編織拉擠工藝及其產(chǎn)品優(yōu)勢20090518

在線編織—拉擠工藝及其產(chǎn)品優(yōu)勢

Braidingonline–pultrusionprocessandtheadvantagesofitsproducts中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)ChinaCompositesIndustryAssociation陳博ChenBo在線編織-拉擠工藝發(fā)展歷程

Historyof

braidingonline–pultrusionprocess

編織工藝18世紀(jì)在德國和法國出現(xiàn)20世紀(jì)中葉FRP拉擠工藝誕生于美國2005年我會(huì)和武漢理工大學(xué)分別提出了在線編織-連續(xù)拉擠成型的工藝原理2006年在我會(huì)指導(dǎo)下，在線編織-拉擠成型薄壁環(huán)氧玻璃鋼管研發(fā)成功2007年已建立5條在線編織-拉擠生產(chǎn)線，產(chǎn)品已通過UL認(rèn)證，出口國外2007年我會(huì)在上海、西安對此工藝作了介紹，現(xiàn)南京還有兩家在研發(fā)中相關(guān)成型工藝比較

ComparisonofcorrespondingProcesses

纖維纏繞法

FW法外徑光潔度與公差無法保證，若經(jīng)磨削加工，成本增加，且破壞纖維拉繞法其工作原理是先拉，形成單向里層；環(huán)向纏繞，增加徑向強(qiáng)度；單向拉擠，形成較光滑的外壁。

成品纖維套管拉擠法

此法無一般拉擠FRP管所需要的芯模支座，此法芯模是懸于模外。在線針織纖維套管拉擠法

一般針織物（Knittedfabric）具有彈性和延伸性，易變形、尺寸不穩(wěn)定，不宜用于拉擠工藝

在線編織-拉擠成型法

拉繞工藝原理圖

Principleof

winding–pultrusionprocess

圖1拉繞工藝原理圖注入浸漬拉擠法

Injectionpultrusionprocess圖2注入浸漬拉擠法無捻粗紗架布（或氈）架導(dǎo)向裝置預(yù)成型導(dǎo)向裝置預(yù)加熱器樹脂注入拉擠模加熱器動(dòng)作中牽引裝置動(dòng)作解除切割裝置拉擠產(chǎn)品油壓柱塞加壓樹脂罐成品纖維套管拉擠法模具原理圖

Moldillustrationforpultrusionwithfiberpipe圖3拉擠模具示意圖編織工藝原理圖

Principleof

braidingprocess編織過程中，纖維的運(yùn)動(dòng)軌跡為螺旋線。選擇合理的纖維角度可調(diào)節(jié)成品管材徑向強(qiáng)度與軸向強(qiáng)度的比例；選擇適宜的纖維排列密度可滿足強(qiáng)度與外觀的要求。

圖4編織原理圖5套管編織編織機(jī)示意圖

Illustration

braidingmachine

圖7編織機(jī)示意圖編織示意圖

Braidingprocess圖6編織在線編織-拉擠工藝的優(yōu)點(diǎn)

Advantagesofbraidingonline–pultrusionProcess

可連續(xù)化生產(chǎn)勞動(dòng)成本低沖擊強(qiáng)度優(yōu)于纖維纏繞（由于纖維交錯(cuò)排列）在線編織-拉擠工藝的原理

Principleofbraidingonline–pultrusionProcess在線編織的坯管由拉擠機(jī)的牽引裝置弋引。芯模固定不動(dòng)。坯管沿芯?？椇?，由芯模前端進(jìn)入模具，在模具前端的樹脂浸漬區(qū)內(nèi)浸漬樹脂（樹脂系在壓力下源源注入模腔），經(jīng)牽引通過加熱的模具（基體樹脂在模內(nèi)膠凝、固化），最終成為FRP管材成品。分析此原理應(yīng)能制得符合技術(shù)性能要求的復(fù)合管。這種在線編織拉擠成型（樹脂由外注入模具內(nèi)）的工法，實(shí)質(zhì)就是一種連續(xù)樹脂傳遞成型工藝（CRTM）在線編織-拉擠工藝的示意圖

Illustrationofbraidingonline–pultrusionProcess圖8在線編織拉擠成型示意圖在線編織-拉擠產(chǎn)品示例

Applicationofbraidingonline–pultrusionProcess

導(dǎo)彈噴管高爾夫球桿飛機(jī)葉片彈體軍用帳篷支架天線桅桿雪橇風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片高爾夫球桿曲棍球桿電氣絕緣管編織管的設(shè)計(jì)計(jì)算

Calculationofbraidingpipedesign圖9纖維軌跡圖D－－管徑H――螺距A――紗束寬度B――紗束軸向高度θ——紗束方向與軸線Y的法線所形成的角度α――纏繞角

α＋θ＝90oN――紗束（錠子）數(shù)B＝A/cosθ=A/sinα……(1)N=πD/Acosα=πDsinθ/A………………(2)式（1）中A/sinα或A/cosθ為紗束寬A在軸向的投影。式（2）中的Acosα或sinθ/A為紗束寬A在圓周上的投影。N≥16，取偶數(shù)值。編織管的設(shè)計(jì)計(jì)算

Calculationofbraidingpipedesign紗束在編織過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡為圓柱螺旋線，其方程為

X=Dcost/2……(3-1)Y=Dsint/2……(3-2)Z=Kt……(3-3)

式中K值取決于拉擠牽引速度，t角度值為紗束所在錠子相對于纖維套管軸線所轉(zhuǎn)過的角度，而非繞錠子軸線所轉(zhuǎn)過的軸線。由圖9：H=πDtgθ……(4)由圖5：N=2H/B……(5)[1]

式（5）中，因編織工藝，故有2倍關(guān)系；式（4）與式（5）分別計(jì)算出的N值互為參考，最后N值由強(qiáng)度、表觀等因素決定之。將式（1）B=A/cosθ代入式（5）：H=NB/2＝NA/2cosθ……(6)式（6）得出了螺距H、紗束寬度、錠子（紗束）數(shù)N三參數(shù)間的關(guān)系；此三參數(shù)為編織管的主要參數(shù)，錠子數(shù)量即決定編織密度。由式（4）與（6）：H=πDtgθ＝πDsinθ/cosθ=NA/2cosθ

πDsinθ=NA/2

sinθ.sinθ=(NA/2πD)2∵sin2θ+cos2θ=1∴cosθ=[1-(NA/2πD)2]1/2……(7)將式（7）代入式（6）：H=NA[1-(NA/2πD)2]-1/2/2=πD[（2πD/NA）2-1]-1/2………………(8)式（8）表明管徑D與螺距H、紗束粗細(xì)A、錠子數(shù)成正比。

編織管的設(shè)計(jì)計(jì)算

Calculationofbraidingpipedesign圖10纖維應(yīng)力分析圖10為紗束應(yīng)力分析圖A0――每束纖維截面積σf――每束纖維的應(yīng)力AL――軸向面積分量AH――徑向面積分量σL―-軸向應(yīng)力σH―-徑向應(yīng)力應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)理論分析AL=A/cosα軸向TL=σHAL=σfAcosα…(9)或σH＝σfcos2α……(10)徑向TH=σLAH=σf

Asinα…(11)同理σL＝σfsin2α…(12)徑向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力之比TL/TH=(12)/(11)=ctg2θ………(13)由式（13）可見調(diào)節(jié)θ角，即可調(diào)節(jié)管材徑、軸向強(qiáng)度比。具體強(qiáng)度計(jì)算，可參閱《玻璃鋼工藝與性能》，此不贅述。（北京251廠編中國建筑工業(yè)出版社1974年版）值得一提的是，當(dāng)強(qiáng)度已滿足要求的前提下，取較小的θ角有利于拉擠工藝的順利進(jìn)行。設(shè)備要求

Requirementsofequipments拉擠機(jī)

因產(chǎn)品系薄壁，宜采用履帶式拉擠機(jī)。其牽引履帶上應(yīng)采用聚氨酯橡膠塊。橡膠塊與所牽引管接觸處應(yīng)有相應(yīng)的弧形，（弧形直徑略大于管外徑）。編織機(jī)

根據(jù)工藝要求，選擇立式或臥式編織機(jī)。編織機(jī)生產(chǎn)企業(yè)頗多，如非自行特殊訂貨，須將原機(jī)上的卷取部分――搖柄、蝸輪、卷取盤等取下。原卷取軸改換為相應(yīng)直徑的芯模，此芯模伸入模具內(nèi)，其外徑即為管材內(nèi)徑，故對其須有尺寸精度與光潔度的要求；此軸應(yīng)牢固固定，不得有抖動(dòng)。其根部直徑可較伸入模具部分段直徑略大。浸漬部件

圖8示芯模自縫編機(jī)尾端直穿入模具，故無傳統(tǒng)浸膠槽。樹脂通過泵，在壓力下注入模具前端的腔內(nèi)。模具

除前端為浸漬區(qū)外，無特殊要求。增強(qiáng)材料

Reinforcement增強(qiáng)材料我們采用的是800、1200Tex的無堿玻璃纖維直接無捻粗紗，其浸潤劑需與所用樹脂基體相適應(yīng)，并符合編織與拉擠工藝的要求。按浸潤劑分，屬W類。玻纖紗的原始的寬度與厚度及其浸膠后的寬度與厚度無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各廠迥異。須根據(jù)實(shí)物測量，取平均值，作為實(shí)際的設(shè)計(jì)參數(shù)。據(jù)了解，有的玻纖企業(yè)的無捻粗紗較扁平，有的企業(yè)的紗則相反。如某1200tex的無捻紗的紗片寬2.27mm，浸膠后厚0.4mm?；w樹脂之環(huán)氧樹脂

Matrix—epoxyresin選用環(huán)氧樹脂，蓋因其黏結(jié)力強(qiáng)、與玻纖復(fù)合界面剪切強(qiáng)度高、力學(xué)性能好之故；其次其固化時(shí)無低分子放出，體積收縮率一般為1％－2％，國外已有萬分之一收縮率的環(huán)氧樹脂。（不飽和聚酯樹脂體積收縮率為7％－9％）【2】，拉擠產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性好。采用酸酐固化體系，配比為：環(huán)氧樹脂100引發(fā)劑甲基四氫鄰苯二甲酸酐80促進(jìn)劑季胺鹽（芐基三乙基氯化胺）2實(shí)踐中亦有以咪唑取代季胺鹽者，效果較好。模具長900mm，溫度控制分為三段：120℃140℃170℃為改善工藝性，建議采用高性能低黏度環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂澆鑄體及玻璃鋼性能比較

mechanicalpropertiesofdifferenttypeepoxycastingandFRP

測試項(xiàng)目澆鑄體玻璃鋼美國某公司武漢理工大學(xué)美國某公司武漢理工大學(xué)拉伸強(qiáng)度/Mpa64.5671.48349.55388.43拉伸模量/Gpa2.552.9017.0216.89斷裂伸長率/％2.554.362.462.20彎曲強(qiáng)度/MPa102.5988.44335.72436.04彎曲模量/Gpa2.893.0213.4114.77壓縮強(qiáng)度/Mpa55.74103.40242.85252.22沖擊韌性/kJ/m216.1223.08267.60339.50熱變形溫度/℃77.878.225℃黏度/Pa·s0.1260.14925℃凝膠時(shí)間/min14015050℃溫度下最高放熱溫度/℃607280℃溫度下最高放熱溫度/℃150140樹脂澆鑄體及玻璃鋼（無堿1:1布）力學(xué)性能比較（固化制度：室溫/24h+80℃/4h）樹脂基體之雙馬樹脂

Matrix---BMI625所已故資深研究員趙渠森先生幾年前研發(fā)的液體雙馬來酰亞胺樹脂價(jià)格遠(yuǎn)低于通常雙馬來酰亞胺樹脂；可采用不飽和聚酯樹脂的固化體系，加入固化劑后使用壽命在24h內(nèi)，其黏度為120mPa·s，固體含量67％的樹脂力學(xué)性能為：拉伸強(qiáng)度>72Mpa彎曲強(qiáng)度>136Mpa拉伸延伸率>2.5％熱變形溫度>121℃巴氏硬度55說明其工藝性較一般雙馬佳。此種樹脂在高溫環(huán)境下耐酸、堿、韌性好，亦可考慮選用。薄壁環(huán)氧玻璃鋼絕緣管性能指標(biāo)

Propertiesofglassfiberreinforcedepoxythinwalltube產(chǎn)品名稱：薄壁環(huán)氧玻璃鋼絕緣管

產(chǎn)品直徑：￠8-18㎜性能指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)容限公制單位保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室規(guī)范材料類型AFW-G-10最小厚度0.74mm/1.45mmANSIFW-G-10類顏色原色UL-94可燃性等級94HBUL746耐大電流電弧能力引燃電弧數(shù)O.S.141.59mmA.S.120以上UL746熱線引燃－引燃時(shí)間（秒）300以上ASTMD495耐電弧能力－漏電/引燃（秒）130UL746耐高電壓電弧能力－漏電/引燃（秒）180UL746電弧漏電速度（mm/分鐘）2.34/1.80內(nèi)徑（LD）±0.02