CN1837741B - 带有内螺旋加强筋的纤维增强塑料筒及其制备方法 - Google Patents

带有内螺旋加强筋的纤维增强塑料筒及其制备方法 Download PDF

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带有内螺旋加强筋的纤维增强塑料筒及其制备方法，它涉及纤维增强塑料筒及制筒方法。它解决了金属材料筒工艺复杂，加工周期长，筒体内表面有微裂纹和筒体重的问题。筒体内衬层(1)上设有至少一条螺旋凹槽，加强筋(3)固定在螺旋凹槽内，加强筋(3)至少为筒体长度的三分之一，筒体外层(2)固定在筒体内衬层(1)和加强筋(3)的外表面上。方法：将模具的外表面进行处理，将筒体内衬层((1)、筒体外层(2)和加强筋(3)铺设、缠绕后放入固化炉成型，对外表面进行处理后即得该筒。本发明的生产周期短、生产效率高和工艺简单，该纤维增强塑料筒轻质、强度高，筒体的内表面光滑，没有微裂纹，还具有耐高温、抗磨损、防渗漏等特点。

Description

带有内螺旋加强筋的纤维增强塑料筒及其制备方法
技术领域
本发明涉及树脂基复合材料制备的纤维增强塑料筒及制筒的方法。
背景技术
目前，现有类似结构的筒体为金属材料采用拉削工艺或电解加工等冷金属加工方法成型。上述方法成型的筒体需使用专用加工设备、筒体的长度与外径的比值的倍数小和工艺复杂，而且产品的加工周期长，成型后筒体的内表面有微裂纹和筒体重，加工中过程中需专用吊装设备进行加工和周转。
发明内容
本发明为了解决现有金属材料筒成型工艺复杂，加工周期长，成型后筒体内表面有微裂纹和筒体重的问题，提供了一种带有内螺旋加强筋的纤维增强塑料筒及其制备方法，解决上述问题的具体技术方案如下：
本发明带有内螺旋加强筋的纤维增强塑料筒，它由筒体内衬层1、筒体外层2和内螺旋加强筋3叠加制成，筒体内衬层1上设有至少一条螺旋凹槽，内螺旋加强筋3固定在螺旋凹槽内，内螺旋加强筋3至少为筒体长度的三分之一，筒体外层2固定在筒体内衬层1和内螺旋加强筋3的外表面上。
本发明的筒体各结构层的材料如下：
筒体内衬层1由纤维和树脂制成，纤维体积含量为40～65％、余量为树脂；内螺旋加强筋3和筒体外层2均由纤维和树脂制成，纤维体积含量为50～65％、余量为树脂。
本发明纤维增强塑料筒的制备方法包含下列步骤：
步骤一、将设计制成的筒形模具的外表面进行涂膜处理；
步骤二、将由体积含量为40～65％的纤维、余量为树脂浸好的预浸布料覆盖在筒形模具的外表面上；
步骤三、将由体积含量为50～65％的纤维、余量为树脂混合制成内螺旋加强筋3的预浸料，然后按内螺旋加强筋3的尺寸依次裁好后，将模具加热到40～50℃，再采用干法将下好的内螺旋加强筋3的预浸料铺设在模具上的内螺旋加强筋3的凹槽内，铺放成型内螺旋加强筋3；
步骤四、将浸入树脂后的体积含量为50～65％的纤维上缠绕机在步骤二铺设的筒体内衬层1和步骤三铺设的内螺旋加强筋3的外表面上缠绕，缠绕角度为30～90°，缠绕张力控制在1～3Kg，筒体外层2的缠绕厚度为2～15mm，完成筒体外层2的缠绕；
步骤五、将经步骤二至四叠加缠绕在模具上的筒体内衬层1、内螺旋加强筋3和筒体外层2放入固化炉内固化成型，固化温度为90～165℃，固化时间为5～7小时；
步骤六、将经步骤五固化成型后的纤维增强塑料筒进行脱模，脱模后对筒的外表面进行机械加工处理后即制成带内螺旋加强筋3的纤维增强塑料筒。
本发明的主要特点是将树脂基复合材料的干法成型与湿法成型有机地结合在一起，产品整体一次固化成型、有效避免了分别成型内螺旋加强筋3与筒体外层2时引起的筒体结构变形，此方法还具有筒体的长度与外径的比值的倍数大5～300、生产周期短、生产效率高和工艺简单，充分发挥树脂基复合材料的各向异性特性，提高了材料的利用率；该方法制成的带内螺旋加强筋的纤维增强塑料筒具有轻质(其密度是金属筒体材料(钢)的1/4)、强度高，筒体的内表面光滑，没有微裂纹，还具有耐高温、抗磨损、防渗漏和成本低，筒体的性能实验指标：可承受内压0.1～10MPa；抗弯刚度达到8.3×104Nm2；抗扭刚度达到3.5×104Nm2。该筒适用于制作炮筒、枪管以及其它具有相似结构的产品。
附图说明
图1是本发明筒体的纵向剖视图，图2是图1的A-A剖视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1描述本实施方式。本实施方式它由筒体内衬层1、筒体外层2和内螺旋加强筋3叠加制成，筒体内衬层1上设有至少一条螺旋凹槽，内螺旋加强筋3固定在螺旋凹槽内，内螺旋加强筋3至少为筒体长度的三分之一，筒体外层2固定在筒体内衬层1和内螺旋加强筋3的外表面上。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于筒体内径为10mm～400mm，筒体长度与外径的比值的倍数为5～300，内螺旋加强筋3的螺距大于2倍的筒体内径；内螺旋加强筋3为多条并贯穿于筒身的长度方向。
具体实施方式三：本实施方式的筒体内衬层1由纤维的体积含量为40～65％、余量为树脂制成；内螺旋加强筋3和筒体外层2均由纤维体积含量为50～65％、余量为树脂制成。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三的不同点在于筒体内衬层1由纤维的体积含量为40～48％、余量为树脂制成；内螺旋加强筋3和筒体外层2均由纤维体积含量为50～55％、余量为树脂制成。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三的不同点在于筒体内衬层1由纤维的体积含量为49～57％、余量为树脂制成；内螺旋加强筋3和筒体外层2均由纤维体积含量为56～60％、余量为树脂制成。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三的不同点在于筒体内衬层1由纤维的体积含量为58～65％、余量为树脂制成；内螺旋加强筋3和筒体外层2均由纤维体积含量为61～65％、余量为树脂制成。
具体实施方式七：本实施方式的纤维增强塑料筒的制备方法包含下列步骤：
步骤一、将设计制成的筒形模具的外表面进行涂膜处理，涂膜处理采用甲苯和甲基硅橡胶(按重量份：甲苯90份、甲基硅橡胶10份)溶液脱模剂，涂在模具的外表面上；
步骤二、将体积含量为40～65％的纤维，余量为树脂浸好的内衬酚醛预浸布(酚醛预浸布挥发成分含量2～8％、不可溶物5～8％)覆盖铺设在筒形模具的外表面上，铺放成型筒体内衬层1；
步骤三、将体积含量为50～65％的纤维、余量为树脂混合制备的内螺旋加强筋3的预浸料，按内螺旋加强筋3的尺寸依次裁好后，将模具加热到40～50℃，然后采用干法(待预浸料略干后)将下好的内螺旋加强筋3的预浸料从设在模具上的内螺旋加强筋3的凹槽的一端铺入到另一端，铺放成型内螺旋加强筋3；
步骤四、将浸入树脂后的体积含量为50～65％的纤维上缠绕机在步骤二铺设的筒体内衬层1和步骤三铺设的内螺旋加强筋3的外表面上缠绕纤维，缠绕角度为30～90°，缠绕张力控制在1～3Kg，筒体外层2的缠绕厚度为2～15mm，完成对筒体外层2的缠绕；
步骤五、将经步骤二至四叠加缠绕在模具上的筒体内衬层1、内螺旋加强筋3和筒体外层2放入固化炉内分三个阶段进行固化成型，第一阶段炉温为80～100℃，保温1.5～2.5小时，第二阶段炉温为110～130℃，保温0.5～1.5小时，第三阶段炉温为160～180℃，保温2.5～3.5小时；
步骤六、将经步骤五固化成型后的纤维增强塑料筒进行脱模，脱模后对筒的外表面进行车磨加工处理后即制成带内螺旋加强筋3的纤维增强塑料筒。
上述方法成型的筒体内径为10mm～400mm，筒体长度与外径的比值的倍数为5～300，内螺旋加强筋3的螺距大于2倍的筒体内径。内螺旋加强筋3为多条并且贯穿于筒身的长度方向。
对金属筒体而言，筒体的长度与外径的比值的倍数越大内螺旋加强筋3的成型工艺越复杂。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七的不同点在于它还包含在步骤二、步骤三筒体内衬层1与内螺旋加强筋3成型后，将模具套上隔离膜后送入加热炉加热，加热温度为65～90℃，加热时间为0.5～1.5小时，出炉后上缠绕机用干的没浸树脂的纤维进行环向缠绕，缠绕张力为每股3Kg，一小时后撤掉纤维，再重复步骤四的过程，其它步骤与具体实施方式六相同。此实施方式使筒体外层2加密，减小空隙率。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七的不同点在于步骤二的筒体内衬层1由纤维的体积含量为40％、余量为树脂制成，步骤三和步骤四的内螺旋加强筋3和筒体外层2均由纤维体积含量为50％、余量为树脂制成，步骤四的缠绕张力控制在1Kg，步骤五三个阶段的温度和时间为，第一阶段炉温为80℃，保温2.5小时，第二阶段炉温为130℃，保温0.5小时，第三阶段炉温为160℃，保温3.5小时。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式七的不同点在于步骤二的筒体内衬层1由纤维的体积含量为55％、余量为树脂制成，步骤三和步骤四的内螺旋加强筋3和筒体外层2均由纤维体积含量为60％、余量为树脂制成，步骤四的缠绕张力控制在2Kg，步骤五三个阶段的温度和时间为，第一阶段炉温为90℃，保温2小时，第二阶段炉温为120℃，保温1小时，第三阶段炉温为165℃，保温3小时。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式七的不同点在于步骤二的筒体内衬层1由纤维的体积含量为65％、余量为树脂制成，步骤三和步骤四的内螺旋加强筋3和筒体外层2均由纤维体积含量为65％、余量为树脂制成，步骤四的缠绕张力控制在3Kg，步骤五三个阶段的温度和时间为，第一阶段炉温为100℃，保温1.5小时，第二阶段炉温为110℃，保温1.5小时，第三阶段炉温为180℃，保温2.5小时。
本发明采用树脂基复合材料作为筒体的主要材料，上述方法和产品中的纤维，采用玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维中的一种或两种以上的混合纤维，充分发挥树脂基复合材料的各向异性特性，提高了材料的利用率，从而保证了产品的性能.
湿法选用E51环氧树脂体系，干法选用环氧648体系。

Claims (10)

1.带有内螺旋加强筋的纤维增强塑料筒，其特征在于它由筒体内衬层(1)、筒体外层(2)和内螺旋加强筋(3)叠加制成，筒体内衬层(1)上设有至少一条螺旋凹槽，内螺旋加强筋(3)固定在螺旋凹槽内，内螺旋加强筋(3)至少为筒体长度的三分之一，筒体外层(2)固定在筒体内衬层(1)和内螺旋加强筋(3)的外表面上。
2.根据权利要求1所述的带有内螺旋加强筋的纤维增强塑料筒，其特征在于筒体内径为10mm～400mm，筒体长度与外径的比值的倍数为5～300，内螺旋加强筋(3)的螺距大于2倍的筒体内径，内螺旋加强筋(3)为多条并且贯穿于筒体的长度方向。
3.根据权利要求1或2所述的带有内螺旋加强筋的纤维增强塑料筒，其特征在于筒体各结构层的材料为：
筒体内衬层(1)由纤维和树脂制成，纤维的体积含量为40～65％、余量为树脂；
内螺旋加强筋(3)和筒体外层(2)均由纤维和树脂制成，纤维的体积含量为50～65％，余量为树脂。
4.根据权利要求3所述的带有内螺旋加强筋的纤维增强塑料筒，其特征在于筒体内衬层(1)由纤维的体积含量为40～48％、余量为树脂制成；内螺旋筋(3)和筒体外层(2)均由纤维体积含量为50～55％、余量为树脂制成。
5.根据权利要求3所述的带有内螺旋加强筋的纤维增强塑料筒，其特征在于筒体内衬层(1)由纤维的体积含量为49～57％、余量为树脂制成；内螺旋筋(3)和筒体外层(2)均由纤维体积含量为56～60％、余量为树脂制成。
6.根据权利要求3所述的带有内螺旋加强筋的纤维增强塑料筒，其特征在于筒体内衬层(1)由纤维的体积含量为58～65％、余量为树脂制成；内螺旋筋(3)和筒体外层(2)均由纤维体积含量为61～65％、余量为树脂制成。
7.带有内螺旋加强筋的纤维增强塑料筒的制备方法，其特征在于包含下列步骤：
步骤一、将设计制成的筒形模具的外表面进行涂膜处理；
步骤二、将由体积含量为40～65％的纤维，余量为树脂浸好的预浸布料覆盖在筒形模具的外表面上；
步骤三、将由体积含量为50～65％的纤维，余量为树脂混合制成内螺旋加强筋(3)的预浸料，然后按内螺旋加强筋(3)的尺寸依次裁好后，将模具加热到40～50℃，然后再采用干法将下好的内螺旋加强筋(3)的预浸料铺设在模具上的内螺旋加强筋(3)的凹槽内，铺放成型内螺旋加强筋(3)；
步骤四、将浸入树脂后的体积含量为50～65％的纤维上缠绕机在步骤二铺设的筒体内衬层(1)和步骤三铺设的内螺旋加强筋(3)的外表面上缠绕，缠绕角度为30～90°，缠绕张力控制在1～3Kg，筒体外层(2)的缠绕厚度为2～15mm，完成对筒体外层(2)的缠绕；
步骤五、将经步骤二至四叠加缠绕在模具上的筒体内衬层(1)、内螺旋加强筋(3)和筒体外层(2)放入固化炉内固化成型，固化温度为90～165℃，固化时间为5～7小时；
步骤六、将经步骤五固化成型后的纤维增强塑料筒进行脱模，脱模后对筒的外表面进行机械加工处理后即制成带内螺旋加强筋(3)的纤维增强塑料筒。
8.根据权利要求7所述的带有内螺旋加强筋的纤维增强塑料筒的制备方法，其特征在于它还包含在步骤二、步骤三筒体内衬层(1)与内螺旋加强筋(3)成型后，将模具套上隔离膜后送入加热炉加热，加热温度为65～90℃，加热时间为0.5～1.5小时，出炉后上缠绕机用干的没浸树脂的纤维进行环向缠绕，缠绕张力为每股3Kg，一小时后撤掉纤维，再重复步骤四的过程.
9.根据权利要求7或8所述的带有内螺旋加强筋的纤维增强塑料筒的制备方法，其特征在于步骤二的筒体内衬层(1)由纤维的体积含量为40％、余量为树脂制成，步骤三和步骤四的内螺旋筋(3)和筒体外层(2)均由纤维体积含量为50％、余量为树脂制成，步骤四的缠绕张力控制在1Kg，步骤五三个阶段的温度和时间为，第一阶段炉温为90℃，保温2.5小时，第二阶段炉温为130℃，保温0.5小时，第三阶段炉温为160℃，保温3.5小时。
10.根据权利要求7或8所述的带有内螺旋加强筋的纤维增强塑料筒的制备方法，其特征在于步骤二的筒体内衬层(1)由纤维的体积含量为65％、余量为树脂制成，步骤三和步骤四的内螺旋加强筋(3)和筒体外层(2)均由纤维体积含量为65％、余量为树脂制成，步骤四的缠绕张力控制在3Kg，步骤五三个阶段的温度和时间为，第一阶段炉温为100℃，保温1.5小时，第二阶段炉温为110℃，保温1.5小时，第三阶段炉温为165℃，保温2.5小时。
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