制备纤维增强聚合物杆的拉挤成型系统生产参数确定方法与流程

本发明属于复合材料制备技术领域，特别涉及一种制备纤维增强聚合物杆的拉挤成型系统生产参数确定方法。

背景技术：

在工程建设领域，钢筋是混凝土结构的主要组成材料之一，其广泛应用于建筑、桥梁、道路、隧道、水利和海洋等诸多工程中。但是，随着钢筋混凝土结构服役环境的多样化，钢筋在腐蚀环境中易锈蚀的缺点严重影响钢筋混凝土结构的安全性和耐久性。钢筋锈蚀降低了结构的正常服役期限，极大增加了后期结构维护费用，所以亟需一种新材料、新技术或新方法来解决钢筋锈蚀问题所带来的不利影响。

由纤维作为增强相加入以树脂为基体的材料中，通过拉挤成型和高温固化工艺制备的纤维增强聚合物(fiberreinforcedpolymer，简称frp)材料具有高比强度、高比刚度、轻质、耐腐蚀、可塑性强和抗疲劳性能好等优点，在工程建设领域作为替代钢筋的一种新型高性能材料已被广泛接受。

frp杆(包括frp筋、frp锚杆、frp绞线和frp箍筋)的性能不仅是由组分材料自身特性决定，同时还受成型工艺参数的影响，包括体系粘度、胶凝时间、成型方法和固化温度等。frp杆在通过模具挤压之前纤维束要先浸渍树脂，在室温下树脂的粘度要保持在500pa.s以下，以保证纤维具有良好的浸润性。树脂的胶凝时间与添加物和所处环境温度相关，可通过胶凝测试仪测试；树脂的胶凝时间决定拉挤成型工艺中牵引速度的取值，牵引速度过快会造成产品内部树脂固化不完全，frp杆产品出现劣化，大大降低frp杆自身的力学性能；牵引速度过慢会造成frp杆在高温固化装置中停留时间过长造成树脂过度固化，影响frp杆产品在服役过程中应力传递和制备的生产效率。

在拉挤成型工艺中，未成型产品在经过高温固化装置时发生的变化是至关重要的，也是拉挤成型工艺的重中之重。树脂的最佳固化温度是利用差示扫描量热仪(dsc)对基体树脂进行动态热力学扫描试验得到的放热峰曲线来确定的；如果固化温度设置过高会造成树脂过度固化，当固化温度超过树脂自身的玻璃化温度时还会造成树脂的碳化；如果温度过低会造成树脂固化不完全，在服役过程中不能充分发挥基体的作用。

目前针对双酚a型环氧乙烯基树脂作为基体材料制备纤维增强聚合物杆的拉挤成型系统，还没有一套准确的生产参数可供参考。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种制备纤维增强聚合物杆的拉挤成型系统生产参数确定方法，确定frp杆制备生产过程中的相关参数，确保frp杆产品力学性能得到充分发挥。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

本发明提供了一种制备纤维增强聚合物杆的拉挤成型系统生产参数确定方法，包含以下步骤：

对树脂进行动态热力学扫描试验，得到树脂的放热峰曲线；

通过得到的放热峰曲线确定拉挤成型系统中的预热区温度、胶凝区温度和固化区温度；

对树脂进行胶凝时间测试试验，得到树脂的胶凝时间t；

确定拉挤成型系统中牵引装置的牵引速度为其中l为系统胶凝区长度；

确定拉挤成型系统中缠绕装置的缠绕速度为其中l为系统胶凝区长度，d为纤维增强聚合物杆的直径，n为倍数，nd为肋间距。

进一步地，所述树脂为双酚a型环氧乙烯基树脂；利用差示扫描量热仪对双酚a型环氧乙烯基树脂进行动态热力学扫描试验，得到双酚a型环氧乙烯基树脂的放热峰曲线。

进一步地，所述预热区用于增大树脂在纤维间的流动性，所述胶凝区用于树脂在该区域发生聚合反应，从溶胶态变为胶凝态，所述固化区用于树脂充分发生固化反应生成三维交联聚合体；

所述预热区的温度比胶凝区和固化区的温度低20～30℃，所述胶凝区和固化区的温度保持一致。

进一步地，通过对双酚a型环氧乙烯基树脂的放热峰曲线进行分析，确定预热区的温度为100℃，胶凝区和固化区的温度均为125℃。

进一步地，对双酚a型环氧乙烯基树脂进行胶凝时间测试试验，得到双酚a型环氧乙烯基树脂在125℃时的胶凝时间t为4min。

进一步地，确定拉挤成型系统中牵引装置的牵引速度为

进一步地，基于树脂纤维混合体的传热系数，确定不同直径下纤维增强聚合物杆生产时牵引装置的牵引速度。

进一步地，确定拉挤成型系统中缠绕装置的缠绕速度为

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过科学手段确定了双酚a型环氧乙烯基树脂作为基体材料在纤维增强聚合物杆制备时拉挤成型系统中的生产参数，包括牵引装置的牵引速度、缠绕装置的缠绕速度、预热区温度、胶凝区温度和固化区温度，这些生产参数的确定有助于避免frp杆在生产过程中过度固化，造成frp杆整体性能的提前退化和生产效率低等问题，同时，也可以避免frp杆固化度不足，降低了frp杆力学性能，致使frp杆的性能得不到充分发挥而造成材料浪费。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一的制备纤维增强聚合物杆的拉挤成型系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一的双酚a型环氧乙烯基树脂的放热峰曲线；

图3是本发明实施例二的c/ghfrp筋拉伸应力-应变曲线；

图4是本发明实施例三的gfrp筋拉伸应力-应变曲线；

图5是本发明实施例一的制备纤维增强聚合物杆的拉挤成型系统生产参数确定方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图5所示，本实施例的制备纤维增强聚合物杆的拉挤成型系统生产参数确定方法，包含以下步骤：

步骤s11，为了确定frp杆拉挤成型过程中的固化温度，利用差示扫描量热仪(dsc)对双酚a型环氧乙烯基树脂进行动态热力学扫描试验，得到双酚a型环氧乙烯基树脂的放热峰曲线。

在本实例中，从浸渍纤维的树脂中随机抽取15mg样本用于dsc动态热力学扫描试验，升温速率为5k/min，最高温度升至250℃，得到双酚a型环氧乙烯基树脂的放热峰曲线。

步骤s12，如图1所示，通过所得到的放热峰曲线确定拉挤成型系统中的预热区温度、胶凝区温度和固化区温度。

预热区的作用是在该区域内增大树脂在纤维间的流动性，进一步优化树脂的浸润性能；胶凝区的作用是在该区域内树脂开始发生聚合反应，从溶胶态变为胶凝态；胶凝状态的树脂纤维混合体进入固化区，树脂充分发生固化反应生成三维交联聚合体。

预热区的温度比胶凝区和固化区的温度一般低20～30℃，胶凝区和固化区的温度基本保持一致，所以，如图2所示，通过对双酚a型环氧乙烯基树脂的放热峰曲线进行分析，从放热峰曲线上可以观察到，双酚a型环氧乙烯基树脂的最大放热峰对应的点，即最大放热速率点对应的温度为125℃，从而确定预热区的温度为100℃，胶凝区和固化区的温度均为125℃；同时，可得到双酚a型环氧乙烯基树脂的玻璃化温度为185℃，即frp杆生产时最高固化温度不能大于或等于185℃。

步骤s13，在确定拉挤成型系统中胶凝区温度和固化区温度为125℃后，根据gb12007.7-89《环氧树脂胶凝时间测试方法》，对双酚a型环氧乙烯基树脂进行胶凝时间测试试验，得到双酚a型环氧乙烯基树脂在125℃时的胶凝时间t为4mim。

步骤s14，确定拉挤成型系统中牵引装置的牵引速度为其中l为系统胶凝区长度。

但是，因为frp杆为圆柱形结构，由于热传递效应，被外层包裹的内层材料需要吸收外层材料传递的热量才能升高温度，所以当frp杆的直径增大时，相应的牵引速度会有所降低，降低程度要根据树脂纤维混合体的传热系数来确定。基于拉挤成型系统胶凝区长度1600mm和树脂纤维混合体的传热系数，针对不同直径的frp杆进行多次试验，确定不同直径下纤维增强聚合物杆生产时牵引装置的牵引速度：1、当d≤10mm时，牵引速度为400mm/min；2、当10＜d≤15mm时，牵引速度为350mm/min；3、当15＜d≤20mm时，牵引速度为300mm/min；4、当20＜d≤25mm时，牵引速度为250mm/min；5、当25＜d≤30mm时，牵引速度为200mm/min；6、当30＜d≤35mm时，牵引速度为150mm/min；7、当35＜d≤40mm时，牵引速度为100mm/min；8、当40＜d≤45mm时，牵引速度为50mm/min。

步骤s15，确定拉挤成型系统中缠绕装置的缠绕速度为其中l为系统胶凝区长度，d为纤维增强聚合物杆的直径，n为倍数，nd为肋间距。

通过以上方法可依次确定双酚a型环氧乙烯基树脂作为基体材料在纤维增强聚合物杆制备时拉挤成型系统中的生产参数，包括牵引装置的牵引速度、缠绕装置的缠绕速度、预热区温度、胶凝区温度和固化区温度。

本发明不仅适用于以双酚a型环氧乙烯基树脂为基体材料时，制备cfrp筋/锚杆/绞线/箍筋、gfrp筋/锚杆/绞线/箍筋、bfrp筋/锚杆/绞线/箍筋、afrp筋/锚杆/绞线/箍筋和合成纤维增强聚合物筋/锚杆/绞线/箍筋，还适用于制备各种混杂纤维增强聚合物(hfrp)筋/锚杆/绞线/箍筋、各种纤维与钢筋混杂筋/锚杆/绞线/箍筋和各种纤维与钢丝绳混杂增强聚合物筋/锚杆/绞线/箍筋。

实施例二

制备一批直径为8mm的碳纤维和玻璃纤维混杂(c/ghfrp)筋(c:g＝1:6)，肋间距为1.5倍直径，即12mm，采用的牵引速度为400mm/min，缠绕速度为33.3rad/min。

将上面得到的一套生产参数，牵引速度400mm/min、缠绕速度33.3rad/min、预热区温度100℃、胶凝区温度125℃和固化区温度125℃，输入到拉挤成型系统的控制终端上，给设备发出预热指令，待设备的预热区、胶凝区和固化区温度升温至指定的温度时，控制终端平台上提示准备就绪，点击平台上的运行按钮，设备开始按照上述输入的生产参数进行直径为8mm的c/ghfrp筋自动化连续生产。

采用的碳纤维、玻璃纤维和双酚a型环氧乙烯基树脂的力学性能参数如下表：

通过对该批次c/ghfrp筋的拉伸初始弹性模量进行测试并与预测值进行比较：

由c/ghfrp筋的拉拔试验得到该批次c/ghfrp筋的平均初始弹性模量为73.7mpa，可通过对如图3所示的c/ghfrp筋拉伸应力-应变曲线的线弹性段进行拟合得到。

通过混合法则：ep＝vf(vcec+vgeg)+em(1-vf)，vf表示纤维总体积分数0.585，vc:vg＝1:6.24，预测得到该c/ghfrp筋的初始弹性模量为72.6mpa。

试验值与预测值之比73.7/72.6＝1.015，可见该批次c/ghfrp筋生产参数设置的准确性。

实施例三

制备一批直径为16mm的玻璃纤维gfrp筋，肋间距为1倍直径，即16mm，采用的牵引速度为300mm/min，缠绕速度为18.8rad/min。

将上面得到的一套生产参数，牵引速度300mm/min、缠绕速度18.8rad/min、预热区温度100℃、胶凝区温度125℃和固化区温度125℃，输入到拉挤成型系统的控制终端上，给设备发出预热指令，待设备的预热区、胶凝区和固化区升温至指定的温度时，控制终端平台上提示准备就绪，点击平台上的运行按钮，设备开始按照上述输入的生产参数进行直径为16mm的gfrp筋自动化连续生产。

采用的玻璃纤维和双酚a型环氧乙烯基树脂的力学性能参数如下表：

通过对该批次gfrp筋的拉伸初始弹性模量进行测试并与预测值进行比较：

由gfrp筋的拉拔试验得到该批次gfrp筋的平均初始弹性模量为50.5mpa，可通过对如图4所示的gfrp筋拉伸应力-应变曲线的线弹性段进行拟合得到。

通过混合法则：ep＝vgeg+em(1-vg)，vg表示玻璃纤维的体积分数0.613，预测得到该gfrp筋的初始弹性模量为50.8mpa。

试验值与预测值之比50.5/50.8＝0.994，可见该批次gfrp筋生产参数设置的准确性。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似词语并非现定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

上文中参照优选的实施例详细描述了本发明的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各技术特征、结构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。