非常适用于建筑材料，满足建筑工程行业的需求。
本发明提供的高模量混杂纤维增强树脂筋的制备方法，工艺简单、高效，适合工厂化生产。
本发明提供的高模量混杂纤维增强树脂筋的应用，能够提高混凝土构件的刚度，不易引起损坏，应用效果突出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的高模量混杂纤维增强树脂筋的正截面图；
图2为本发明实施例1提供的高模量混杂纤维增强树脂筋的横截面图；
图3为本发明实施例1提供的CFRP筋、HFRP筋以及GFRP筋的应力应变关系图。
具体实施方式
下面将结合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。
根据本发明的第一个方面，提供了一种高模量混杂纤维增强树脂筋，包括作为芯部的混杂纤维增强筋、包裹该芯部的树脂层，以及缠绕该树脂层的纤维增强聚合物筋；
其中，作为芯部的混杂纤维增强筋中碳纤维和玻璃纤维的体积比可以为1：2～1：6，其典型但非限制性的体积比例如为1：2、1：3、1：4、1：5、1：6；若碳纤维和玻璃纤维的体积比(碳玻比)过小，则会导致刚度较低；若碳纤维和玻璃纤维的体积比(碳玻比)过大，则会导致延性较差；
其中，玻璃纤维的弹性模量可以为90～120GPa，其典型但非限制性的弹性模量例如为90GPa、95GPa、100GPa、105GPa、110GPa、115GPa、120GPa；若玻璃纤维的弹性模量过小，则会导致混杂纤维增强筋刚度较低；若玻璃纤维的弹性模量过大，则会导致混杂纤维增强筋延性较差；
碳纤维的弹性模量可以为230～460GPa，其典型但非限制性的弹性模量例如为230GPa、250GPa、270GPa、290GPa、300GPa、310GPa、320GPa、330GPa、340GPa、350GPa、360GPa、370GPa、380GPa、390GPa、400GPa、420GPa、440GPa、460GPa；若碳纤维的弹性模量过小，则会导致混杂纤维增强筋刚度较低；若碳纤维的弹性模量过大，则会导致混杂纤维增强筋延性较差；
作为芯部的混杂纤维增强筋的纤维体积率可以为60～75％，其典型但非限制性的纤维体积率例如为60％、61％、62％、63％、64％、65％、66％、67％、68％、69％、70％、71％、72％、73％、74％、75％；若纤维体积率过小，则会导致混杂纤维增强筋刚度较低；若纤维体积率过大，则会导致混杂纤维增强筋材表面发毛，影响其受力性能。
本发明提供的高模量混杂纤维增强树脂筋(HFRP筋)，通过高模量碳玻纤维的混杂，HFRP筋的弹性模量得到了有效提升；同时，通过外部缠绕的纤维增强聚合物筋(例如可以为高模量GFRP)，HFRP筋的整体抗压能力得到了显著提升，其抗压能力能够提高近一倍；此外，树脂层可以采用高模量高韧性的树脂材料，能够进一步加强HFRP筋的韧性。总之，通过混杂纤维中特定模量及其比例的碳纤维和玻璃纤维、特定的纤维体积率，以及缠绕于树脂层的纤维增强聚合物筋的协同配合，本发明的HFRP筋不仅弹性模量高、韧性好，而且抗压能力强，各项性能出色，非常适用于建筑材料，满足建筑工程行业的需求。
在一种优选的实施方式中，玻璃纤维包括但不限于弹性模量为90～120GPa的E9玻璃纤维；碳纤维包括但不限于M40JB-12000型高模量(230～460GPa)碳纤维。
本发明中选择的高弹模的E9玻璃纤维和M40JB-12000型高模量碳纤维作为增强材料，更有利于提高HFRP筋的弹性模量，以满足建筑工程行业的需求。
在一种优选的实施方式中，树脂层包括但不限于乙烯基树脂，具有良好的化学稳定性、耐腐蚀性以及与纤维有良好的粘结性，在25℃下的粘度适合连续纤维的浸渍，可进一步优选为高模量高韧性的乙烯基树脂，其弹性模量可以在3GPa以上，有利于进一步加强HFRP筋的韧性。
在本发明中，树脂层的厚度可以为2～3mm，例如可以为2mm、2.2mm、2.4mm、2.6mm、2.8mm、3mm，但不限于此。
在一种优选的实施方式中，纤维增强聚合物筋缠绕树脂层的方式包括但不限于螺旋缠绕。
在一种优选的实施方式中，螺旋缠绕的角度可以为80～85°，例如可以为80°、81°、82°、83°、84°、85°，但不限于此。
在一种优选的实施方式中，纤维增强聚合物筋包括但不限于玻璃纤维增强聚合物筋(GFRP)，其模量可以为90～120GPa，例如可以为90GPa、95GPa、100GPa、105GPa、110GPa、115GPa、120GPa，但不限于此。
本发明采用高模量的GFRP筋以特定的角度螺旋缠绕于芯部HFRP筋的周围以形成GFRP层，形成横向半包裹型结构，从而能够提高筋材的整体抗压能力，能够将其抗压能力提高近一倍。
根据本发明的第二个方面，提供了一种上述任一项所述的高模量混杂纤维增强树脂筋的制备方法，包括以下步骤：
(a)按比例引出碳纤维和玻璃纤维，依次经第一浸胶和成型，得到作为芯部的混杂纤维增强筋；
(b)步骤(a)得到的作为芯部的混杂纤维增强筋经第二浸胶，形成树脂层，之后将纤维增强聚合物筋缠绕在树脂层上，固化，得到高模量混杂纤维增强树脂筋。
本发明提供的高模量混杂纤维增强树脂筋的制备方法，工艺简单、高效，适合工厂化生产。
在一种优选的实施方式中，步骤(a)中，成型的方式包括但不限于在模具中挤压成型。
在一种优选的实施方式中，步骤(b)中，树脂层的交联引发剂包括但不限于过氧化苯甲酰(BPO)和过氧化苯甲酸叔丁酯(TBPB)中的至少一种，可进一步优选为过氧化苯甲酰(BPO)和过氧化苯甲酸叔丁酯(TBPB)的双组分复合引发剂。
本发明采用过氧化苯甲酰和过氧化苯甲酸叔丁酯组成的双组份复合引发体系以激活乙烯基树脂的交联反应，能够加快树脂的固化。
在一种优选的实施方式中，缠绕的方法包括以下步骤：
沿混杂纤维增强筋的轴线方向在树脂层上进行螺旋缠绕。
一种高模量混杂纤维增强树脂筋的典型的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：送纱：碳纤维和玻璃纤维按比例分别从纱架中引出，得到纤维，待用；
步骤2：第一浸胶：纤维(碳玻比为1：2～1：6)经带有均匀排列的圆孔穿纱板进入浸胶池，浸胶池经水浴加热以提高树脂流动性，从而使纤维充分浸渍，得到浸胶后的纤维束；
步骤3：成型：浸胶后的纤维束穿过穿纱板，并从截面形式为圆形的成型模具的周边孔洞进入成型模具，在成型模具中经挤压成型(拉挤-模压成型工艺)，初步形成光圆HFRP筋材(作为芯部的混杂纤维增强筋，纤维分散分布，纤维体积率60～75％)；
步骤4：第二浸胶：光圆HFRP筋材进入浸胶槽中充分浸润以形成2～3mm厚度的树脂层；
步骤5：缠绕包裹：高模量GFRP筋以80～85°的角度沿HFRP筋材的轴线方向在树脂层上进行螺旋缠绕，形成半包裹型结构，得到缠绕包裹的筋材；
步骤6：缠绕包裹的筋材经加热通道加热固化，得到高模量混杂纤维增强树脂筋成品。
本发明提供的制备方法，采用拉挤-模压成型工艺，以碳玻比为1：2～1：6，纤维体积率为60～75％，纤维分散分布，制备得到作为芯部的HFRP筋材，能够有效提高纤维增强复合材料筋的弹性模量；在芯部HFRP筋材周围采用螺旋缠绕的方法形成额外的GFRP层，形成半包裹型结构，再加热固化，能够显著提高HFRP筋的整体抗压能力。本发明的制备方法，工艺简单、成品优秀率高，适合工业化生产。
根据本发明的第三个方面，提供了一种上述任一项所述的高模量混杂纤维增强树脂筋在混凝土构件中的应用。
本发明提供的高模量混杂纤维增强树脂筋的应用，能够提高混凝土构件的刚度，不易引起损坏，应用效果突出。
下面通过实施例对本发明作进一步说明。如无特别说明，实施例中的材料为根据现有方法制备而得，或直接从市场上购得。
实施例1
一种高模量混杂纤维增强树脂筋(正截面图见图1，横截面图见图2)，包括作为芯部的混杂纤维增强筋(HFRP筋)、包裹芯部的树脂层，以及沿HFRP筋轴线方向螺旋缠绕在树脂层上的高模量(模量为90～120GPa)玻璃纤维增强聚合物(GFRP)筋；
其中，作为芯部的混杂纤维增强筋主要由CFRP筋和GFRP筋组成，该混杂纤维增强筋中的碳纤维和玻璃纤维的体积比为1：4，纤维体积率为65％；
其中，玻璃纤维(E9玻璃纤维)的弹性模量为120GPa，碳纤维(M40JB-12000型高模量碳纤维)的弹性模量为380GPa；
树脂层(厚度3mm)为高弹模乙烯基树脂、环氧树脂，其弹模为3GPa。
本实施例的HFRP筋与CFRP筋、GFRP筋进行应力应变关系的测试，结果见图3，可见HFRP筋的延性优于CFRP筋，HFRP筋的模量高于GFRP，且HFRP筋具有屈服平台。
应力应变关系的测试方法为筋材拉伸试验。
实施例2-3
实施例2-3与实施例1的区别在于，实施例2-4混杂纤维增强筋中的碳纤维和玻璃纤维的体积比分别为1：2和1：6，其余均与实施例1相同。
实施例4-6
实施例4-6与实施例1的区别在于，实施例4-6作为芯部的混杂纤维增强筋的纤维体积率分别为60％、70％以及75％，其余均与实施例1相同。
实施例7-8
实施例7-8与实施例1的区别在于，实施例7-8中E9玻璃纤维的弹性模量分别为90GPa和100GPa，其余均与实施例1相同。
实施例9-11
实施例9-11与实施例1的区别在于，实施例9-11中M40JB-12000型高模量碳纤维的弹性模量分别为230GPa、350GPa以及460GPa，其余均与实施例1相同。
实施例12-13
实施例12-13与实施例1的区别在于，实施例12-13中树脂层的厚度分别为2mm和2.5mm，其余均与实施例1相同。
实施例14
本实施例为实施例1-13的高模量混杂纤维增强树脂筋的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：送纱：碳纤维和玻璃纤维按比例分别从纱架中引出，得到纤维，待用；
步骤2：第一浸胶：纤维经带有均匀排列的圆孔穿纱板进入浸胶池，浸胶池经水浴加热以提高树脂流动性，从而使纤维充分浸渍，得到浸胶后的纤维束；
步骤3：成型：浸胶后的纤维束穿过穿纱板，并从截面形式为圆形的成型模具的周边孔洞进入成型模具，在成型模具中经挤压成型(拉挤-模压成型工艺)，初步形成光圆HFRP筋材；
步骤4：第二浸胶：光圆HFRP筋材进入浸胶槽中充分浸润，形成一定厚度的树脂层(乙烯基树脂)；
其中，采用过氧化苯甲酰和过氧化苯甲酸叔丁酯的双组分复合引发剂以激活乙烯基树脂的交联反应，加快树脂固化；
步骤5：缠绕包裹：高模量GFRP筋以80～85°的角度沿HFRP筋材的轴线方向在树脂层上进行螺旋缠绕，形成半包裹型结构，得到缠绕包裹的筋材；
步骤6：缠绕包裹的筋材经加热通道加热固化，得到高模量混杂纤维增强树脂筋成品。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于，本对比例中混杂纤维增强筋中的碳纤维和玻璃纤维的体积比为1：1，其余均与实施例1相同，其缺陷在于导致混杂纤维增强树脂筋延性较差。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于，本对比例中混杂纤维增强筋中的碳纤维和玻璃纤维的体积比为1：7，其余均与实施例1相同，其缺陷在于导致混杂纤维增强树脂筋刚度较低。
对比例3
本对比例与实施例1的区别在于，本对比例中作为芯部的混杂纤维增强筋的纤维体积率为55％，其余均与实施例1相同，其缺陷在于导致混杂纤维增强树脂筋刚度较低。
对比例4
本对比例与实施例1的区别在于，本对比例中作为芯部的混杂纤维增强筋的纤维体积率为80％，其余均与实施例1相同，其缺陷在于导致混杂纤维增强树脂筋材发毛，受力性能较差。
对比例5
本对比例与实施例1的区别在于，本对比例中E9玻璃纤维的弹性模量为130GPa，其余均与实施例1相同，其缺陷在于导致混杂纤维增强树脂筋延性较差。
对比例6
本对比例与实施例1的区别在于，本对比例中M40JB-12000型高模量碳纤维的弹性模量为470GPa，其余均与实施例1相同，其缺陷在于导致混杂纤维增强树脂筋延性较差。
对比例7
本对比例与实施例1的区别在于，本对比例中未使用GFRP筋缠绕包裹树脂层，其余均与实施例1相同，其缺陷在于导致混杂纤维增强树脂筋抗压抗拉性能较差。
综上所述，本发明采用高模量碳玻纤维混杂的方式，能够有效提高纤维增强复合材料筋的弹性模量，而且进一步采用高模量高韧性的树脂，可以有效提高纤维增强复合材料的韧性，同时通过外部横向半包裹高模量的GFRP，能够显著提高HFRP筋的整体抗压能力，可提高其抗压能力近一倍。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种高模量混杂纤维增强树脂筋，其特征在于，包括作为芯部的混杂纤维增强筋、包裹所述芯部的树脂层，以及缠绕所述树脂层的纤维增强聚合物筋；
所述作为芯部的混杂纤维增强筋中碳纤维和玻璃纤维的体积比为1：2～1：6；
其中，所述玻璃纤维的弹性模量为90～120GPa，所述碳纤维的弹性模量为230～460GPa；
所述作为芯部的混杂纤维增强筋的纤维体积率为60～75％。
2.根据权利要求1所述的高模量混杂纤维增强树脂筋，其特征在于，所述玻璃纤维包括E9玻璃纤维；
优选地，所述碳纤维包括M40JB-12000型高模量碳纤维。
3.根据权利要求1所述的高模量混杂纤维增强树脂筋，其特征在于，所述树脂层包括乙烯基树脂；
优选地，所述乙烯基树脂的弹性模量在3GPa以上；
优选地，所述树脂层的厚度为2～3mm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的高模量混杂纤维增强树脂筋，其特征在于，所述缠绕包括螺旋缠绕；
优选地，所述螺旋缠绕的角度为80～85°。
5.根据权利要求1-3任一项所述的高模量混杂纤维增强树脂筋，其特征在于，所述纤维增强聚合物筋包括玻璃纤维增强聚合物筋；
优选地，所述玻璃纤维增强聚合物筋的模量为90～120GPa。
6.一种权利要求1-5任一项所述的高模量混杂纤维增强树脂筋的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)按比例引出碳纤维和玻璃纤维，依次经第一浸胶和成型，得到作为芯部的混杂纤维增强筋；
(b)步骤(a)得到的作为芯部的混杂纤维增强筋经第二浸胶，形成树脂层，之后将纤维增强聚合物筋缠绕在所述树脂层上，固化，得到所述高模量混杂纤维增强树脂筋。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述成型的方式包括在模具中挤压成型。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述树脂层的交联引发剂包括过氧化苯甲酰和过氧化苯甲酸叔丁酯中的至少一种；
优选地，所述交联引发剂为过氧化苯甲酰和过氧化苯甲酸叔丁酯的双组分复合引发剂。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述缠绕的方法包括以下步骤：
沿混杂纤维增强筋的轴线方向在树脂层上进行螺旋缠绕。
10.一种权利要求1-5任一项所述的高模量混杂纤维增强树脂筋在混凝土构件中的应用。
Priority Applications (1)
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| CN202310283499.0A CN116290574A (zh) | 2023-03-21 | 2023-03-21 | 高模量混杂纤维增强树脂筋及其制备方法、应用 |
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