一种纤维复合材料杆及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种纤维复合材料杆及其制备方法和应用，主要涉及含一种碳纤维布和玻璃纤维布的复合材料杆及其制备方法和应用。
背景技术：
：随着市政建设的发展，市政设施也得到了较好的发展。对路灯而言，已从最初的木杆发展到现在普遍应用的铁质路灯杆，不锈钢路灯杆和铝合金路灯杆。早期的木杆虽轻，但由于不耐腐蚀环境且强度低，已不再采用了。现在普遍应用的是金属杆，主要因为其原料丰富、制备工艺简单且价格适中，但是金属杆在实际应用中仍存在一些问题，例如质量重、耐环境腐蚀性不佳等。因此，一些研究者着力于对合金进行改性，以期制备出更好的路灯杆合金材料，而另一些研究者则着力于寻求新材料。玻璃纤维复合材料具有高强度，耐热，耐低温，耐腐蚀等优良特性，且其来源广价格低廉，在民用方面已经取得了广泛应用。但玻璃纤维的抗形变能力较差，拉伸模量较低，限制了其使用范围。相比玻璃纤维复合材料，碳纤维复合材料具有更高的拉伸模量，同时，碳纤维具有密度低，耐高温性好，抗蠕变好等多种优异的物理性能和机械性能，是应用于航空、航天、电子等领域重要的结构材料，在轻型化结构中经常使用。目前，随着碳纤维制备工艺的成熟，其产量在近十多年呈百倍的增长，价格显著降低，这使得碳纤维在民用方面也有了更多的应用，例如高尔夫球棒、自行车车架、钓鱼竿、羽毛球拍、滑雪板、滑翔机、音响器材等。在综合考虑工艺可行性、材料性能及其制造成本的前提下，本专利采用碳纤维布和玻璃纤维布制备一种多节连接式圆筒形多层结构复合材料杆，可作为新型路灯杆应用，也可扩展应用于电线杆、广告牌杆和民用建筑等。哈尔滨工业大学张春华等发明的“玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管及其制备方法”(申请号201310029979.0)是以玻璃纤维和碳纤维混杂制成的三层结构锥形管，是通过不同角度的湿法缠绕长玻璃纤维和长碳纤维制得的一种锥形管，与本发明的不同之处主要在于材料体系、技术手段和发明目的不同。本发明采用了碳纤维布和玻璃纤维布，充分的利用了二维结构的性能优势，同时树脂浸渍液中添加了纳米纤维进行增韧，将浸渍后的复合纤维布卷制成一种筒体为多层结构的厚壁圆筒，再通过连接多节不同直径的圆筒，制备出一种新型纤维复合材料杆。技术实现要素：针对现有路灯杆耐环境腐蚀性差以及密度大的问题，本发明提供了一种生产工艺简单易控，制备材料结构和性能可控、在保持材料高强度、耐高温、耐低温和耐腐蚀性的同时，密度较低的复合材料杆及其制备方法。所制造的杆体具有优异的耐环境腐蚀性、轻质以及方便拆装运输的优点。本发明的一种纤维复合材料杆，所述纤维复合材料杆为多节杆；所述多节杆的节数大于等于2；所述纤维复合材料杆由碳纤维布层(1)、玻璃纤维布层(2)以及均匀分布在碳纤维布层(1)和玻璃纤维布层(2)内的纳米纤维组成。本发明的一种纤维复合材料杆，所述纤维复合材料杆为多节中空杆。本发明的一种纤维复合材料杆，根据直径的大小依次，将多节杆的每一节定义为第1节、第2节、…….第i节；所述第1节的直径最大。本发明的一种纤维复合材料杆，相邻两节通过法兰连接和/或树脂粘合。本发明的一种纤维复合材料杆，相邻两节通过螺栓连接和/或树脂粘合。作为优选方案，所述纤维复合材料杆由碳纤维布层(1)、玻璃纤维布层(2)交替卷制而成。本发明的一种纤维复合材料杆，所述纳米纤维为碳纳米纤维和/或碳化硅纳米纤维。本发明的一种纤维复合材料杆，为多层结构的厚壁圆筒杆。本发明的一种纤维复合材料杆的制备方法；包括下述步骤：步骤一、纤维的预处理将碳纤维布放入丙酮中浸泡后，用去离子水反复清洗并烘干备用，然后将碳纤维布和玻璃纤维布浸泡在氢氟酸溶液中，对纤维表面进行粗化处理；步骤二、浸渍液的制备将纳米纤维、乙醇、活性二氧化硅、无机颜料加入树脂中，均匀搅拌，制得树脂浸渍液备用；步骤三、纤维布的叠放与浸渍将单层碳纤维布和单层玻璃纤维布叠放在一起，并浸渍于树脂浸渍液中；步骤四、纤维布的卷制将浸渍后的单层碳纤维/玻璃纤维复合布一层层地卷在圆筒形模具的外表面上，直至达到设定的壁厚；步骤五、固化及脱模将卷制成形后的圆柱杆通过热处理完成固化，冷却后将模具抽出，得到单层碳纤维/玻璃纤维复合布卷制而成的的第1节杆；所述热处理的温度为100-130℃；步骤六、第i节杆的制备重复步骤一至五，得到第i节杆；步骤七、连接将第1节杆、第2节杆、…….第i节杆连接起来；得到成品。本发明中步骤一中的单层碳纤维布的厚度为0.111-0.167mm，所用原丝数量为3k-24k，单层玻璃纤维布的厚度为0.1-0.4mm，经纬密度为每厘米经乘纬为8-24×8-24。本发明中步骤一中的氢氟酸溶液中氢氟酸浓度为20-35％，浸渍时间为10-40s。本发明步骤一中，将碳纤维布放入丙酮中浸泡24h后，用去离子水反复清洗并烘干备用，去除碳纤维表面的有机胶和杂质，然后将碳纤维布和玻璃纤维布放入氢氟酸溶液中浸渍10-40s，对纤维表面进行粗化处理。本发明中步骤二中浸渍液所用树脂为环氧树脂；所述浸渍液中环氧树脂的浓度为55-80wt％，乙醇浓度为7-43wt％，纳米纤维加入量为1-5wt％，二氧化硅加入量为1-3wt％，无机颜料加入量为为0-5wt％；所述二氧化硅的粒度为1-10微米。本发明步骤三中叠放顺序为碳纤维布叠放在玻璃纤维布上或玻璃纤维布叠放在碳纤维布上，浸渍时间为0.5-5小时。本发明步骤四中模具的长度为1-8m，外径为50-200mm；纤维布所卷出的圆筒壁厚为8-50mm。作为优选碳纤维布和玻璃纤维布的幅宽与模具长度一致。本发明步骤五中热处理工艺的升温速度为1-5℃/min，最高温度为100-130℃，在最高温度的保温时间为2-5h。作为优选，第1节杆的内部孔径为110-200mm，壁厚为20-50mm。根据直径的大小依次，将多节杆的每一节定义为第1节、第2节、…….第i节；所述第1节的直径最大。直径最小的一节杆的内部孔径为50-80mm，壁厚为8-30mm。本发明的一种纤维复合材料杆，其应用包括将其用作路灯杆，可扩展应用到电线杆、广告牌杆和民用建筑中。当缩小内部孔径时，可作为钓鱼竿等。当卷制成近似实心杆时，也可作为支撑杆件使用。本发明所开发的纤维复合材料杆，其将具有优异力学性能和耐环境性能的碳纤维布和玻璃纤维布应用在多节杆(尤其是路灯杆)的制造中，赋予杆体结构较好的耐环境腐蚀性，并且相较于现行的金属杆，大大的降低了杆体的质量，这使得安装以及后期维护维修变得更加方便，也降低了运输的成本，同时因为采用多杆连接的方式，提高了路灯杆体整体的韧性，降低了杆体长度，使得运输变得更加方便。相比常用的钢管，本发明所制备的纤维复合材料杆，使杆体质量减轻65-75％。相比普通的玻璃纤维管，本发明设计和制备的纤维复合材料杆，其质量减轻了3-10％，断裂强度却提高25-65％。附图说明图1是实施例一所制备的路灯杆顶部所用圆筒的示意图；图2是实施例一和实施例二所采用的每节圆筒之间的连接方法示意图；表1是实施例一、二和对比例一、二的力学性能。图1中，1为碳纤维布层、2为玻璃纤维布层。图2中，3为第i-1节杆、4为第i节杆、5为螺栓。表1中，S1、S2、S3和S4分别是实施例一、对比例一、实施例二和对比例二的所用复合纤维材料的力学性能测试结果。具体实施方式下面结合实施例和附图对本发明进一步的说明。实施例1：步骤一、纤维表面的预处理：将厚度为0.111mm的单层碳纤维布1放入丙酮中浸泡24h后，用去离子水反复清洗并烘干备用，去除碳纤维表面的有机胶和杂质，然后将此碳纤维布1和厚度为0.2mm的单层玻璃纤维布2放入浓度为25％的氢氟酸溶液中浸渍30s，对纤维表面进行粗化处理；步骤二、浸渍液的制备：浸渍液中环氧树脂的浓度为56wt％、乙醇浓度为40wt％、二氧化硅加入量为2wt％、碳纳米纤维加入量为2wt％均匀搅拌，制得树脂浸渍液备用；二氧化硅的粒度为2微米。步骤三、纤维布的叠放与浸渍：将单层碳纤维布1和单层玻璃纤维布2叠放在一起，碳纤维布1在上，并将纤维布浸渍于树脂浸渍液中1h；步骤四、纤维布的卷制：将浸渍后的单层碳纤维/玻璃纤维复合布一层层地卷在圆筒形模具的外表面上，直至达到合适的壁厚，所用模具长度为2.15m，外径为130mm，卷出的圆筒壁厚为25mm，得到第1节杆；步骤五、固化及脱模：将卷制成形后的圆柱杆以2℃/min升温至110℃，并保温3h，完成固化。冷却后将模具抽出，得到单层碳纤维/玻璃纤维复合布卷制成的多层结构的厚壁圆筒；步骤六、第i节杆的制备：采用相同的工艺，再制备出2根圆筒，在前一根圆筒的内径的基础上，留出的间隙的尺寸2mm，每一根圆筒的壁厚较前一根减小5mm，最底部的圆筒厚度为15mm；步骤七、连接：将3根圆筒按直径大小由小至大套在一起，上一节圆筒3和下一节圆筒4的重叠部分长度为0.15m，通过螺栓5连接成长度为6m的杆体，得到一根完整的路灯杆。采用与步骤一至五相同的工艺，只是步骤四中的卷制变为铺层，制得测试样S1，其常温抗弯性能和拉伸性能分别按照GB/T3356-2014和GBT3354-2014标准进行，测试结果取平均值见表1。对比例1：其他条件均与实施例1一致，只是在步骤二的树脂浸渍液中不加碳纳米纤维和二氧化硅，得到一根完整的路灯杆；采用与步骤一至五相同的工艺，只是步骤四中的卷制变为铺层，制得测试样S2，其常温抗弯性能和拉伸性能分别按照GB/T3356-2014和GBT3354-2014标准进行，测试结果取平均值见表1。实施例2：步骤一、纤维表面的预处理：将厚度为0.167mm的单层碳纤维布放入丙酮中浸泡24h后，用去离子水反复清洗并烘干备用，去除碳纤维表面的有机胶和杂质，然后将此碳纤维布和厚度为0.4mm的单层玻璃纤维布放入浓度为30％的氢氟酸溶液中浸渍25s，对纤维表面进行粗化处理；步骤二、浸渍液的制备：浸渍液中环氧树脂的浓度为65wt％、乙醇浓度为31wt％、二氧化硅加入量为1wt％、碳纳米纤维加入量为3wt％，均匀搅拌，制得树脂浸渍液备用；二氧化硅的粒度为3微米。步骤三、纤维布的叠放与浸渍：将单层碳纤维布和单层玻璃纤维布叠放在一起，玻璃纤维布在上，并将纤维布浸渍于树脂浸渍液中2h；步骤四、纤维布的卷制：将浸渍后的单层碳纤维/玻璃纤维复合布一层层地卷在圆筒形模具的外表面上，直至达到合适的壁厚，所用模具长度为4.3m，外径为110mm，卷出的圆筒壁厚为30mm，得到第1节杆；步骤五、固化及脱模：将卷制成形后的圆柱杆以3℃/min升温至120℃，并保温4h，完成固化。冷却后将模具抽出，得到单层碳纤维/玻璃纤维复合布卷制成的多层结构的厚壁圆筒；步骤六、第i节杆的制备：采用相同的工艺，再制备出1根圆筒，在前一根圆筒的内径的基础上，留出的间隙的尺寸3mm，圆筒的壁厚较前一根减小10mm，最顶部的圆筒厚度为20mm；步骤七、连接：将2根圆筒按直径大小由小至大套在一起，上一节圆筒3和下一节圆筒4的重叠部分长度为0.3m，通过螺栓5连接成长度为8m的杆体，得到一根完整的路灯杆。采用与步骤一至五相同的工艺，只是步骤四中的卷制变为铺层，制得测试样S3，其常温抗弯性能和拉伸性能分别按照GB/T3356-2014和GBT3354-2014标准进行，测试结果取平均值见表1。对比例2：其他条件均与实施例2一致，只是在步骤二的树脂浸渍液中不加碳化硅纳米纤维和二氧化硅，得到一根完整的路灯杆；采用与步骤一至五相同的工艺，只是步骤四中的卷制变为铺层，制得测试样S4其常温抗弯性能和拉伸性能分别按照GB/T3356-2014和GBT3354-2014标准进行，测试结果取平均值见表1。表1试样弯曲强度/MPa弯曲模量/GPa拉伸强度/MPa拉伸模量/GPaS1109086161497S295775130281S3114389160597S498977132583通过实施例和对比例可以看出，本发明经浸渍液配方与其他工艺参数的协同作用，显著提升了所得产品的性能。当前第1页1 2 3