CRTM(在線編織－拉擠成型)薄壁纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂管制造技術(shù)---陳博

促進(jìn)劑

（中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會，北京100831）

摘要：提出一種不同于纖維纏繞、拉繞等現(xiàn)有方法的連續(xù)RTM法在線編織成纖維管 ，旋即在模內(nèi)浸漬樹脂，經(jīng)拉擠成型薄壁環(huán)氧玻璃鋼管的工藝方法。
關(guān)鍵詞：薄壁纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂管；在線編織；拉擠成型

The CRTM （Braiding on line & pultrusion process）Technology for manufacturing Thin Wall FREPR Pipe
Chen Bo
(China Composite Industry Association, Beijing 100831 China)
Abstract: The author raised a new processing method named CRTM(Continuous Resin Transfer Molding), which is different from both filament winding and pultrusion-filament winding: Firstly: Producing the glass fiber pipe through On-line braiding ; then soak the pipe by resin in mold; Finally manufacturing the thin wall epoxy resin FRP pipe by pultrusion molding process.
Key words: thin wall FREPR pipe; Braiding on line; Pultrusion process

前言

2004年，蘇、豫有關(guān)企業(yè)找到協(xié)會，稱國際市場上需要薄壁環(huán)氧玻璃鋼管系列產(chǎn)品。我們分析因其內(nèi)外徑均有尺寸公差、光潔度及徑向強(qiáng)度均有要求，用傳統(tǒng)的纖維纏繞、拉繞等工藝不能生產(chǎn)出合乎要求的產(chǎn)品，遂提出以連續(xù)樹脂傳遞成型法（在線編織――拉擠成型）制造工藝。

1   產(chǎn)品對象
    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）    ±0.025㎜   
外徑（OD）    ±0.13㎜   
長度    ±0.25㎜   
標(biāo)準(zhǔn)TIR同心度    0.10㎜   
選用TIR同心度    0.05㎜   
物理特性   
壓縮強(qiáng)度    137.9MN/㎡   
抗拉強(qiáng)度    137.9MN/㎡   
剪切強(qiáng)度    44.8MN/㎡   
2小時吸水率    0.12%   
24小時吸水率    0.16%   
電氣特性   
絕緣電阻（歐姆/20㎝）    2.38×1012   
體積電阻率（歐姆/㎝）    2.41×1015   
表面電阻率（歐姆）    3.93×1015   
短時間介質(zhì)強(qiáng)度（伏/米）    7.9MV/m   
介電常數(shù)（60cps）    4.15   
耗散因數(shù)(60cps)    0.0094   
11/2－40u波（軸向）脈沖(伏/米)    7.9MV/m   
功率因數(shù)（60cps、100伏）        
最大百分比        
收貨時    5.0   
于攝氏100度下    10.0   
24小時后        
于攝氏38度、96％相對溫度下    10.0   
  
該絕緣管具有高扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，經(jīng)UL認(rèn)證，可在攝氏180度下連續(xù)使用。

2  工藝方法選擇

2.1 纖維纏繞法（FW）
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。
2.2 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。

促進(jìn)劑

若采用無捻粗紗/拉/纏/拉，則徑向強(qiáng)度明顯過低；若增加環(huán)向纏繞，壁厚又偏厚；先拉后繞則拉擠難以進(jìn)行，外表亦不會理想。其次，環(huán)向紗筒還要不時更換；增加纏繞部件，設(shè)備費(fèi)亦不菲。
2.3 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。
成品纖維套管拉擠法的模具原理如圖2所示。芯模左端以球形部分定位，使之軸向定位。
成品纖維套管在右端膠槽浸漬樹脂后沿芯模連續(xù)進(jìn)入模腔，實(shí)現(xiàn)拉擠同時膠凝固化而成為成品管材。





圖2   成品纖維套管拉擠法模具原理圖

對較密實(shí)的纖維套管，難以將其變形，從而拉不過去。
2.4 在線針織纖維套管拉擠法
一般針織物（Knitted fabric）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。
2.5 最后的選擇――連續(xù)RTM－在線編織拉擠成型法
編織是一種古老的織造技術(shù)。編織物（braid）所有的纖維均斜交，與軸線夾角不呈0°與90°。編織原理與編織管如圖3、圖4所示。編織過程腫，纖維的運(yùn)動軌跡為螺旋線。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。

促進(jìn)劑

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。坯管沿芯?？椇茫尚灸Ｇ岸诉M(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）。
3    編織管的設(shè)計(jì)計(jì)算
編織紗束均為偶數(shù)，我們采用的是24錠。





圖4－圖6中：
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＝90º
N――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。
紗束在編織過程中的運(yùn)動軌跡為圓柱螺旋線，其方程為

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5：H=πDtgθ……………………(4)
由圖4：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
∵ sin2 θ+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。

圖6  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=σH AL=σf  A cosα …………………(9)
或σH＝σf  cos2α      ……………………(10)
徑向 TH =σL AH=σf  Asinα…………………(11)
同理σL＝σf  sin2α       …………………(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。
4    設(shè)備要求
4.1    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）。
4.2    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。其根部直徑可較伸入模具部分段直徑略大。

促進(jìn)劑

4.3    浸漬部件


圖 7 連續(xù)RTM――在線編織拉擠成型示意圖

圖7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)。
4.4    模具
除前端為浸漬區(qū)外，無特殊要求。
5    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。
6    基體樹脂
6.1        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：
第一段    120℃
第二段    140℃
第三段    170℃
6.2    為改善工藝性，建議采用武漢理工大學(xué)材料學(xué)院復(fù)合材料系研發(fā)的高性能低黏度環(huán)氧樹脂。其已開發(fā)的樹脂玻璃化溫度（Tg）達(dá)190℃，黏度可低到80mPa·s，浸漬性大為提高。下面是武漢理工大學(xué)與美國某公司環(huán)氧樹脂實(shí)物的測試結(jié)果，可資比較參考。

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）

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/Mpa    64.56    71.48    349.55    388.43
拉伸模量/Gpa    2.55    2.90    17.02    16.89
斷裂伸長率/％    2.55    4.36    2.46    2.20
彎曲強(qiáng)度/MPa    102.59    88.44    335.72    436.04
彎曲模量/Gpa    2.89    3.02    13.41    14.77
壓縮強(qiáng)度/Mpa    55.74    103.40    242.85    252.22
沖擊韌性/kJ/m2    16.12    23.08    267.60    339.50
熱變形溫度/℃    77.8    78.2        
25℃黏度/Pa·s    0.126    0.149        
25℃凝膠時間/min    140    150        
50℃溫度下最高放熱溫度/℃    60    72        
80℃溫度下最高放熱溫度/℃    150    140        

6.3    液體雙馬來酰亞胺樹脂
625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)，其年度為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。

7    結(jié)語
據(jù)了解，編織工藝在19世紀(jì)下半葉已出現(xiàn)，迄今已100多年，而FRP拉擠工藝則出現(xiàn)在上世紀(jì)40年代末，迄今也已逾半個多世紀(jì)，都是十分傳統(tǒng)的工藝了。筆者提出將兩種工藝結(jié)合起來，在線編織拉擠成型FREPR薄壁管材，也算推陳出新吧。而樹脂注射到模腔內(nèi)，亦可納入CRTM范疇。本工藝由河南鵬翔科技有限公司歷經(jīng)三年艱辛已投入生產(chǎn)，產(chǎn)品經(jīng)檢驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均合格，并已在2009年獲得國家發(fā)明專利。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張耀明，李巨白，姜肇中。 玻璃纖維與礦物棉全書
   北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000
[2] 詹英榮  玻璃鋼/復(fù)合材料 原材料性能與應(yīng)用
   北京：中國國際廣播出版社1995
[3] 中國玻璃鋼工業(yè)協(xié)會 玻璃鋼簡明技術(shù)手冊
   北京：化學(xué)工業(yè)出版社 2005 第2版
[4] 北京251廠，北京玻璃鋼研究所  玻璃鋼工藝和性能
   北京：中國建筑工業(yè)出版社 1974
[5] 翁祖祺，陳博，張長發(fā) 玻璃鋼工業(yè)大全
   北京：國防工業(yè)出版社 1992

bamstone

這里面有幾個插圖，還是出自我手哦

kfhwvfp1983

產(chǎn)品最大直徑能做多少呢？壁厚多少？

放牛山娃子

引用第5樓kfhwvfp1983于2011-11-27 05:45 PM發(fā)表的  :
產(chǎn)品最大直徑能做多少呢？壁厚多少？

你有多大膽，地有多大產(chǎn)。
我可以做到500左右。