新型直立式浸膠裝置的設(shè)計(jì)

1、新型直立式浸膠裝置的設(shè)計(jì)參賽人員作品分類(C)能源化工A.能源B.無機(jī)材料C.高分子材料D.金屬材料作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路,創(chuàng)新點(diǎn)，技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)國內(nèi)外的浸膠工藝始終圍繞著手工和臥式浸膠方式進(jìn)行變化，數(shù)十年來缺乏根本的工藝技術(shù)變革。本項(xiàng)目通過提出直立式浸膠方法，自主設(shè)計(jì)直立式浸膠設(shè)備，用于纖維浸膠和制備樣品的實(shí)際應(yīng)用，創(chuàng)新了當(dāng)今的浸膠生產(chǎn)工藝，解決現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)過程中存在的問題，改進(jìn)復(fù)合材料制品的綜合力學(xué)性能，為當(dāng)代復(fù)合材料生產(chǎn)和性能改進(jìn)起到推動(dòng)作用。全新的直立式浸膠技術(shù)也改變了現(xiàn)有浸膠的模式，既有自動(dòng)化和快速化的先進(jìn)性，又有實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的可用性，最終改進(jìn)所得產(chǎn)品的性能。更值得一提的

2、是直立式浸膠不改變現(xiàn)有生產(chǎn)的工藝主流程，與現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)相融合，具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。本項(xiàng)目根據(jù)纖維及其制品材質(zhì)以及實(shí)際生產(chǎn)工藝的要求，設(shè)計(jì)直立式浸膠技術(shù)的技術(shù)參數(shù)和浸膠裝置的結(jié)構(gòu)。將不同類型的樹脂基體與玻璃纖維及其制品進(jìn)行浸漬，在不同溫度、浸膠速度、樹脂濃度等的條件下進(jìn)行浸膠，測(cè)試不同條件下所得復(fù)合材料制品的綜合力學(xué)性能，應(yīng)用現(xiàn)代測(cè)試手段揭示直立式浸膠優(yōu)越性的本質(zhì)。本項(xiàng)目研究的直立式浸膠裝置，主要包括組合式架臺(tái)、纖維導(dǎo)入裝置、浸膠梢、收集裝置以及電機(jī)五個(gè)部分，其特征在于：(1)直立式浸膠的膠梢采取直立放置，這樣在浸膠時(shí)可以避免樹脂膠液的飛濺，浸膠梢上方安裝有擠膠輻，下方安裝有防漏膠結(jié)構(gòu)；(2)纖維導(dǎo)

3、入裝置采用多輯制張力系統(tǒng)使纖維材料在浸膠時(shí)保持張力，這有助于膠液浸透纖維材料；(3)所用的擠膠輻的材質(zhì)可以選擇熱塑性的材料，包括聚醍醍酮(PEEK棒;(4)采用活塞式的防漏膠結(jié)構(gòu)，浸膠梢下方的纖維材料入口由活塞控制；（5）收集裝置由兩臺(tái)電機(jī)協(xié)同控制纖維的收集速度同時(shí)也是纖維的浸膠速度），速度優(yōu)選為80n?min-1-250m?min-1;（6）本裝置的浸膠與收集裝置采用組合式結(jié)構(gòu)，還包括分離式結(jié)構(gòu)以及其他結(jié)構(gòu)形式。作品在何時(shí)、何地、何種機(jī)構(gòu)舉行的評(píng)審、鑒定、評(píng)比、展示等活動(dòng)中獲獎(jiǎng)及鑒定結(jié)果直立式浸膠法制備環(huán)氧樹脂涂覆玻璃纖維論文于2013年11月10日榮獲江蘇硅酸鹽學(xué)會(huì)2009-2013年度優(yōu)

4、秀論文獎(jiǎng)。作科先說現(xiàn)術(shù)該是有的性特顯步供性說參獻(xiàn)的性性須與技h品學(xué)進(jìn)必明有眥品具出質(zhì)術(shù)和進(jìn)提術(shù)析和文9作否突實(shí)技點(diǎn)著請(qǐng)技分明考！|纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在世界范圍內(nèi)已實(shí)現(xiàn)了規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，浸膠工藝是纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制備中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。當(dāng)前的浸膠工藝主要有手工和沉浸式兩種，手工浸膠存在著樹脂浪費(fèi)大，含膠量不易控制的問題，使得制品的力學(xué)性能受到很大的影響；沉浸式浸膠工藝的含膠量主要通過調(diào)整膠液粘度和刮膠刀的距離來控制，由于膠液的黏附作用和鋼質(zhì)刮膠刀的作用，使得浸膠過程中纖維表面易損傷1-5。創(chuàng)新的直立式浸膠選用PEEK乍為擠膠輻，由于PEE用料自身有著高的自潤滑性且硬度高于鋼，擠膠輻表面不會(huì)粘

5、連雜物，在長期使用過程中不會(huì)像鋼輻那樣被纖維摩擦而受到損傷。直立式浸膠裝置中纖維向上運(yùn)動(dòng)，有利于纖維表面多余的膠液向下流淌，并通過浸膠梢上方的擠膠輻控制纖維的含膠量6。直立式浸膠梢下方的纖維入口由活塞控制，纖維在直立式浸膠時(shí)，纖維會(huì)帶著膠液向上運(yùn)動(dòng)，呈向上噴涌的旋流狀態(tài)，這樣也可以防止膠液的滲漏。由于浸膠梢的直立式結(jié)構(gòu)以及纖維自下而上的運(yùn)用方式，使得纖維束能夠充分浸透，膠液也能夠得到充分的利用，避免了原料的大量浪費(fèi)，大大降低了浸膠環(huán)節(jié)的生產(chǎn)成本。直立式浸膠方法及裝置克服當(dāng)前實(shí)際生產(chǎn)中的浸膠弊端，纖維浸膠后表層膠液薄而均勻（見圖1）,對(duì)提高整個(gè)樹脂基復(fù)合材料的生產(chǎn)水平以及樹脂基復(fù)合材料的性能，提

6、升復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的制造工藝起到了推動(dòng)作用。a手工浸膠b沉浸式浸膠c立式浸膠圖1不同浸膠工序涂覆E-GF束SEM圖1李新寧，鄒寧宇.我國玻璃纖維工業(yè)的節(jié)能減排J.建材發(fā)展導(dǎo)向，2007,5(5):28-31.2 KimC.H.,ParkJ.H.,KimC.,etalExpertsystemforprocessplanningofpressurevesselfabricationbydeepdrawingandironingJ.JournalofMaterialsProcessingTechnology,2004155-156:1465-1473.3李勇，肖軍，邱偉娟，等.高模量碳纖維低損傷一步預(yù)浸

7、纏繞技術(shù)J.宇航材料工藝，2002,32(6):19-21.4 SzakalyE.D.,LenardJ.G.Theeffectofprocessandmaterialparametersonthecoefficientoffrictionintheflat-dietestJ.JournalofMaterialsProcessingTechnology,2010,210:868-876.5 Shivamurthy,B.Siddaramaiah.,Prabhuswamy,M.SDesign,Fabrication,andTestingofEpoxy/Glass-reinforcedPressure

8、VesselforHigh-pressureGasStorageJ,JournalReinforcedPlasticsandComposites,2010,29(15):2379-2386.6從小曄，王曉鈞，代寶瑩.直立式浸膠法制備環(huán)氧樹脂涂覆玻璃纖維J.工程塑料應(yīng)用，2012,:38-42.說該的特優(yōu)提作適圍廣的性及分經(jīng)益用及品術(shù)和，該的范推景術(shù)明場(chǎng)和效測(cè)使明作技點(diǎn)勢(shì)供品應(yīng)及前技說市析濟(jì)債本項(xiàng)目研究的直立式浸膠裝置，主要包括組合式架臺(tái)（1）、纖維導(dǎo)入裝置（2）、浸膠梢（3）、收集裝置（4）以及電機(jī)（5）五個(gè)部分（見圖2）。在實(shí)驗(yàn)前，將玻璃纖維從導(dǎo)入裝置引出，穿過浸膠梢固定在收集裝置上，緩慢的

9、向浸膠梢內(nèi)傾倒液膠，打開兩個(gè)電機(jī)的開關(guān)，根據(jù)反應(yīng)所需時(shí)間確定轉(zhuǎn)速。在實(shí)驗(yàn)過程中電機(jī)1與收集裝置的桿件通過齒輪連接帶動(dòng)收集裝置做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)玻璃纖維勻速的由導(dǎo)入裝置穿過浸膠梢充分浸膠后向上運(yùn)動(dòng)，即該過程實(shí)現(xiàn)了直立式浸膠。電機(jī)2通過周期性的每轉(zhuǎn)半周改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制收集裝置勻速率左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)收集過程。在反應(yīng)的整個(gè)過程中浸膠梢的控溫系統(tǒng)將溫度控制在反應(yīng)最佳溫度，保證反應(yīng)的有效進(jìn)行。5圖2直立式浸膠裝置結(jié)構(gòu)直立式浸膠梢在浸膠時(shí)可以避免樹脂膠液的飛濺，浸膠梢上方安裝有擠膠輻，下方安裝有防漏膠結(jié)構(gòu)；纖維導(dǎo)入裝置采用多根制張力系統(tǒng)使纖維材料在浸膠時(shí)保持張力，這有助于膠液浸透纖維材料；所用的

10、擠膠輻的材質(zhì)選擇為熱塑性聚醍醍酮（PEEK材料，擠膠輻表面不會(huì)粘連雜物，在長期使用過程中不會(huì)像鋼輻那樣被纖維摩擦而受到損傷。直立式浸膠裝置主要應(yīng)用于纖維纏繞成型工藝，據(jù)纖維纏繞玻璃鋼雜志統(tǒng)計(jì)，作為目前復(fù)合材料成型中普遍使用的一種工藝方法，纏繞成型工藝應(yīng)用于全球軍用纖維纏繞制品達(dá)44種，涵蓋宇宙空間、液體空間和軍用領(lǐng)域等，如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、雷達(dá)罩、導(dǎo)彈運(yùn)載筒、魚雷發(fā)射管、火焰噴射管等；應(yīng)用于民用纖維纏繞制品達(dá)71種，包括商業(yè)和工業(yè)用品如高壓開關(guān)裝置、電氣裝置外殼、壓力容器、儲(chǔ)罐和液體運(yùn)輸車等。我國玻璃鋼各類成型工藝產(chǎn)品百分比工藝分類手糊纏繞SMC/BMCOr連續(xù)板材及其它“十五”7018101.

11、80.2五”58251043（連續(xù)板材2）從表中可以看出我國玻璃鋼行業(yè)技術(shù)進(jìn)步明顯。以纏繞發(fā)展為契機(jī)，繼之以SMC/BMC拉擠型材，推動(dòng)了整個(gè)行業(yè)（含原輔材料）向高層次發(fā)展。相比于傳統(tǒng)工藝，纏繞工藝在整個(gè)行業(yè)中的比重最大，增長顯著。本項(xiàng)目研究的直立式浸膠技術(shù)可以有效地提高纏繞技術(shù)的性能指標(biāo)，革新纏繞技術(shù)的浸膠方式，推動(dòng)復(fù)合材料成型技術(shù)的工藝結(jié)構(gòu)調(diào)整，將帶來客觀的經(jīng)濟(jì)效益和顯著的科技進(jìn)步。直立式浸膠裝置簡介1研究意義與目的、應(yīng)用領(lǐng)域：1.1 研究意義與目的：進(jìn)入21實(shí)際前后，我國的玻璃纖維工業(yè)一路歡歌，飛速發(fā)展。自1997年至2006年的10年時(shí)間，產(chǎn)量由18萬t/a猛增到120萬t/a,迅速超

12、過了法國、日本、俄羅斯等生產(chǎn)大國，逼近甚至超過世界第一生產(chǎn)大國美國，占據(jù)世界玻纖總產(chǎn)量25%勺巨大份額，產(chǎn)品出口130個(gè)國家和地區(qū)，取得了令人矚目的成就10以玻璃纖維作為增強(qiáng)相的樹脂基復(fù)合材料在世界范圍內(nèi)已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，浸膠作為玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制備過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，當(dāng)前的浸膠工藝有手工浸膠和沉浸式浸膠兩種，手工浸膠存在著樹脂浪費(fèi)大，玻璃纖維浸膠后含膠量不易控制的問題，使得浸膠后的玻璃纖維的力學(xué)性能受到影響。沉浸式浸膠工序是目前應(yīng)用最廣泛的一種浸膠技術(shù)，玻璃纖維上的含膠量主要由調(diào)整膠液粘度和刮膠刀的距離來控制，由于膠液的黏附作用和刮膠刀的存在，使得在沉浸式浸膠過程中纖維的表面受到損

13、傷四，在沉浸式浸膠中浸膠機(jī)加熱箱體立式放置的裝置稱做為立式浸膠，它有膠量調(diào)節(jié)輾、導(dǎo)向輾和刮膠刀，因此，也存在纖維的表面受到損傷的問題。針對(duì)當(dāng)今浸膠工藝中存在的問題，本研究設(shè)計(jì)直立式浸膠裝置用以制備涂覆玻璃纖維。1.2 應(yīng)用領(lǐng)域：該裝置在生產(chǎn)使用的過程中主要應(yīng)用了纏繞成型的加工工藝，據(jù)1973年出版的纖維纏繞玻璃鋼雜志統(tǒng)計(jì)，全球軍用纖維纏繞制品達(dá)44種，涵蓋宇宙空間、液體空間和軍用領(lǐng)域等，如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、雷達(dá)罩、導(dǎo)彈運(yùn)載筒、魚雷發(fā)射管、火焰噴射管等；民用纖維纏繞制品達(dá)71種，包括商業(yè)和工業(yè)用品如高壓開關(guān)裝置、電氣裝置外殼、高壓氣瓶、印刷電路板、整流裝置等。目前纏繞成型工藝是復(fù)合材料成型中較為普

14、遍的一種工藝方法，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料化工管道、壓力容器、儲(chǔ)罐及火箭發(fā)射筒、魚雷發(fā)射等產(chǎn)品的成型702工作原理：該反應(yīng)的整套裝置如第一頁圖所示，第二、三、四頁分別為主視圖、俯視圖及左視圖，主要包括架臺(tái)、浸膠槽、玻璃纖維導(dǎo)入裝置、玻璃纖維浸膠后的收集裝置及電機(jī)五個(gè)部分。在實(shí)驗(yàn)前將各零件按圖示安裝好后，將玻璃纖維從導(dǎo)入裝置引出，穿過浸膠槽固定在收集裝置上，緩慢的向浸膠槽內(nèi)傾倒液膠，打開兩個(gè)電機(jī)的開關(guān)，根據(jù)反應(yīng)所需時(shí)間確定轉(zhuǎn)速。在實(shí)驗(yàn)過程中電機(jī)一與收集裝置的桿件通過齒輪連接帶動(dòng)收集裝置做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)玻璃纖維勻速的由導(dǎo)入裝置穿過浸膠槽充分浸膠后向上運(yùn)動(dòng)，即該過程實(shí)現(xiàn)了直立式浸膠。電機(jī)二通過

15、周期性的每轉(zhuǎn)半周改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制收集裝置勻速率左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)收集過程。在反應(yīng)的整個(gè)過程中浸膠槽的控溫系統(tǒng)將溫度控制在反應(yīng)最佳溫度，保證反應(yīng)的有效進(jìn)行。3各部分零件構(gòu)造說明3.1、 臺(tái)：其立體圖如第五頁圖紙所示，第六、七、八頁圖紙分別為架臺(tái)的主視圖、左視圖和俯視圖，其底座規(guī)格為100mm*80mm*5m找方體，中下部分削去了70mm*80mm*2mm立方體，其目的是減少材料節(jié)約成本。兩根圓柱的尺寸為高150mm直徑4mm在距離底座平面50mml勺位置兩根圓柱上均焊接有長23mms徑4mm勺圓柱，其邊緣均焊接了內(nèi)徑為6.5mm厚度為2mm勺半圓弧，具作用是固定浸膠槽的活塞。距離底座平面88

16、mm1勺位置兩根圓柱上均焊接有長6mms彳全4mm的圓柱，中間焊接有直徑為4mm的圓柱連接的方形結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)方形尺寸為50mm*50m,m差為-1mm其作用是架起并固定浸膠槽。距離底座平面126mm勺位置兩根圓柱上均焊有長7mmft彳全4mml勺圓柱，其邊緣焊有寬2mm內(nèi)徑6.5mm外徑7.5mm圓心距為6mm勺兩個(gè)相交圓孔，其彳用是固定擠膠輾PEE咻。3.2、浸膠槽：其立體圖如第九頁圖紙所示，第十、十一、十二頁圖紙分別為浸膠槽的主視圖、俯視圖及左視圖。上方為50mm*50mm*40mtm立方體，下方為錐體，30mm*30mm正方形為底，壁厚2mm椎體下方安裝有兩個(gè)長20mm直徑6mm的圓柱，圓

17、柱的一側(cè)為直徑6mm勺半球面，工作時(shí)兩個(gè)球形面相對(duì)緊置于錐體正下方，起到防止浸膠過程中漏液的作用。立方體上方有兩根長60mm直徑6mm勺PEEK，使得擠膠時(shí)應(yīng)力在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中消失，可以避免E-玻璃纖維表面刮傷，使得纖維表面的膠液均勻；而擠膠時(shí)擠膠輾的轉(zhuǎn)速很低，所以擠膠輾擠膠時(shí)只會(huì)在膠輾的表面帶有膠液，不會(huì)將膠液帶出輾外。3.3、 導(dǎo)入裝置：其整體立體圖如第十三頁圖紙所示，第十四、十五、十六、十七及十八頁圖紙分別為導(dǎo)入裝置的零件圖。第十四頁零件需要生產(chǎn)兩個(gè)配合使用固定玻璃纖維束，由圖可知上方為直徑10mm勺弧形結(jié)構(gòu)，帶有一個(gè)直徑5mm勺圓孔，中部為錐形結(jié)構(gòu)長25mm邊緣為直徑是4mm勺圓弧結(jié)構(gòu),厚

18、度為2mm底部焊接有長10mm直徑3mm勺圓柱。第十五頁圖紙的兩件需要加工兩個(gè)，長60mm兩邊均為直徑為10mmi勺半圓弧，如圖所示每隔10mmt一個(gè)直徑為5mmi勺圓孔，共計(jì)六個(gè)（具作用是根據(jù)需要調(diào)節(jié)定軌位置），該零件厚度為2mm第十六頁圖紙為固定導(dǎo)入裝置的零件，長10mm寬12mm高30mm厚2mm第十七頁圖紙對(duì)應(yīng)的零件起到控制玻璃纖維傳輸軌跡并連接第十四、十五及十六頁圖紙對(duì)應(yīng)零件的作用，需要六個(gè)配合使用。具為螺紋連接，故需要配有螺母使用，總長13mm螺紋長5mm前部長5mm直徑分別為10mm5mm第十八頁圖紙為纏繞玻璃纖維束的零件，長20mm由圖可知直徑分別為7mm5mm內(nèi)徑4mm3.4

19、、 收集裝置：其立體圖如第十九頁圖紙所示，第二十、二十一、二十二、二十三頁圖紙分別為其分解的零件圖。第二十頁圖紙為浸膠后的玻璃纖維纏繞裝置，由圓柱桿連接，長95mm直徑5mm中部的纏繞零件與桿件是鍵槽連接，為長30mm邊長15mm勺正六棱柱，內(nèi)徑5mm鍵才®深2mm寬2mm在其對(duì)應(yīng)的圓柱桿上有寬2mm?®2mml勺鍵。在圓柱才f的一端有長17mm寬2mm?®2mm勺鍵，在距另一端7mm£12mm勺位置有寬2mm?®2mm5勺鍵。第二H一頁的圖紙為實(shí)現(xiàn)六棱柱左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)的零件，長71mm寬5mm厚2mm兩個(gè)爪子長10mm寬2mm間距30mm下面焊

20、接的水平的零件長20mm#直徑9.56mm齒深2mm勺齒輪為齒輪連接，齒輪連接電機(jī)二。第二十二頁圖紙為實(shí)現(xiàn)纏繞裝置勻速圓周運(yùn)動(dòng)的齒輪連接裝置，齒輪直徑分別為14mm10mm齒深2mm厚5mm上面的齒輪中心為直徑5mml勺圓柱孔，鍵槽深2mm寬2mm二十頁的圓柱桿配合使用，鍵槽連接，下面的齒輪連接電機(jī)一。第二十三頁的圖紙為軸承結(jié)構(gòu)，其焊接在架臺(tái)兩根圓柱的頂端，將纏繞結(jié)構(gòu)的圓柱桿架起來，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的收集過程。結(jié)構(gòu)尺寸為外徑20mm壁厚2mm中間滾珠直徑為3mm小外徑10mm內(nèi)徑5mm鍵槽深2mm寬2mm其與二十頁圓柱桿鍵配合，起到固定整個(gè)收集裝置的作用。3.5、 電機(jī)：電機(jī)一提供勻速圓周運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，而且支持人為控制轉(zhuǎn)速，電機(jī)二提供勻速圓周運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，其與電機(jī)一的區(qū)別在于每轉(zhuǎn)半周即改變轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)速同樣人為可控。備注：如果電機(jī)重量較大可根據(jù)其尺寸設(shè)置架臺(tái)。參考文獻(xiàn)1 李新寧,鄒寧宇.我國玻璃纖維工業(yè)的節(jié)能減排J.建材發(fā)展導(dǎo)向,2007,5(5):28-31.2 KimC.H.,ParkJ.H.,KimC.,eta