一种连续纤维增强热塑性复合材料棒的制肋装置及方法

摘要

一种连续纤维增强热塑性复合材料棒的制肋装置及方法。本发明属于工程材料CFRTP制备领域。本发明的一种连续纤维增强热塑性复合材料棒的制肋装置包括设置在钢架外部的移动滚轮、控制台和牵引辊以及设置在钢架内部的加热管、压挤定型部和冷却管；所述加热管和冷却管分别位于所述压挤定型部的两侧，所述压挤定型部和牵引辊分别位于冷却管的两侧，所述加热管和冷却管分别与钢架的侧壁固定连接。本发明装置具有制肋性能稳定、操作简单和使用便捷等优点。制得的CFRTP螺纹肋筋用于增强混凝土结构，使得CFRTP筋与混凝土间粘结力满足结构安全要求，显著改善混凝土结构的力学性能和服役寿命。

说明书

技术领域

本发明属于工程材料CFRTP制备领域，具体涉及一种连续纤维增强热塑性复合材料棒的制肋装置及方法。

背景技术

随着我国大规模的基础建设和土木工程的高速发展，钢筋混凝土结构广泛应用于建筑工程、道路桥梁工程、水利工程等领域。然而，随着其服役年限增加钢筋发生锈蚀，导致其承载力退化，从而使服役寿命降低维修费用增加。FRP具有轻质高强、耐腐蚀等特点，因此采用FRP代替普通钢筋成为解决钢筋锈蚀的有效方法。目前，纤维增强复合材料按树脂不同可分为纤维增强热固性和纤维增强热塑性复合材料(FRTP)两类，其中纤维增强热固性复合材料是以合成树脂为基体材料制备而成，其成型过程会产生危害气体且成型后形状不可改变等特点使其应用受到一定程度的限制。与之相比，FRTP具有固化成型时间短、能够二次熔化再成型、可回收循环利用等优点，同时具备热固性复合材料轻质高强、耐腐蚀等优点，因而在混凝土结构中具极大的发展潜力和应用价值。但现阶段制备的CFRTP筋表面平整，在实际应用中因粘结力不足而产生滑移，降低了混凝土结构的力学性能及服役寿命，阻碍了其在混凝土结构中的应用与发展。

目前，国内外已开发的带肋FRP筋主要为纤维增强热固性树脂复合材料，且其制备的带肋FRP筋形状及几何尺寸固定、无法连续制备；部分研究采用环氧树脂固化粘结的方法制备带肋FRP筋，该方法存在筋与肋间粘结强度低、容易脱粘等问题；少部分研究采用机械法在FRP筋表面加工形成螺纹结构，增加了FRP筋表面积，但是该方法造成表面部分纤维断裂，使得力学性能和耐久性明显下降；极少部分研究采用热塑性树脂肋缠绕FRP筋，但其成肋工艺仍采用传统热固性成肋方法，未真正发挥出热塑性树脂可二次熔融成型的优势。因此，提出一种CFRTP螺旋肋筋的制备方法及装置十分必要。

发明内容

本发明为解决上述问题，而提供一种连续纤维增强热塑性复合材料棒的制肋装置及方法。

本发明的一种连续纤维增强热塑性复合材料棒的制肋装置包括设置在钢架外部的移动滚轮、控制台和牵引辊以及设置在钢架内部的加热管、压挤定型部和冷却管；所述加热管和冷却管分别位于所述压挤定型部的两侧，所述压挤定型部和牵引辊分别位于冷却管的两侧，所述加热管和冷却管分别与钢架的侧壁固定连接；

所述加热管的管身内部均匀设有若干加热电偶棒和若干高温传感器，所述冷却管管身内部设有绕通孔螺旋缠绕的冷却水管和若干温度传感器；

所述压挤定型部包括与钢架箱体侧壁转动连接的上转轴和下转轴、与上转轴固定连接的驱动齿轮、传动齿轮和上定型辊以及与下转轴固定连接的从动齿轮和下定型辊，所述驱动齿轮与伺服电机连接，所述从动齿轮与传动齿轮啮合，所述上定型辊和下定型辊贴合，所述上定型辊和下定型辊上分别设有沿二者接触面布置的螺纹凹槽。

进一步限定，所述加热电偶棒和高温传感器在加热管的轴向方向上均匀排布。

进一步限定，所述加热管的轴向方向上每隔2～3个加热电偶棒设置一个高温传感器。

进一步限定，所述加热电偶棒在加热管的径向方向上均匀设置3～5个。

进一步限定，所述加热管的径向方向上设置1个高温传感器。

进一步限定，所述温度传感器在冷却管的轴向方向上均匀排布，在冷却管的径向方向上设置1个。

进一步限定，所述牵引辊上、下辊轮的轴心线中点、压挤定型部的螺纹凹槽所在圆的圆心与所述加热管和冷却管的轴心同心设置。

进一步限定，通过控制台调控加热管的温度、驱动齿轮的转速、冷却管的温度以及牵引辊的转速。

本发明的一种连续纤维增强热塑性复合材料棒的制肋方法按以下步骤进行：

步骤1：启动加热管上的加热电偶棒，使温度达到预设温度并保持恒定；

步骤2：向冷却管内通入冷却水，启动压挤定型部的伺服电机，通过控制台调控驱动齿轮的转速，在牵引辊的带动下连续纤维增强热塑性复合材料棒通过压挤定型部，得到CFRTP螺纹肋筋；

步骤3：调节冷却水管内的冷却水流速，完成CFRTP螺纹肋筋的固化，完成连续纤维增强热塑性复合材料棒的制肋。

进一步限定，步骤1中所述预设温度温度为20～420℃。

进一步限定，步骤2中所述连续纤维增强热塑性复合材料中热塑性基体材料为聚乙烯、聚丙烯、尼龙6、尼龙12或聚醚醚酮，连续纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维或植物纤维。

进一步限定，步骤2中通过控制台调控驱动齿轮的转速使连续纤维增强热塑性复合材料棒上的螺纹间距为4mm～16mm。

进一步限定，步骤2中所述牵引辊的牵引速度分为低速和高速，所述低速为0.1m/min～1.0m/min，所述高速为1.0m/min～5.0m/min。

进一步限定，步骤3中调节冷却水管内的冷却水流速至温度传感器显示的温度为20～400℃。

本发明与现有技术相比具有的显著效果：

1)本发明装置中的加热管，不仅用于已固化成型CFRTP棒(杆)制肋，而且可与CFRTP棒(杆)制备设备配套使用，具有适用性强的特点。

2)本发明装置中的计压挤定型部，通过预制定型辊实现了CFRTP螺纹肋筋纤维螺纹间距和高度调节，具有产品种类多的特点。

3)本发明装置中的冷却管，缩短了热塑性树脂固化所需时间，节省了装置所需空间，解决了热塑性树脂固化时间对牵引速率的影响，提高了生产效率。

4)本发明装置具有制肋性能稳定、操作简单和使用便捷等优点。制得的CFRTP螺纹肋筋用于增强混凝土结构，使得CFRTP筋与混凝土间粘结力满足结构安全要求，显著改善混凝土结构的力学性能和服役寿命。综上所述，该制备方法与装置制得的CFRTP螺纹肋筋在土木工程领域具有极大的发展潜力与应用价值。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为图1装置I-I方向的剖视图；

图3为本发明装置上(下)定型辊的结构示意图；

图4为本发明装置加热管的结构示意图；

图5为本发明装置冷却管的结构示意图；

其中1-钢架，2-移动滚轮，3-控制台，4-加热管，401-加热电偶棒，402-高温传感器，5-压挤定型部，501-上转轴，502-下转轴，503-驱动齿轮，504-传动齿轮，505-从动齿轮，506-上定型辊，507-下定型辊，508-螺纹凹槽，6-冷却管，601-冷却水管，602-温度传感器，7-牵引辊，8-连续纤维增强热塑性复合材料棒，9-CFRTP螺纹肋筋，10-螺纹肋。

具体实施方式

实施例1、本实施例的一种连续纤维增强热塑性复合材料棒的制肋装置包括设置在钢架1外部的移动滚轮2、控制台3和牵引辊7以及设置在钢架1内部的加热管4、压挤定型部5和冷却管6；所述加热管4和冷却管6分别位于所述压挤定型部5的两侧，所述压挤定型部5和牵引辊7分别位于冷却管6的两侧，所述加热管4和冷却管6分别与钢架1的侧壁固定连接；

所述加热管4的管身内部均匀设有若干加热电偶棒401和若干高温传感器402，所述加热电偶棒401和高温传感器402在加热管4的轴向方向上均匀排布，所述加热管4的轴向方向上共计设置4个加热电偶棒401和3个高温传感器402，其中每隔2个加热电偶棒401设置一个高温传感器402，所述加热电偶棒401在加热管4的径向方向上均匀设置3个，所述加热管4的径向方向上设置1个高温传感器402；

所述冷却管6管身内部设有绕通孔螺旋缠绕的冷却水管601和若干温度传感器602，所述温度传感器602在冷却管6的轴向方向上均匀设置3个，在冷却管6的径向方向上设置1个；

所述压挤定型部5包括与钢架1箱体侧壁转动连接的上转轴501和下转轴502、与上转轴501固定连接的驱动齿轮503、传动齿轮504和上定型辊506以及与下转轴502固定连接的从动齿轮505和下定型辊507，所述驱动齿轮503与伺服电机连接，所述从动齿轮505与传动齿轮504啮合，所述上定型辊506和下定型辊507贴合，所述上定型辊506和下定型辊507上分别设有沿二者接触面布置的螺纹凹槽508，所述上定型辊506上的螺纹凹槽508和下定型辊507上的螺纹凹槽508拼合形成连续纤维增强热塑性复合材料棒的通孔；

所述牵引辊7上、下辊轮的轴心线中点、压挤定型部5的螺纹凹槽508所在圆的圆心与所述加热管4和冷却管6的轴心同心设置；

通过控制台3调控加热管4的温度、驱动齿轮503的转速、冷却管6的温度以及牵引辊7的转速。

实施例2、本实施例的一种连续纤维增强热塑性复合材料棒的制肋方法按以下步骤进行：

步骤1：启动加热管4上的加热电偶棒401，使温度达到180～400℃并保持恒定；

步骤2：向冷却管6内通入冷却水，启动压挤定型部5的伺服电机，通过控制台3调控驱动齿轮503的转速，使连续纤维增强热塑性复合材料棒上的螺纹间距为4mm～16mm，允许误差为±0.5mm，在牵引辊7的带动下连续纤维增强热塑性复合材料棒8通过压挤定型部5，得到CFRTP螺纹肋筋9，所述牵引速度分为低速和高速，其中低速为0.1m/min～1.0m/min，高速为1.0m/min～5.0m/min，所述连续纤维增强热塑性复合材料中热塑性基体材料为聚乙烯、聚丙烯、尼龙6、尼龙12或聚醚醚酮，连续纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维或植物纤维；

步骤3：调节冷却水管601内的冷却水流速至温度传感器602显示的温度为20～400℃，完成CFRTP螺纹肋筋9的固化，完成连续纤维增强热塑性复合材料棒的制肋。