一种连续纤维增强热塑性树脂缠绕管材及其成型方法

摘要

本发明涉及一种连续纤维增强热塑性树脂缠绕管材及其成型方法，该管材为由预浸带片材在芯模的表面交叉缠绕数层并滚压后除去芯模得到的空心管材。对预浸带施加一定的张力，加热预浸带片材，熔化其中的树脂，并在芯轴上缠绕数层，同时通过压力辊对管件表面施加压力，减小预浸带之间的空隙，最后在缠绕管件表面高温加热，再通过压力辊在管件表面施加压力，提高缠绕制品表面光整度和减少缠绕制品之间的空隙，最后冷却脱模即可。本发明管材具有更好的抗冲击性、耐腐蚀性、重量轻、成型周期短、环保可回收等优势，目前市场上的缠绕产品大部分都是热固性的材料，即玻璃钢缠绕产品，热塑性缠绕管材还未见应用，未来的应用前景十分广阔。

说明书

技术领域

本发明涉及一种管材及其成型方法，尤其是涉及一种连续纤维增强热塑性树脂缠绕管材成型方法。

背景技术

现有的连续纤维增强树脂的缠绕产品大都是玻璃钢，玻璃钢用的树脂都是热固性树脂(如环氧树脂、不饱和树脂等)。玻璃钢材料最大的缺点是热固性树脂的使用使得其难以回收，不够环保，且脆性较大，抗冲击性差。因此用热塑性材料取代热固性材料是当今社会对环境保护要求的一种趋势。

缠绕成型是复合材料中一种材料成型工艺，主要用于管材等的制备，产品具有十分优异的强度等性能，因此备受关注。连续纤维增强热固性树脂复合材料(俗称玻璃钢)容易实现缠绕，也是目前缠绕工艺的主要应用领域，而连续纤维增强热塑性树脂复合材料的缠绕成型因为连续纤维增强热塑性树脂复合材料的制备技术困难及该材料有一定的硬度不易缠绕等种种技术原因，使其至今尚未得到应用，此技术也受到广泛研究，但都没有实质性进展。但是随着上海杰事杰新材料股份有限公司解廷秀博士公开号为CN1521209A的发明专利连续纤维增强的热塑性复合材料的公开以及辽宁杰事杰新材料有限公司连续纤维增强热塑性预浸带材料(以下简称预浸带)的产业化批量投产，为实现连续纤维增强热塑性材料的缠绕提供了契机，同时也使得连续纤维增强热塑性材料的缠绕可以和玻璃钢缠绕一样进行工业化生产。

连续纤维增强热塑性树脂缠绕管材较玻璃钢管具有成型周期短、质量更轻、耐腐蚀性更好、抗冲击性更好以及可回收，有利于环境保护等优势，可应用于石油化工等高压管道领域。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有玻璃钢技术的不足之处而提供的一种具有更好的抗冲击性、耐腐蚀性、重量轻、成型周期短、环保可回收的连续纤维增强热塑性树脂缠绕管材成型方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种连续纤维增强热塑性树脂缠绕管材，该管材为由预浸带片材在芯模的表面交叉缠绕数层并滚压后除去芯模得到的空心管材。

所述的预浸带片材为纤维增强树脂片材，其中的树脂包括聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚酰胺，纤维包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维或涤纶纤维。

所述的预浸带片材的缠绕角度为0°～90°，但不包含0°和90°，优选40°～85°。

所述的预浸带片材的缠绕层数为2～60层。

一种连续纤维增强热塑性树脂缠绕管材成型方法，包括以下步骤：

(1)加热预浸带片材，熔化预浸带片材中的树脂，使得整个预浸带片材软化；

(2)对受热后的预浸带施加张力，并按照一定的缠绕角度在的缠绕芯轴上交叉缠绕2～60层；

(3)在缠绕的过程中，通过压力辊在管件表面施加一定的压力，提高管材的粘结强度。

(4)缠绕完成后，在缠绕管件表面用加热器进行高温加热，再通过压辊在管件表面施加压力，提高缠绕制品表面光整度和减少缠绕制品之间的空隙，最后冷却脱模除去芯轴即可。

所述的树脂优选聚丙烯或聚乙烯。

所述的纤维优选玻璃纤维。

步骤(1)中采用红外灯管、红外陶瓷片、热风枪、电阻丝或激光对预浸带片材进行加热，加热温度为100～500℃，根据选用的树脂的熔点和缠绕速度确定，最终效果为预浸带充分熔化而不发生降解。

步骤(2)中所述的受热后的预浸带在张力的作用下张紧。

步骤(3)中所述的压力为0.05～0.2MPa。

步骤(4)中所述的缠绕管件的形状为圆形或方形。

步骤(4)中所述的高温加热的温度为高于树脂熔点50～200℃，所述的压力为0.1～0.5MPa。

步骤(4)中所述的加热器产生的温度优选250～380℃。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)连续纤维增强热塑性树脂缠绕管材较玻璃钢制品具有更好的抗冲击性、耐腐蚀性、重量轻、成型周期短、环保可回收等优势；

(2)目前市场上的缠绕产品大部分都是热固性的材料，即玻璃钢缠绕产品，热塑性缠绕管材还未见应用，未来的应用前景十分广阔。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

取连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带为原材料，首先将预浸带加工成宽度为30毫米的带材，将其盘绕在放卷装置上，然后通过导向辊及张力控制装置将预浸带牵引至缠绕机芯轴上面，缠绕设备采用自行设计三轴联动数控缠绕机。加热方式采取红外灯箱加热和热风枪复合使用，其中红外灯箱加热是一个预加热过程，加热温度为使得预浸带表面温度在160～200℃为宜，本实施例中根据聚丙烯树脂的熔点和缠绕速度，采用的加热温度为300℃，之后通过热风枪加热，加热位置在预浸带与缠绕芯模接触缝处，加热温度为使预浸带表面温度在180℃，在缠绕过程中压力辊施加0.1MPa压力。缠绕速度为5米/分钟。交叉缠绕10层预浸带，缠绕管形状为圆形。缠绕完成后，在管面300℃加热，施加0.5MPa压力，最后通过脱模机即可将管材从芯模上脱离，获得所需管材。

实施例2

取连续玻璃纤维增强聚乙烯预浸带为原材料，首先将预浸带加工成宽度为30毫米的带材，将其盘绕在放卷装置上，然后通过导向辊及张力控制装置将预浸带牵引至缠绕机芯轴上面，缠绕设备采用自行设计三轴联动数控缠绕机。加热方式采取红外灯箱加热和热风枪复合使用，其中红外灯箱加热是一个预加热过程，加热温度为使得预浸带表面温度在140～170℃为宜，本实施例中根据聚乙烯树脂的熔点和缠绕速度，采用的加热温度为280℃，之后通过热风枪加热，加热位置在预浸带与缠绕芯模接触缝处，加热温度为使预浸带表面温度在150℃。缠绕速度为5米/分钟。交叉缠绕10层预浸带，缠绕管形状为圆形。缠绕完成后，在管面280℃加热，施加0.2MPa压力，最后通过脱模机即可将管材从芯模上脱离，获得所需管材。

实施例3

一种连续纤维增强热塑性树脂缠绕管材成型方法，包括以下步骤：

(1)采用红外陶瓷片加热纤维增强树脂的预浸带片材，片材中的纤维为碳纤维，熔化预浸带片材中的聚甲基丙烯酸甲酯树脂，使得整个预浸带片材软化，使用的预浸带片材可以使用辽宁杰事杰新材料有限公司生产的预浸带材料；

(2)对受热后的预浸带施加张力，使得预浸带在张力的作用下张紧，并按照70°的缠绕角度在的圆形缠绕芯轴上缠绕十层，缠绕的层数根据对管压的要求而定；

(3)在缠绕的过程中，通过压力辊在管件表面施加0.1MPa的压力提高管材的粘结强度；

(4)缠绕完成后，在缠绕管件表面高温加热，高温加热的温度为高于聚甲基丙烯酸甲酯树脂熔点50℃，在管件表面施加0.2MPa压力，提高缠绕制品表面光整度和减少缠绕制品之间的空隙，最后冷却脱模除去芯模，即得到连续纤维增强热塑性树脂缠绕管材。

实施例4

一种连续纤维增强热塑性树脂缠绕管材成型方法，包括以下步骤：

(1)采用热风枪加热纤维增强树脂的预浸带片材，片材中的纤维为玻璃纤维，熔化预浸带片材中的聚酰胺树脂，使得整个预浸带片材软化，使用的预浸带片材可以使用辽宁杰事杰新材料有限公司生产的预浸带材料；

(2)对受热后的预浸带施加张力，使得预浸带在张力的作用下张紧，并按照60°的缠绕角度，根据对管压的要求在圆形缠绕芯轴上交叉缠绕二十层，缠绕的层数根据对管压的要求而定；

(3)在缠绕的过程中，通过压力辊在管件表面施加0.05MPa的压力提高管材的粘结强度；

(4)缠绕完成后，在缠绕管件表面高温加热，本实施例中高温加热的温度为350℃，再通过压辊在管件表面施加0.2MPa压力，提高缠绕制品表面光整度和减少缠绕制品之间的空隙，最后冷却脱模除去芯模，即得到连续纤维增强热塑性树脂缠绕管材。

实施例5

一种连续纤维增强热塑性树脂缠绕管材成型方法，包括以下步骤：

(1)采用电阻丝加热箱和热风枪复合加热纤维增强树脂的预浸带片材，片材中的纤维为芳纶纤维，熔化预浸带片材中的聚丙烯树脂，使得整个预浸带片材软化，使用的预浸带片材可以使用辽宁杰事杰新材料有限公司生产的预浸带材料；

(2)对受热后的预浸带施加张力，使得预浸带在张力的作用下张紧，并按照70°的缠绕角度，根据对管压的要求在圆形缠绕芯轴上缠绕八层，缠绕的层数根据对管压的要求而定；

(3)在缠绕的过程中，通过压力辊在管件表面施加0.3MPa的压力提高管材的粘结强度；

(4)缠绕完成后，在缠绕管件表面高温加热，本实施例中高温加热的温度为300℃，再通过压辊在管件表面施加0.5MPa压力，提高缠绕制品表面光整度和减少缠绕制品之间的空隙，最后冷却脱模除去芯模，即得到连续纤维增强热塑性树脂缠绕管材。

实施例6

一种连续纤维增强热塑性树脂缠绕管材成型方法，包括以下步骤：

(1)采用激光加热纤维增强树脂的预浸带片材，片材中的纤维为涤纶纤维，熔化预浸带片材中的聚乙烯树脂，使得整个预浸带片材软化，使用的预浸带片材可以使用辽宁杰事杰新材料有限公司生产的预浸带材料；

(2)对受热后的预浸带施加张力，使得预浸带在张力的作用下张紧，并按照80°的缠绕角度，根据对管压的要求在的方形缠绕芯轴上交叉缠绕十层；

(3)在缠绕的过程中，通过压力辊在管件表面施加0.05MPa的压力提高管材的粘结强度；

(4)缠绕完成后，在缠绕管件表面高温加热，高温加热的温度为高于聚乙烯树脂熔点50℃，再通过压辊在管件表面施加0.1MPa压力，提高缠绕制品表面光整度和减少缠绕制品之间的空隙，最后冷却脱模除去芯模，即得到连续纤维增强热塑性树脂缠绕管材。

实施例7

一种连续纤维增强热塑性树脂缠绕管材成型方法，包括以下步骤：

(1)采用热风枪加热纤维增强树脂的预浸带片材，片材中的纤维为芳纶纤维，熔化预浸带片材中的聚氯乙烯树脂，使得整个预浸带片材软化，使用的预浸带片材可以使用辽宁杰事杰新材料有限公司生产的预浸带材料；

(2)对受热后的预浸带施加张力，使得预浸带在张力的作用下张紧，并按照45°的缠绕角度，根据对管压的要求在方形缠绕芯轴上交叉缠绕八层；

(3)在缠绕的过程中，通过压力辊在管件表面施加0.1MPa的压力提高管材的粘结强度；

(4)缠绕完成后，在缠绕管件表面高温加热，高温加热的温度为高于聚氯乙烯树脂熔点50℃，再通过压辊在管件表面施加0.3MPa压力，提高缠绕制品表面光整度和减少缠绕制品之间的空隙，最后冷却脱模除去芯模，即得到连续纤维增强热塑性树脂缠绕管材。

实施例8

一种连续纤维增强热塑性缠绕管材成型方法，包括以下步骤：

(1)采用红外灯管加热纤维增强树脂的预浸带片材，片材中的纤维为玻璃纤维，熔化预浸带片材中的聚甲基丙烯酸甲酯树脂，使得整个预浸带片材软化，使用的预浸带片材可以使用辽宁杰事杰新材料有限公司生产的预浸带材料；

(2)对受热后的预浸带施加张力，使得预浸带在张力的作用下张紧，并按照85°的缠绕角度，根据对管压的要求在的方形缠绕芯轴上交叉缠绕60层；

(3)在缠绕的过程中，通过压力辊在管件表面施加0.1MPa的压力提高管材的粘结强度；

(4)缠绕完成后，在缠绕管件表面高温加热，高温加热的温度为高于聚甲基丙烯酸甲酯熔点80℃，再通过压辊在管件表面施加0.3MPa压力，提高缠绕制品表面光整度和减少缠绕制品之间的空隙，最后冷却脱模除去芯模，即得到连续纤维增强热塑性树脂缠绕管材。

表1中列举了聚丙烯、聚乙烯和尼龙6三种热塑性树脂基体缠绕制品的冲击强度和密度与E-44环氧基体的玻璃钢制品的性能对比，其中样品材料玻纤质量百分数均为60％。其中热塑性样品缠绕过程为：通过将预浸带材料通过红外灯管加热熔融，再在预浸带与芯模夹点处加热的方式缠绕在圆形芯模上，在缠绕的过程中通过压力辊施加一定的压力。为了对比方便，E-44环氧玻璃钢管通过浸渍环氧胶液直接缠绕在芯模上，然后固化，未进行夹砂等处理。分别参照ASTM D6110和ASTM D792测定复合材料冲击强度和密度。

表1

由上表中可见，经过本方法缠绕得到的管材在冲击强度方面有了很大提升，利用聚丙烯树脂预浸带缠绕得到的管材的冲击强度最少可以达到56KJ/m²，另外其密度也降至1.41g/cm³，由此可见，连续纤维增强热塑性树脂缠绕管材较玻璃钢制品具有更好的抗冲击性，另外重量轻，综合性能更加优越。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。