CN116948377A - 一种玻璃钢托盘螺母的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种玻璃钢托盘螺母的制备方法，包括：将引发剂、硅灰石、硅烷偶联剂和脱模剂，加入到液态的热固性树脂中，搅拌均匀，制得树脂基体混合液；将短切玻璃纤维与树脂基体混合液混合于捏合机中，搅拌均匀，得到预混料。将称量好的预混料装入托盘模具或者螺母模具中；设置液压机压力、模压温度和模压时间，在液压机的作用下使预混料在模具中热压成型，得到料胚；从模具中取出料胚，处理料胚毛边，完成玻璃钢托盘或玻璃钢螺母的制备。本发明玻璃钢托盘螺母的制备方法制备出的玻璃钢托盘或玻璃钢螺母承载力大大提高，在用于玻璃钢锚杆上时不易产生断裂。
Description
技术领域
本发明属于锚杆配件制造技术领域，具体是一种玻璃钢托盘螺母的制备方法。
背景技术
玻璃钢锚杆及配件为煤帮提供了可切割的支护方式，极大促进了锚杆支护技术的发展与应用。20世纪90年代以来，高强度树脂锚固锚杆杆体技术发展速度较快，但是托盘及螺母的技术发展与杆体严重不匹配，严重制约了玻璃钢锚杆及配件的应用，高强GFRP托盘螺母的研发与生产可进一步促进高强度树脂锚固锚杆的发展，引领玻璃钢锚杆支护行业的进步。
玻璃钢锚杆广泛应用在煤矿、隧道工程、边坡治理等领域，所有的玻璃钢锚杆应用领域都急需高强度的玻璃钢托盘螺母。煤炭行业玻璃钢锚杆生产厂家众多，市场上锚杆杆体性能大体相当，托盘螺母承载力也大体相当，所以市场价格较为透明化，产品利润较低。
目前，GFRP锚杆与配件承载力匹配度严重偏低，(托盘螺母承载力远低于锚杆螺纹承载力的80％)，不能充分释放GFRP锚杆力学特性，降低了GFRP锚杆系统支护效益降低并限制其推广与应用。因此，为了能够显著改善玻璃钢锚杆托盘螺母的承载力，提高玻璃钢锚杆力学性能的利用率，促进玻璃钢锚杆支护行业的发展，急需提供一种高承载力的玻璃钢托盘螺母的制备方法，锚杆配件(托盘螺母)承载力为GFRP锚杆螺纹承载力的80％左右为宜。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种玻璃钢托盘螺母的制备方法，本玻璃钢托盘螺母的制备方法简单方便，制备出的玻璃钢托盘或玻璃钢螺母承载力大大提高，与GFRP锚杆螺纹承载力性能匹配度较高，在用于GFRP锚杆上时不易产生断裂。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种玻璃钢托盘螺母的制备方法，包括：
步骤1：将引发剂、硅灰石、硅烷偶联剂和脱模剂，加入到液态的热固性树脂中，搅拌均匀，制得树脂基体混合液；
步骤2：将短切玻璃纤维与树脂基体混合液混合于捏合机中，搅拌均匀，得到预混料。
步骤3：将称量好的预混料装入托盘模具或者螺母模具中；
步骤4：设置液压机压力、模压温度和模压时间，在液压机的作用下使预混料在模具中热压成型，得到料胚；
步骤5：从模具中取出料胚，处理料胚毛边，完成玻璃钢托盘或玻璃钢螺母的制备。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的短切玻璃纤维的质量百分比为50％，硅灰石的质量百分比为30％，硅烷偶联剂的质量百分比为2％。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的热固性树脂采用不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂或环氧树脂。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述步骤4中的压力为3.5～7MPa，模压温度为150-160℃，模压时间为5min。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的脱模剂为硬脂酸锌。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的短切玻璃纤维的长度为5cm。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述的玻璃钢螺母的制备方法还包括：步骤6：将玻璃钢螺母装入切槽机，在玻璃钢螺母头部轴向切槽。
本发明的有益效果为：
本发明的树脂基体选用热固性树脂采用不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂或环氧树脂，增强纤维选用短切玻璃纤维，硅灰石作为增强材料和增量材料，使得制备的产品性能更好，承载力更高，提高了玻璃钢锚杆力学性能的利用率，促进玻璃钢锚杆支护行业的发展；硅烷偶联剂添加至树脂基体混合液内，作为玻璃纤维的表面处理剂，使玻璃钢托盘螺母的机械性能、电学性能和抗老化性能得到很大的提高。
本发明的热固性树脂采用不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂或环氧树脂，增强纤维选用长度为5mm的短切玻璃纤维，填料选用硅灰石，玻璃纤维含量50％，硅灰石含量30％，硅烷偶联剂含量2％，玻璃钢托盘和玻璃钢螺母承载力可以达到211kN，适用于螺纹承载力≥250kN的高强锚杆。
附图说明
图1为本发明制备流程图。
图2为本发明玻璃钢托盘承载力与短切玻璃纤维长度关系图。
图3为本发明玻璃钢螺母承载力与短切玻璃纤维长度关系图。
图4为本发明玻璃钢托盘承载力与短切玻璃纤维含量关系图。
图5为本发明玻璃钢螺母承载力与短切玻璃纤维含量关系图。
图6为本发明玻璃钢托盘螺母承载力与硅灰石含量关系图。
图7为本发明玻璃钢托盘螺母承载力与硅烷偶联剂含量关系图。
图8为本发明模压温度对玻璃钢托盘螺母承载力影响图
图9为本发明模压时间对玻璃钢托盘螺母承载力影响图。
具体实施方式
下面根据附图对本发明的具体实施方式作出进一步说明：
实施例1：
一种玻璃钢托盘的制备方法，如图1所示，包括：
生产前准备：设备调试，根据工艺要求设置模压温度与模压时间。
步骤1、树脂基体混合液配料：按照一定比例，将引发剂、质量百分比为30％(即预混料总质量的30％)的硅灰石、质量百分比为2％(即预混料总质量的2％)的硅烷偶联剂和脱模剂(采用硬脂酸锌)等准确称量，加入到准确称量的液态的不饱和聚酯树脂中，通过电动搅拌机搅拌均匀，制得树脂基体混合液；
步骤2、预混料制备：将长度为5cm且质量百分比为50％(即预混料总质量的50％)的短切玻璃纤维与树脂基体混合液混合于捏合机中，搅拌均匀，得到预混料。
步骤3、预混料称量和填装：按照工艺要求，称量一定量的预混料，将称量好的预混料装入托盘模具中；
步骤4、挤压固化成型：设置液压机压力为3.5MPa、模压温度为150℃，模压时间为5min，在液压机的作用下使预混料在托盘模具中热压成型，得到托盘料胚；
步骤5、修整打磨：模压时间一到，从托盘模具中取出托盘料胚，用角磨机处理托盘料胚毛边，完成玻璃钢托盘的制备。
实施例2：
一种玻璃钢托盘的制备方法，如图1所示，包括：
生产前准备：设备调试，根据工艺要求设置模压温度与模压时间。
步骤1、树脂基体混合液配料：按照一定比例，将引发剂、质量百分比为30％(即预混料总质量的30％)的硅灰石、质量百分比为2％(即预混料总质量的2％)的硅烷偶联剂和脱模剂(采用硬脂酸锌)等准确称量，加入到准确称量的液态的乙烯基树脂中，搅拌均匀，通过电动搅拌机制得树脂基体混合液；
步骤2、预混料制备：将长度为5cm且质量百分比为50％(即预混料总质量的50％)的短切玻璃纤维与树脂基体混合液混合于捏合机中，搅拌均匀，得到预混料。
步骤3、预混料称量和填装：按照工艺要求，称量一定量的预混料，将称量好的预混料装入托盘模具中；
步骤4、挤压固化成型：设置液压机压力为5.5MPa、模压温度为150℃，模压时间为5min，在液压机的作用下使预混料在托盘模具中热压成型，得到托盘料胚；
步骤5、修整打磨：模压时间一到，从托盘模具中取出托盘料胚，用角磨机处理托盘料胚毛边，完成玻璃钢托盘的制备。
实施例3：
一种玻璃钢托盘的制备方法，如图1所示，包括：
生产前准备：设备调试，根据工艺要求设置模压温度与模压时间。
步骤1、树脂基体混合液配料：按照一定比例，将引发剂、质量百分比为30％(即预混料总质量的30％)的硅灰石、质量百分比为2％(即预混料总质量的2％)的硅烷偶联剂和脱模剂(采用硬脂酸锌)等准确称量，加入到准确称量的液态的环氧树脂中，通过电动搅拌机搅拌均匀，制得树脂基体混合液；
步骤2、预混料制备：将长度为5cm且质量百分比为50％(即预混料总质量的50％)的短切玻璃纤维与树脂基体混合液混合于捏合机中，搅拌均匀，得到预混料。
步骤3、预混料称量和填装：按照工艺要求，称量一定量的预混料，将称量好的预混料装入托盘模具中；
步骤4、挤压固化成型：设置液压机压力为7MPa、模压温度为160℃，模压时间为5min，在液压机的作用下使预混料在托盘模具中热压成型，得到托盘料胚；
步骤5、修整打磨：模压时间一到，从托盘模具中取出托盘料胚，用角磨机处理托盘料胚毛边，完成玻璃钢托盘的制备。
实施例4：
一种玻璃钢螺母的制备方法，包括：
生产前准备。设备调试，根据工艺要求设置模压温度与模压时间。
步骤1、树脂基体混合液配料：按照一定比例，将引发剂、质量百分比为30％(即预混料总质量的30％)的硅灰石、质量百分比为2％(即预混料总质量的2％)的硅烷偶联剂和脱模剂(采用硬脂酸锌)等准确称量，加入到准确称量的液态的不饱和聚酯树脂中，通过电动搅拌机搅拌均匀，制得树脂基体混合液；
步骤2、预混料制备：将长度为5cm且质量百分比为50％(即预混料总质量的50％)的短切玻璃纤维与树脂基体混合液混合于捏合机中，搅拌均匀，得到预混料。
步骤3、预混料称量和填装：按照工艺要求，称量一定量的预混料，将称量好的预混料装入螺母模具中；
步骤4、挤压固化成型：设置液压机压力为3.5MPa、模压温度为160℃，模压时间为5min，在液压机的作用下使预混料在模具中热压成型，得到螺母料胚；
步骤5、修整打磨：模压时间一到，从模具中取出螺母料胚，用角磨机处理螺母料胚毛边；
步骤6、切槽：将螺母料胚装入切槽机，在螺母料胚头部轴向切槽，完成玻璃钢螺母的制备。螺母切槽的目的是使得螺母旋入锚杆上时，具有一定的变形锁紧作用，减少炸裂现象。
实施例5：
一种玻璃钢螺母的制备方法，包括：
生产前准备。设备调试，根据工艺要求设置模压温度与模压时间。
步骤1、树脂基体混合液配料：按照一定比例，将引发剂、质量百分比为30％(即预混料总质量的30％)的硅灰石、质量百分比为2％(即预混料总质量的2％)的硅烷偶联剂和脱模剂(采用硬脂酸锌)等准确称量，加入到准确称量的液态的环氧树脂中，通过电动搅拌机搅拌均匀，制得树脂基体混合液；
步骤2、预混料制备：将长度为5cm且质量百分比为50％(即预混料总质量的50％)的短切玻璃纤维与树脂基体混合液混合于捏合机中，搅拌均匀，得到预混料。
步骤3、预混料称量和填装：按照工艺要求，称量一定量的预混料，将称量好的预混料装入螺母模具中；
步骤4、挤压固化成型：设置液压机压力为5.5MPa、模压温度为160℃，模压时间为5min，在液压机的作用下使预混料在模具中热压成型，得到螺母料胚；
步骤5、修整打磨：模压时间一到，从模具中取出螺母料胚，用角磨机处理螺母料胚毛边；
步骤6、切槽：将螺母料胚装入切槽机，在螺母料胚头部轴向切槽，完成玻璃钢螺母的制备。螺母切槽的目的是使得螺母旋入锚杆上时，具有一定的变形锁紧作用，减少炸裂现象。
实施例6：
一种玻璃钢螺母的制备方法，包括：
生产前准备。设备调试，根据工艺要求设置模压温度与模压时间。
步骤1、树脂基体混合液配料：按照一定比例，将引发剂、质量百分比为30％(即预混料总质量的30％)的硅灰石、质量百分比为2％(即预混料总质量的2％)的硅烷偶联剂和脱模剂(采用硬脂酸锌)等准确称量，加入到准确称量的液态的乙烯基树脂中，通过电动搅拌机搅拌均匀，制得树脂基体混合液；
步骤2、预混料制备：将长度为5cm且质量百分比为50％(即预混料总质量的50％)的短切玻璃纤维与树脂基体混合液混合于捏合机中，搅拌均匀，得到预混料。
步骤3、预混料称量和填装：按照工艺要求，称量一定量的预混料，将称量好的预混料装入螺母模具中；
步骤4、挤压固化成型：设置液压机压力为7MPa、模压温度为150℃，模压时间为5min，在液压机的作用下使预混料在模具中热压成型，得到螺母料胚；
步骤5、修整打磨：模压时间一到，从模具中取出螺母料胚，用角磨机处理螺母料胚毛边；
步骤6、切槽：将螺母料胚装入切槽机，在螺母料胚头部轴向切槽，完成玻璃钢螺母的制备。螺母切槽的目的是使得螺母旋入锚杆上时，具有一定的变形锁紧作用，减少炸裂现象。
试验结果及分析：
1、硅灰石属于一种链状偏硅酸盐，又是一种呈纤维状、针状。由于其特殊的晶体形态结晶结构决定了其性质，硅灰石具有良好的绝缘性，同时具有很高的白度、良好的介电性能和较高的耐热、耐候性能。硅灰石粉可以提高冲击强度、增强流动性以及改善抗拉强度、冲击强度、线性拉伸及模收缩率。当填料选择硅灰石时，制得的制品性能最佳，这是因为硅灰石微观结构呈现纤维状、针状，对玻璃钢托盘和玻璃钢螺母来说，即作为增量填料，也作为增强填料，制得的产品性能更好。
2、玻璃纤维长度对玻璃钢托盘和玻璃钢螺母(简称玻璃钢托盘螺母)承载力的影响：
在玻璃纤维增强复合材料中，玻璃纤维长度与黏结界面成正比，玻璃纤维越长，基体-纤维界面结合力越强，抗拉拔能力越强，玻璃纤维长度也是玻璃钢托盘螺母承载力的影响因素之一。
如图2和图3所示，试验结果表明，玻璃钢托盘承载力与玻璃钢螺母承载力随玻璃纤维长度变化表现出相同的趋势，玻璃纤维长度在5cm时，玻璃钢托盘与玻璃钢螺母承载力最大，这是因为玻璃纤维太短，基体传递应力作用差，基体-纤维界面粘结强度弱，在玻璃钢托盘受力时，基体-纤维界面被破坏，玻璃纤维从基体中拔出，玻璃钢托盘与玻璃钢螺母承载失效；随着玻璃纤维长度达到5cm，基体-纤维界面黏结强度增加，玻璃钢托盘与玻璃钢螺母承载力增加；继续增加纤维长度，玻璃纤维在树脂中已卷曲“球”形态存在，形成内部缺陷，若强行打散“球”形态，需要较大减切力，捏合机搅拌时间增加，搅拌速度加快，但玻璃纤维在打散的同时，会受到伤害，表面产生新的微裂纹甚至断裂，不能很好的起到增强作用。
3、玻璃纤维含量对玻璃钢托盘螺母承载力的影响：
玻璃纤维作为玻璃钢托盘和玻璃钢螺母的增强材料，其含量对盘承载能力起着至关重要的作用。由图4和图5可以看出，玻璃钢托盘和玻璃钢螺母承载力变化趋势随着玻璃纤维含量的变化呈现出相同趋势，玻璃钢托盘和玻璃钢螺母承载力随着纤维含量的增加呈现先增后减的趋势，在玻璃纤维含量50％时，玻璃钢托盘和玻璃钢螺母承载力达到最大值。这是由于纤维含量低时，玻璃钢托盘和玻璃钢螺母内部存在树脂富集区，树脂富集区内增强体少，形成缺陷，当玻璃钢托盘和玻璃钢螺母起承载作用时，树脂富集区因增强体少，承载能力差，首先被破坏，致使玻璃钢托盘和玻璃钢螺母承载力低；随着纤维含量增加，树脂富集区减少，玻璃钢托盘和玻璃钢螺母内部缺陷减少，树脂基体将增玻璃纤维粘结成一个整体，共同承载，承载力增加；但当玻璃纤维含量超过50％，随着玻璃纤维含量持续增加，树脂基体含量相对减少，树脂浸润不充分，玻璃纤维无法很好地粘结在一起，导致玻璃钢托盘和玻璃钢螺母承载力降低。
4、硅灰石含量对玻璃钢托盘螺母承载力的影响：
如图6所示，玻璃钢托盘和玻璃钢螺母承载力随硅灰石含量的变化所呈现的变化趋势一致，都呈现出先增后减的趋势，在硅灰石含量为10％-30％时，制品承载力基本一致，继续增加硅灰石含量，制品承载力断崖式下降，这是由于硅灰石均匀分布，可均匀制品内部应力，有效阻碍微裂纹的萌生和扩展，提高玻璃钢托盘与玻璃钢螺母的承载能力，还可以改善胶层密实性，提高树脂基体-纤维界面粘结强度，进一步提高玻璃钢托盘与玻璃钢螺母的承载能力，但硅灰石添加量过高，颗粒过多，形成较大聚集，对于微裂纹的萌生和扩展不能有效阻碍，甚至促进微裂纹的萌生和扩展，使玻璃钢托盘与玻璃钢螺母的承载能力下降。硅灰石的添加可有效降低生产成本，固选择硅灰石含量为30％为最佳含量。
5、硅烷偶联剂对高强玻璃钢托盘螺母承载力的影响：
硅烷氧基对无机物具有反应性，有机官能基对有机物具有反应性或相容性。因此，当硅烷偶联剂介于无机和有机界面之间，可形成有机基体-硅烷偶联剂-无机基体的结合层。通过使用硅烷偶联剂，可在无机物质和有机物质的界面之间架起″分子桥″，把两种性质悬殊的材料连接在一起提高复合材料的性能和增加粘接强度的作用。硅烷偶联剂作玻璃纤维的表面处理剂，使玻璃钢的机械性能、电学性能和抗老化性能得到很大的提高。
从图7中可以看出，随着硅烷偶联剂添加，玻璃钢托盘的性能呈现先增加后趋于稳定的趋势，这是由于硅烷偶联剂在基体和增强体之间架起了分子桥，介于有机无机界面，形成有机基体-硅烷偶联剂-无机材料界面，把两种性质悬殊的材料连接到一起，提高复合材料粘结强度，从而大大提升制品性能，也就是玻璃钢托盘承载力，随着硅烷偶联剂添加量高于2％，分子桥数量饱和，再添加硅烷偶联剂已起不到增强作用。而硅烷偶联剂的添加对玻璃钢螺母承载力影响不大，玻璃钢螺母都是在承载力达到170kN时顶端劈裂或螺纹滑脱，此时玻璃钢螺母承载力取决于所使用基体树脂本身粘结强度。
当树脂基体选用热固性树脂采用不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂或环氧树脂，增强纤维选用长度为5cm的短切玻璃纤维，填料选用硅灰石，玻璃纤维含量50％，硅灰石含量30％，硅烷偶联剂含量2％。玻璃钢托盘和玻璃钢螺母承载力可以达到211kN。
6、模压温度对玻璃钢托盘螺母承载力的影响：
由图8可以看出，随着模压温度的提升，玻璃钢托盘与玻璃钢螺母承载力呈现出先增后减的趋势，在模压温度区间为150-160℃时玻璃钢托盘承载力最佳，这是由于在温度较低时，固化度低，树脂交联密度低，玻璃钢托盘与玻璃钢螺母承载力低；随着温度升高，固化度提高，交联密度增加，产生的内聚力增强，粘结强度增强，从而使玻璃钢托盘与玻璃钢螺母承载力提高；在温度为150℃-160℃时，固化已基本完全，再增加温度，固化度变动幅度不大，但玻璃钢托盘与玻璃钢螺母承载力反而随着温度升高而下降，这是因为此时温度过高，树脂基体固化反应快，内部会产生气孔，胶层密实性降低，而且温度过高，固化过快，材料内部产生的内应力急剧增加，严重时会导致材料表面产生裂纹，表面焦糊，玻璃钢托盘与玻璃钢螺母承载力大幅降低。
7、模压时间对高强玻璃钢托盘螺母承载力的影响：
由图9可以看出，玻璃钢托盘与玻璃钢螺母承载力随模压时间的增加呈现先增后减的趋势，在模压时间5min时，承载力最优，这是因为模压温度一定，模压时间成为决定玻璃钢托盘质量的重要影响因素。3min的模压时间过于短暂，此时玻璃钢托盘与玻璃钢螺母内部基体交联程度偏低，也就是″欠熟″状态，表现为承载力低，表面无光泽且发粘，敲击声音发闷；随着模压时间提高到5min，玻璃钢托盘与玻璃钢螺母内部树脂基体交联程度适中，基体与增强体形成统一体，承载力达到最佳；模压时间为6min，内部基体树脂开始产生“过熟”效应；若继续增加模压时间，玻璃钢托盘与玻璃钢螺母固化时间太长，内部树脂基体交联度过高，“过熟”效应明显，造成的结果是树脂基体交联过度，从而导致玻璃钢托盘与玻璃钢螺母变脆，承载性能降低，而且树脂基体收缩率增大，玻璃钢托盘与玻璃钢螺母表面出现裂纹，另一方面导致生产效率降低。
模压温度和模压时间决定着玻璃钢托盘螺母质量的好坏，模压温度过低，模压时间不足，会导致制品“不熟”；模压温度过高，制品成型过程中应力集中，导致制品性能降低；模压时间过长，制品“过熟”，生产效率降低。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种玻璃钢托盘螺母的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1：将引发剂、硅灰石、硅烷偶联剂和脱模剂，加入到液态的热固性树脂中，搅拌均匀，制得树脂基体混合液；
步骤2：将短切玻璃纤维与树脂基体混合液混合于捏合机中，搅拌均匀，得到预混料。
步骤3：将称量好的预混料装入托盘模具或者螺母模具中；
步骤4：设置液压机压力、模压温度和模压时间，在液压机的作用下使预混料在模具中热压成型，得到料胚；
步骤5：从模具中取出料胚，处理料胚毛边，完成玻璃钢托盘或玻璃钢螺母的制备。
2.根据权利要求1所述的玻璃钢托盘螺母的制备方法，其特征在于，所述的短切玻璃纤维的质量百分比为50％，硅灰石的质量百分比为30％，硅烷偶联剂的质量百分比为2％。
3.根据权利要求1所述的玻璃钢托盘螺母的制备方法，其特征在于，所述的热固性树脂采用不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂或环氧树脂。
4.根据权利要求1所述的玻璃钢托盘螺母的制备方法，其特征在于，所述步骤4中的压力为3.5～7MPa，模压温度为150-160℃，模压时间为5min。
5.根据权利要求1所述的玻璃钢托盘螺母的制备方法，其特征在于，所述的脱模剂为硬脂酸锌。
6.根据权利要求1所述的玻璃钢托盘螺母的制备方法，其特征在于，所述的短切玻璃纤维的长度为5cm。
7.根据权利要求1所述的玻璃钢托盘螺母的制备方法，其特征在于，所述的玻璃钢螺母的制备方法还包括：
步骤6：将玻璃钢螺母装入切槽机，在玻璃钢螺母头部轴向切槽。
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