一種新型碳纖維復(fù)合材料繩索的研制

1、維晉資訊 科研開(kāi)發(fā)化工科 tt.20Q2,10(4>i6-8SCIENCE & TECHNOLOGY JM CHEMICAL INDUSTRY一種新型碳纖維復(fù)合材料繩索的研制*劉建軍*王延和王成國(guó)，朱渡.崔金祎（山東丸學(xué) 南校區(qū)材料學(xué)院山東 洗南 550061M 豪：峽*1維篁舎材+蠅索具有晝童輕、比就履髙、比曙量髙等優(yōu)拝性能口筆著瑕耳札枷脂E31、 甲基ajAXH（ METHPA）叔駐基< DMP - 30和活社增韌劑6350組咸.的憂脂休承基陣樹(shù)脂"說(shuō) 啜幷維曲増冬材料*儀聚氨曲的保護(hù)/屋*黒用獨(dú)特的制幔工若，制就了高41畑的琥幷卓愛(ài)合林卅無(wú)索。關(guān)詞：曦評(píng)牟&

2、#165;環(huán)航姻脂匸廉合好料巍倉(cāng)；索氨BS中BB分類號(hào)：T< 342.742文就標(biāo)識(shí)碼：A文章 18 號(hào):1008-0511 ( 202 )04*0006-03碳纖維及其宣合材料具有一系列的優(yōu)異性 能，如高比強(qiáng)度、高比模量、耐腐燭、耐挾勞、抗蠕 變、導(dǎo)電、傳熱、熱膨脹系數(shù)小等。碳纖維及其愛(ài) 合材料既可作為結(jié)構(gòu)材料承擔(dān)載荷，又可作為功 能材料發(fā)揮作用甘前幾乎殺有什么材料具有這 樣事方面的特性。同時(shí)碳纖維具有紡織纖維 的柔軟可編性，根據(jù)碳纖維的這一特性，可以開(kāi)發(fā) 新型高性能的碳纖維繩索制品。碳纖維繩不僅重量輕，比強(qiáng)度、比模量高而 且耐腐燭在高溫和低溫環(huán)境中線膨脹系數(shù)小，性 能穩(wěn)定而柔軟。具有

3、傳統(tǒng)繩索（天然纖維、有機(jī)纖 維、無(wú)機(jī)纖維和鋼絲繩等）無(wú)可比擬的優(yōu)越性。碳 纖維繩索可以用于以下幾個(gè)方面：支持（撐）性纜 疑如大跨度斜拉橋纜繩；増強(qiáng)混凝土，如海洋工 程混瞬土；艦船、海上作業(yè)船用纜繩；游艇支寢匸登 山用繩索等。碳紆維復(fù)合材料繩索首先在H本面世，由H 本東京制繩公司和東邦人造絲公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)成 功巧-到目前為止*國(guó)內(nèi)尚無(wú)碳纖維復(fù)合材料 繩索的研制報(bào)道。由于碳纖維只有與特定樹(shù)脂復(fù) 合后其優(yōu)異性能才能發(fā)揮出來(lái).必須選擇合適的 基體樹(shù)脂將碳纖維加工成復(fù)合材料的形式即碳 纖維復(fù)合材料繩霜才能使用。因此碳纖維復(fù)合 材料繩索的制邀方法遠(yuǎn)比傳統(tǒng)繩索毘雜，不能采索必須報(bào)據(jù)碳纖維自身的特點(diǎn)”采用專用設(shè)

4、備和 工藝。1 試驗(yàn)部分1 J 主要原材料碳纖維（TC12K35，臺(tái)灣臺(tái)塑公司生產(chǎn)；環(huán) 氧樹(shù)脂（E51）p_t海樹(shù)脂廠生產(chǎn)；甲基四氫苯軒 （METHPA）t±i海樹(shù)脂廠提供；促進(jìn)劑（DMF - 30） t±梅樹(shù)脂廠生產(chǎn)；瑋韌劑6350, ±海樹(shù)脂廠 生產(chǎn);Ugo45乳液，上海迪斯曼公司提供口1 .2試驗(yàn)設(shè)備JN-1型加捻機(jī);HG-3型合股機(jī)*浸膠和固化 設(shè)備為囪制。1.3試驗(yàn)方法試驗(yàn)采用如下流程： 配膠一浸膠、預(yù)固化一加捻一固化 涂敷處理一合股1+4性縫測(cè)試碳纖維復(fù)合材料繩索的線密度、直徑、捻距r 忡長(zhǎng)率和斷裂強(qiáng)力等性能指標(biāo)，參照GB8S34-88 繩索有關(guān)物理和

5、機(jī)械性能的測(cè)定的規(guī)定進(jìn)行測(cè)試所用儀器包括InstronH21萬(wàn)能材料試 驗(yàn)機(jī)分析天平等*用傳統(tǒng)的制繩設(shè)備和工藝制造碳纖維復(fù)合材料繩2分析與討論«EffiHffi：2OO2-01-O4帯者簡(jiǎn)介；劉建軍（1968 -人刃（漢族）山東大學(xué)材料學(xué) 院拄讀碩士 現(xiàn)主要進(jìn)行球纖堆原登及后續(xù)產(chǎn)品的研究 開(kāi)覽“*舊金硒目：山東省科委責(zé)助項(xiàng)目（9SL17500l）o2.1基體樹(shù)脂的選擇及配方的礎(chǔ)定因?yàn)樘祭w維本身是一種碳材料有其本身固維晉資訊 劉理軍.等.一種新型碳紓維並合材料繩當(dāng)?shù)难兄萍訏瓿潭華tifn1) 加熔理度與遅度利用痺的去系* 7 '100806040有的缺點(diǎn)即脆性兀，不耐屈撓+碳纖

6、維雖有一定 的可編性.但沒(méi)有常規(guī)纖維的柔韌性，這就使得碳 纖堆在制繩和使用過(guò)程中易造成局部插傷乜所 以.必須肯先選擇一種合適的基體樹(shù)脂、使基體樹(shù) 脂在編繩過(guò)程中通過(guò)覩漬、固化等工序與碳纖維 牢固結(jié)合并最終對(duì)碳纖維起到抱合作用和保護(hù) 作用*使碳纖維優(yōu)異的力學(xué)性能充分發(fā)揮心來(lái)*試驗(yàn)中采用低粘度環(huán)氧樹(shù)脂E5I為樹(shù)脂基 體，甲基四氫苯F( METHPA為固化劑，三叔胺 基苯酹DMP-30為固北促進(jìn)劑"選用帶環(huán)氧基團(tuán) 的祜性增韌劑石350來(lái)堆加基體樹(shù)脂的柔期性口 配方的評(píng)價(jià)指標(biāo)雄所制繩索的拉忡強(qiáng)度、柔韌性 和耐溫性具博配方參照正交試驗(yàn)方法由實(shí)臉確 定叫2.2 基體樹(shù)脂與碳纖維體積比的確定基滋樹(shù)

7、脂只有充分洼潤(rùn)碳纖維才能實(shí)現(xiàn)對(duì) 碳纖維的抱合件用和保護(hù)作用。蔭驗(yàn)發(fā)現(xiàn)*基體 樹(shù)脂用:&少于30%時(shí)，樹(shù)脂不能有效浸潤(rùn)碳纖 維碳纖維的拉伸強(qiáng)度不能有效發(fā)揮*參見(jiàn)圖h 同時(shí)在該條件下繩索的加工工藝性差*囲為繩胚 通過(guò)拉擠口膜時(shí)阻力很大?；w樹(shù)脂用量大于 30滋時(shí)，纖維的強(qiáng)度利用率可達(dá)90%W±o結(jié)合 加工工藝要求*繩索中基體樹(shù)脂的體積分?jǐn)?shù)控制 在3石帰效果最理想。J11* i.l121824303642樹(shù)脂津積分?jǐn)?shù)/喘圖1驀體銅應(yīng)含與確度利用率的關(guān)系1007550251噪、即匱莊一IS52.3 加捻、合股參數(shù)的確定由于碳纖維具有高摸量特點(diǎn)，如果在制繩過(guò) 程中纖維排布不和理.造成使

8、用時(shí)纖維整體或局 部受力偏離毘桂狀態(tài)，使得纖維強(qiáng)度利用率祗*甚 至逍成局部失效引發(fā)箍體失效的事故口為了制備 高質(zhì)塑的碳纖維復(fù)合材料繩漏，必須選擇適宜的 加捻、合股工藝參數(shù)，深人研究不同纖維排布方式 對(duì)纖維強(qiáng)度利用率的影晌*最大限度的提高纖維 強(qiáng)度利用率©圖2為加捻程度與強(qiáng)度利用率的關(guān)系由圖 2可見(jiàn)*在加捻操作中+捻數(shù)控制在15n/m,強(qiáng)度圖3為合股傾斜度與強(qiáng)度利用率的關(guān)系圖 其中傾轉(zhuǎn)角。為單股繩坯與繩索軸向的夾角， 竹廚定義為合股傾斜度心由陽(yáng)3可見(jiàn)，合股操作 中合股傾斜度控制在4,5左右最佳*纖維強(qiáng)度利 用率可達(dá)93% o3456巻JE幢斜度"打0圖3合股兩弭度與強(qiáng)度利用率

9、的餐察2+4 涂敷處理対碳繩的保護(hù)作用未經(jīng)Lag(>45乳液處理的繩索在使用過(guò)程中 有明顯的起毛現(xiàn)象發(fā)生，而經(jīng)Lago45乳液處理 后，繩索起毛現(xiàn)象不明顯。原因莊于Lago45乳液 的固形物為聚氨酯材料繩索脛"站45乳液處理 后，在舒維束表面形成一層柔韌的保護(hù)膜，可以避 免纖維束之間相互摩擦磨損從而增強(qiáng)了碳繩的 耐曲繞能力"2.5碳繩與鋼絲繩力學(xué)性能的比較表1為碳纖維復(fù)合材料繩與結(jié)構(gòu)和直徑相差 不多的鋼絲繩的性能比較*從中不難發(fā)現(xiàn)碳繩的 優(yōu)越性。礁纖維復(fù)合材料繩的亶盤還不到鋼絲繩 的四分之一.前者比后者輕得塞，使用時(shí)省力Q并 且前昔易于彎曲便于作業(yè)，后若僵硬操作困難&

10、quot; 礙纖維復(fù)合材料繩具有優(yōu)異的使用性能口«1 建坪議鬣舍豺倒翼與命世性建比笛性能碳堀 12Kx 9*1鋼建繩斷型負(fù)荷/N2 6403 073竝忡彊度1 1601 350斷裂伸怏/帝L .606.40師氏Wtt/GPa215197單&W#/(s «41182維晉資訊 化工科技維晉資訊 維晉資訊 2方 饌繩的應(yīng)力應(yīng)變特性由圖4可見(jiàn)，碳纖維復(fù)合材料繩的應(yīng)力-應(yīng)變 曲線為一直線，直至斷裂，中間沒(méi)有屈服點(diǎn)，因此* 在多次重夏使用時(shí)、不會(huì)有殘余應(yīng)變現(xiàn)象的發(fā)生。伸罠率/釋S4 Ct荷”伸悵曲域（1 ）由環(huán)氧樹(shù)脂E51 ,甲基四氫苯肝 （MElTHPA）.三叔胺基苯酚U M

11、 P-30和活性增栩 劑6350組成的樹(shù)脂體系.能夠滿足作為碳纖維星 合材料繩索基體樹(shù)脂的要求。（2）繩索中基陣樹(shù)脂的體積分?jǐn)?shù)控制在36% 左右效果毘佳。（3）在加捻操作中加捻數(shù)控制在15 n/mT合 股操作中傾料度控制在4.5左右，可使纖維強(qiáng)度 綜合利用率達(dá)到87%o（4）Laeo45乳液處理加捻后的纖維束，可以 有效的保護(hù)碳纖維.避免纖維束之間相互摩擦磨 損，并增強(qiáng)碳纖維宣合材料繩索的耐曲繞能力。（參考文獻(xiàn)LJ 賈植.王茂蕈點(diǎn)纖墜壓其理合材料M.北京：科樺出腿 社.1995.306-3092 Honda+d«uu«d卸 aLUSP：4 的小 1取3 M«tBu

12、da,et al, USPi5 060 466.4 陳平，劉Ift平.環(huán)京：代學(xué)工業(yè)出版壯.2000.15 - L L7.維晉資訊 維晉資訊 DEVELOPMENT OF NEW TYPE CARBON FIBER COPOSMITE ROPELIU Jian-junt WANG Yan-xiang, W A NG Cheng-guo tZH U BotCUl Jin yi(GjM昭e of Mt Shandun L:nibertiiy t Ji! nan 25006 , Chinn )Abstract： In this paper*a new type of rope 詁 manufactu

13、red, which is made up of carbon fiber reinforcing epoxy rnsins composite and coated with polyurethane emulsion . The relation of the strength-utilizing effieienuy fin(l the twisting degree of the primarily-twisted product and the secondarily-t wisted product is also discussed in this paper » Th

14、e product has a Lot of high qualities such as light weight T high tensile strength T high modulus and low Linear expanding cofficent in high temperatun; and low Lcrnperature t it will replace the traditionaJ rope in th也 future， Key wonls： Carbon fiber； EpaKy ivsins； Compete rope； Polyurethane維晉資訊 維晉資訊 吉化研究試驗(yàn)廠異丁烯生產(chǎn)裝置護(hù)產(chǎn)成功吉化研究試驗(yàn)廠不斷加大科技攻關(guān)力度，切 實(shí)解決制約生產(chǎn)的我瓶頸*問(wèn)題，他們利用年度大 檢修的時(shí)機(jī)，對(duì)異丁晞生產(chǎn)裝置進(jìn)行了工藝改造, 使年生產(chǎn)能力由2 000t提髙到3