CN1904286A - 一种表面带有连续螺旋状凹槽的碳纤筋材及其生产方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明针对市场急需表在带有螺纹的碳纤筋材及生产工艺和装置，它包括由若干碳纤丝经粘结剂粘结而成的筋材基体，其特征是所述的筋材基体表面上设有呈连续螺旋状的碳纤凸起，本发明同时公开了生产利用F4带缠绕生产碳纤筋材的方法及其成套装置，具有方法简单，设备易于实现有优点。

Description

一种表面带有连续螺旋状凹槽的碳纤筋材及其生产方法和装置

技术领域

本发明涉及一种热固性纤维复合材料及其拉挤成型工艺和设备，特别是一种表面具有防滑螺纹的热固性纤维复合材料及其挤拉成型工艺和装置，具体地说是一种表面带有连续螺旋状凹槽的碳纤筋材及其生产方法和装置。

背景技术

复合材料是近年来快速发展的新型材料行业之一，其中用热固性纤维复合材料通过拉挤成型工艺制造的制品由于具有轻质高强、耐腐蚀的优点，其拉挤成型的制品具有优良的物理、化学性能使其在工业领域得到了广泛的使用，其轻质高强特性，抗烧蚀性能良好，可以承受高于3000℃的高温，高温稳定性能好，室温强度可以保持到2500℃，更重要的是随着温度增高其强度不降低。它优良的耐化学、耐环境腐蚀能力，可用来代替不锈钢、陶瓷等耐腐蚀结构材料。拉挤成型制品的优良的力学性使其在建筑、矿山、机械制造业中得以大显神通，可用来代替结构钢、合金铝、优质木材等材料。

近年来，作为热固性材料之一的碳纤维以其优良有性能被广泛用于土木建设工程中，尤其是近年在桥梁建设中得到了迅速推广应用，用其制造的斜拉索具有强度高，重量轻，耐腐蚀的优点抗烧蚀性能良好，可以承受高于3000℃的高温，高温稳定性能好，更重要的是随着温度增高其强度不降低。

碳纤维增强复合材料(CFRP)是由有机纤维在惰性气体中经高温碳化而成的，它具有轻质、高强、高弹模、温度膨胀小、耐疲劳以及在潮湿环境下具有优越的耐腐蚀性能，这些特点决定了它在替代钢材方面的优势。

在实际制造过程中为了便于制造和运输，由碳纤维制造的筋材不可无限长，因此在实际使用时必须将工业化制造的碳纤维筋材进行连接，由于碳纤维筋材在拉挤成形过程中所得的产品均为表面非常光滑的，因此接头处的摩擦力十分小，因此，为了提高连接的强度，必须对碳纤维棒表面进行处理，以提高连接强度，目前常用的方法有：1、在棒材表面粘结短纤维；2、通过模具挤压出凹凸面；3、用机械法在棒材表面加工形成凹凸面。这些方法存在的问题主要有：一是表面的起增强摩擦力的粘结层强度不够，二是形成的凹凸面仍过于光滑或对纤维产生损伤从而影响抗拉强度，三是表面螺纹呈非连接状态，螺纹的强度不高。而据申请人所知，目前尚无一种较好的解决方法可供使用，由于技术封锁和贸易壁垒以致于此类建材仍大量依赖于进口。

发明内容

本发明的目的是提供一种表面带有连续螺旋状凹槽的碳纤筋材及其生产方法和装置以解决我国斜拉桥梁建设急需材料。

本发明的技术方案是：

一种表面带有连续螺旋状凹槽的碳纤筋材，包括由若干碳纤丝经粘结剂粘结而成的筋材基体，其特征是所述的筋材基体表面上设有用F4带缠勒形成的呈连续螺旋状的凹槽。

一种制造表面带有连续螺旋状凹槽的碳纤筋材的方法，它包括以下步骤：

a、将碳纤维从纱架引出，在涨力器的控制作用下，经过集束板，使其呈同一张力成束状先通过一温度60℃～80℃的烘箱，以降低碳纤维的含水率，然后进入30℃恒温树脂浸渍槽浸渍；

b、将上述经过恒温树脂浸渍的碳纤维束送入温度为60℃～80℃度的预热器预热后以300～400mm/min速度进入预成形模中挤出多余树脂并排出气泡，得到预定尺寸的筋材毛坯；

c、使上述筋材毛坯以设定的速度前进的同时，在筋材毛坯表面同时缠绕一层厚度为0.2～2mm的F4带。

d、将上述缠绕有F4带的筋材毛坯以300-400mm/min的速度进入定型模具中经过160℃～180℃的预热、200℃～220℃的凝胶、190℃～210℃的固化过程，以使缠绕层中的碳纤带与筋材毛坯相结合，形成凹凸面；其中的预热、凝胶、固化的时间可由牵引速度和模具的长度确定。

e、将上述筋材毛坯从模具中引出的同时将缠绕在其表面的F4带进行退绕，使其与筋材毛坯表面脱离并在筋材毛坯表面形成螺旋形凹槽；

f、将退绕后的筋材毛坯引入温度为180℃～200℃的烘箱中进行最终固化后即得本发明的表面带有螺纹凹槽的碳纤筋材。

上述碳纤筋材的制造可采用下列装置加以实现：

一种表面带有连续螺旋状凹槽的碳纤筋材的生产装置，依次由纱架2、涨力器3、集束板4、预热烘箱5、恒温树脂浸渍槽6、红外线预热器7、预成型模8、缠绕机9、定形模具10、退绕装置14、固化烘箱11、同步牵引机12、切割机13连接而成同步牵引机12牵引碳纤维以恒定的速度从纱架2上引出后分别经过涨力器3、集束板4、预热烘箱5、恒温树脂浸渍槽6、红外线预热器7、预成型模8、缠绕机9、定形模具10、退绕装置14、固化烘箱11后送入切割机13切割得到成品，其特征是：

a、所述的缠绕机9由F4带缠绕盘901、涨力器902、传动机构903、转盘904组成，F4带缠绕盘901、涨力器902对应安装在转盘904的两侧，在转盘904与F4带缠绕盘901相同的一侧面上安装有F4带缠导向杆905，转盘904安装在一空心转轴906上，空心转轴906安装在支架907上，碳纤维半成品穿过空心转轴906，空心转轴906由传动机构903驱动；

b、所述的退绕装置14由转盘141、收卷电机142、空心轴143、支架144、传动机构145、F4带收卷盘146组成，传动机构145与空心轴143相连，空心轴143安装在支架144上，转盘141安装在空心轴143上，F带收卷盘146、收卷电机142安装在转盘141上，碳纤筋材半成品穿过空心轴143，在转盘141还安装有一退绕导向杆147。

所述的同步牵引机12的数量为两台，它们交替牵引着夹持在碳纤筋材上将其送入切割机13中。

F4带缠绕机9的转盘904的一侧安装有旋转编码器15，旋转编码器15与可编程控制器16相连，可编程控制器16通过变频器17与传动机构903中的电机相连，该电机在可编程控制器16中的软件的控制下通过变频器17实现其转速调整，以使碳纤筋材以设定的速度V前进；在F4带退绕装置14的一侧也安装有一旋转编码器18，旋转编码器18与可编程控制器16相连，可编程控制器16通过变频器19与传动机构145中的电机相连，该电机在可编程控制器16中的软件的控制下通过变频器19实现其转速调整，以使碳纤筋材也以设定的速度V前进；在同步牵引机12中的推进油缸121的活塞杆上安装有光栅位移传感器20，光栅位移传感器20通过放大器21与可编程控制器16相连，可编程控制器16再通过放大器22与控制油缸121速度的比例阀23相连，油缸121在可编程控制器16中的软件的控制下通过放大器22、比例阀23实现对活塞杆移动速度的调整，使被活塞杆夹持的碳纤筋材以设定的速度V送入切割机13中。

所述的收卷电机142与F4带收卷盘146同轴线设置于转盘141的两侧。

本发明具有以下优点：

本发明成功地解决了碳纤筋材表面连续有凹凸螺纹的制造方法，所加工的螺纹具有强度高，摩擦系数大，连续性好的优点，可满足各种工程需要，不仅可用于桥梁拉索，而且可用于混凝土结构件中。解决了碳纤筋材在实际使用中无法正常发挥高强的作用，并且大大降低了施工范围的局限性，可以更广泛的在多种结构场合设计使用。

本发明充分利用了F4带的优良性能，具有制造方便，成本低，F4带可重复使用的优点。

本发明的设备具有技术世界领先性、高技术含量性、操控自动化程度高、其制造出来的产品结构稳定、各项技术强度指标精确，弥补了国内空白，使以后碳纤筋材在实际使用中能更广泛的运用成为了可能。可大大让碳纤筋材发挥其特有的轻质，高强，耐腐等复合材料的先进性。

附图说明

图1是本发明的碳纤筋材的结构示意图。

图2是本发明的生产工艺流程图。

图3是本发明的成套生产设备结构示意图。

图4是本发明的缠绕装置的结构示意图。

图5是本发明的退绕装置的结构示意图。

图6是本发明的闭环控制系统原理示意图。

具体实施方式

下面结构附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示。

一种表面带有连续螺旋状凹槽的碳纤筋材，包括由若干碳纤丝1经粘结剂粘结而成的筋材基体101，在筋材基体101的表面上设有呈连续螺旋状的凹槽102，凹槽的槽宽介于1-50mm之间，槽深介于0.2-8mm之间，直径介于2-100mm。

如图2所示。

一种制造表面带有连续螺旋状凹槽的碳纤筋材的方法，它包括以下步骤：

a、在计算机控制下将碳纤维从纱架引出，在涨力器的控制作用下，经过集束板，使其呈同一张力成束状先通过一温度60℃～80℃的烘箱，以去除水份，使碳纤的含水率控制在3％以下，然后进入30℃恒温树脂浸渍槽浸渍；

b、将上述经过30℃恒温树脂浸渍的碳纤维束送入温度为60℃～80℃度的预热器预热后以300～400mm/min速度进入预成形模中挤出多余树脂并排出气泡，得到预定尺寸的筋材毛坯；

c、使上述棒材毛坯以设定的速度前进的同时，在棒材毛坯表面同时缠绕一层厚度为0.2～2mm的F4带。

d、将上述缠绕有F4带的筋材毛坯以300-400mm/min的速度进入定型模具中经过160℃～180℃的预热、200℃～220℃的凝胶、190℃～210℃的固化过程，以使缠绕层中的碳纤带与筋材毛坯相结合，形成凹凸面；其中的预热、凝胶、固化的时间也可由牵引速度和模具的长度确定。

e、将上述筋材毛坯从模具中引出的同时将缠绕在其表面的F4带进行退绕，使其与棒材毛坯表面脱离并在棒材毛坯表面形成螺旋形凹槽；

f、将退绕后的筋材毛坯送入温度为180℃～200℃的烘箱中进行最终固化后即得本发明的表面带有螺纹的碳纤筋材，然后进行切断、包装。

如图3、4、5所示。

一种表面带有连续螺旋状凹槽的碳纤筋材的生产装置，依次由纱架2、涨力器3、集束板4、预热烘箱5、恒温树脂浸渍槽6、红外线预热器7、预成型模8、缠绕机9、定形模具10、退绕装置14、固化烘箱11、同步牵引机12、切割机13连接而成同步牵引机12牵引碳纤维以恒定的速度从纱架2上引出后分别经过涨力器3、集束板4、预热烘箱5、恒温树脂浸渍槽6、红外线预热器7、预成型模8、缠绕机9、定形模具10、退绕装置14、固化烘箱11后送入切割机13切割得到成品。其中：缠绕机9可由两个F4带缠绕盘901、两个涨力器902、传动机构903、转盘904组成，一个F4带缠绕盘901和一个涨力器902呈同轴对称安装在转盘904的两侧，另一F4带缠绕盘901和另一涨力器902也呈同轴对称安装在转盘904的两侧，二组F4带缠绕盘901和涨力器902组位于同一直径上，以保证转盘904的平稳运转和F4带缠绕盘901的更换，转盘904与F4带缠绕盘901相同的一侧面上安装有F4带缠导向杆905，转盘904安装在一空心转轴906上，空心转轴906安装在支架907上，碳纤维半成品穿过空心转轴906，空心转轴906由传动机构903驱动；

退绕装置14由转盘141、两台收卷电机142、空心轴143、支架144、传动机构145、两台F4带收卷盘146组成，传动机构145与空心轴143相连，空心轴143安装在支架144上，转盘141安装在空心轴143上，每个F带收卷盘146和一个收卷电机142呈同轴安装在转盘141的两侧面上，两组同轴安装的F带收卷盘146和个收卷电机142位于转盘141的同一直径上，以保证转盘141的平衡运行和F带收卷盘146的及时取换，碳纤筋材半成品穿过空心轴143，在转盘141还安装有一退绕销导向杆147。

具体实施时，为了提高产品质量，提高成品率，防止缠勒不均等质量事故的发生，可将F4带缠绕机9、F4带退绕装置14、同步牵引机12实行闭环控制，以保证碳纤筋材以恒定的速度V移动，如图6所示。

其中：

F4带缠绕机9的转盘904的一侧安装有旋转编码器15，旋转编码器15与可编程控制器16相连，可编程控制器16通过变频器17与传动机构903中的电机相连，该电机在可编程控制器16中的软件的控制下通过变频器17实现其转速调整，以使碳纤筋材以设定的速度V前进；

在F4带退绕装置14的一侧也安装有一旋转编码器18，旋转编码器18与可编程控制器16相连，可编程控制器16通过变频器19与传动机构145中的电机相连，该电机在可编程控制器16中的软件的控制下通过变频器19实现其转速调整，以使碳纤筋材也以设定的速度V前进；

在同步牵引机12(两台)中的推进油缸121的活塞杆上安装有光栅位移传感器20，光栅位移传感器20通过放大器21(可采用常规教科书使用的放大电路加以实现，也可采用市售成熟产品)与可编程控制器16相连，可编程控制器16再通过放大器22与控制油缸121速度的比例阀23相连，油缸121在可编程控制器16中的软件的控制下通过放大器22(也可采用常规教科书使用的放大电路加以实现，还可采用市售成熟产品)、比例阀23实现对活塞杆移动速度的调整，使被活塞杆夹持的碳纤筋材以设定的速度V送入切割机13中。

本实施例除缠绕机、退绕机外的其它设备均可利用现有技术加以实现。

Claims (7)

1、一种表面带有连续螺旋状凹槽的碳纤筋材，包括由若干碳纤丝经粘结剂粘结而成的筋材基体，其特征是所述的筋材基体表面上设有用F4带缠勒形成的呈连续螺旋状的凹槽。

2、根据权利要求1所述的表面带有连续螺旋状凹槽的碳纤筋材，其特征是所述的凹槽的槽宽为1-50mm，槽深为0.2-8mm。

3、一种制造权利要求1的表面带有连续螺旋状凹槽的碳纤筋材的方法，其特征是它包括以下步骤：

a、将碳纤维从纱架引出，在涨力器的控制作用下，经过集束板，使其呈同一张力成束状先通过一温度60℃～80℃的烘箱，然后进入30℃恒温树脂浸渍槽浸渍；

b、将上述经过30℃恒温树脂浸渍的碳纤维束送入温度为60℃～80℃度的预热器预热后以300～400mm/min速度进入预成形模中挤出多余树脂并排出气泡，得到预定尺寸的筋材毛坯；

c、使上述筋材毛坯以设定的速度前进的同时，在筋材毛坯表面同时缠绕一层厚度为0.2～2mm的F4带；。

d、将上述缠绕有F4带的筋材毛坯以300-400mm/min的速度进入定型模具中分别经过160℃～180℃的预热、200℃～220℃的凝胶、190℃～210℃的固化过程，以使缠绕层中的碳纤带与筋材毛坯相结合，形成凹凸面；

e、将上述筋材毛坯从模具中引出的同时将缠绕在其表面的F4带进行退绕，使其与筋材毛坯表面脱离并在筋材毛坯表面形成螺旋形凹槽；

f、将退绕后的筋材毛坯引入温度为180℃～200℃的烘箱中进行最终固化后即得本发明的表面带有螺纹凹槽的碳纤筋材。

4、一种权利要求1所述的表面带有连续螺旋状凹槽的碳纤筋材的生产装置，依次由纱架(2)、涨力器(3)、集束板(4)、预热烘箱(5)、恒温树脂浸渍槽(6)、红外线预热器(7)、预成型模(8)、F4带缠绕机(9)、定形模具(10)、F4带退绕装置(14)、固化烘箱(11)、同步牵引机(12)、切割机(13)连接而成同步牵引机(12)牵引碳纤维以恒定的速度从纱架(2)上引出后分别经过涨力器(3)、集束板(4)、预热烘箱(5)、恒温树脂浸渍槽(6)、红外线预热器(7)、预成型模(8)、F4带缠绕机(9)、定形模具(10)、F4带退绕装置(14)、固化烘箱(11)后送入切割机(13)切割得到成品，其特征是：

a、所述的F4带缠绕机(9)是由F4带缠绕盘(901)、涨力器(902)、传动机构(903)、转盘(904)组成，F4带缠绕盘(901)、涨力器(902)对应安装在转盘(904)的两侧，在转盘(904)与F4带缠绕盘(901)相同的一侧面上安装有F4带缠导向杆(905)，转盘(904)安装在一空心转轴(906)上，空心转轴(906)安装在支架(907)上，碳纤维半成品穿过空心转轴(906)，空心转轴(906)由传动机构(903)驱动；

b、所述的F4带退绕装置(14)由转盘(141)、收卷电机(142)、空心轴(143)、支架(144)、传动机构(145)、F4带收卷盘(146)组成，传动机构(145)与空心轴(143)相连，空心轴(143)安装在支架(144)上，转盘(141)安装在空心轴(143)上，F带收卷盘(146)、收卷电机(142)安装在转盘(141)上，碳纤筋材半成品穿过空心轴(143)，在转盘(141)还安装有一退绕导向杆(147)。

5、根据权利要求4所述的表面带有连续螺旋状凹槽的碳纤筋材的生产装置，其特征所述的同步牵引机(12)的数量为两台，它们交替牵引着夹持碳纤筋材(15)将其送入切割机(13)中。

6、根据权利要求4所述的表面带有连续螺旋状凹槽的碳纤筋材的生产装置，其特征是F4带缠绕机(9)的转盘(904)的一侧安装有旋转编码器(15)，旋转编码器(15)与可编程控制器(16)相连，可编程控制器(16)通过变频器(17)与传动机构(903)中的电机相连，该电机在可编程控制器(16)中的软件的控制下通过变频器(17)实现其转速调整，以使碳纤筋材以设定的速度V前进；在F4带退绕装置(14)的一侧也安装有一旋转编码器(18)，旋转编码器(18)与可编程控制器(16)相连，可编程控制器(16)通过变频器(19)与传动机构(145)中的电机相连，该电机在可编程控制器(16)中的软件的控制下通过变频器(19)实现其转速调整，以使碳纤筋材也以设定的速度V前进；在同步牵引机(12)中的推进油缸(121)的活塞杆上安装有光栅位移传感器(20)，光栅位移传感器(20)通过放大器(21)与可编程控制器(16)相连，可编程控制器(16)再通过放大器(22)与控制油缸(121)速度的比例阀(23)相连，油缸(121)在可编程控制器(16)中的软件的控制下通过放大器(22)、比例阀(23)实现对活塞杆移动速度的调整，使被活塞杆夹持的碳纤筋材以设定的速度V送入切割机(13)中。

7、根据权利要求4所述的表面带有连续螺旋状凹槽的碳纤筋材的生产装置，其特征所述的收卷电机(142)与F4带收卷盘(146)同轴线设置于转盘(141)的两侧。

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