一种两端带螺旋树脂肋的碳纤维复合材料筋及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种两端带螺旋树脂肋的碳纤维复合材料筋及其制备方法，芯部为单向碳纤维增强环氧树脂基体复合材料，筋材的端部作为锚固段，锚固段的外表面具有连续的螺旋肋构造，筋材的中间段为光圆的外表面。筋材中碳纤维束的体积含量为65％‑78％。筋材表面的固化树脂按照不同区域的用途按需要可成型出螺旋肋或保持光圆状态。以作为桥梁拉索为例，筋材两端加工为螺旋肋结构，作为锚固段可提高锚固可靠性，在锚固段成型出树脂螺旋肋，两锚固段之间的中间段保持光圆状，有利于张拉应力的均匀分布。

【技术实现步骤摘要】
一种两端带螺旋树脂肋的碳纤维复合材料筋及其制备方法
本专利技术属于建筑材料
，主要涉及一种两端带螺旋树脂肋的碳纤维复合材料筋及其制备方法。
技术介绍
碳纤维复合材料筋材具有轻质、高强、耐腐蚀、耐疲劳、减震性能好等特点，将其作为桥梁缆索中的拉索部件，已成为提高桥梁跨径与耐久性的一个发展方向。但是一般表面光圆的碳纤维复合材料筋锚固较为困难，这是制约其目前不能得到广泛应用的关键因素。目前，国内外已开发出四种表面存在凹凸结构的碳纤维复合材料筋，用于增加筋材表面与锚固料之间的机械咬合力，提高筋材的锚固效率。第一种方法是先通过拉挤成型工艺生产光圆碳纤维复合材料筋材，在其表面缠绕浸渍环氧树脂的纤维束，环氧树脂固化粘结成肋。这种方法制成带肋筋材的缠绕纤维束与光圆筋材的粘结强度低，容易脱粘，并不能充分发挥碳纤维复合材料筋材的拉伸性能。第二种方法是将F4带(四氟缠绕带)缠绕在浸渍环氧树脂未固化的预成型筋材，F4缠绕带和筋材一起牵引进入定型模具中固化，固化后将F4带退绕，在筋材表面形成螺旋形凹槽。这种方法存在两个问题：一是由于F4带缠绕，使内部连续碳纤维束沿筋材长度方向取向发生波动，导致筋材的拉伸强度与弹性模量均下降；二是缠绕了F4带后，筋材表面凹凸不平，牵引进入定型模具固化的过程中摩擦力非常大，容易发生堵模的问题。第三种方法是通过机械法在筋材表面加工形成螺纹结构。这种方法会切断筋材表面碳纤维束，影响筋材的拉伸强度及刚度，造成一定的材料浪费。第四种方法是浸渍环氧树脂的碳纤维束通过光圆模具后，在圆形纤维束表面缠绕尼龙带，控制缠绕张紧力，尼龙带只与筋材毛胚表面贴合而不勒紧筋材毛坯，筋材毛胚表面碳纤维束取向保持平直，经过多道烘箱固化，筋材毛胚内部的环氧树脂受热后发生膨胀并且流动性变得非常好，开始从筋材毛胚内部往外溢出，逐渐填充满尼龙带间的缝隙，最后发生固化。接着对缠绕带进行退绕，尼龙带间隙溢出的环氧树脂形成螺旋树脂肋，尼龙带退绕部位形成螺旋式凹槽。这种工艺方法生产出的筋材表面通长都带有螺旋树脂肋，而表面螺旋树脂肋主要是用于筋材两端锚固性能提升，除锚固部位以外的筋材的螺旋树脂肋并没有实际作用，且为了制造表面带螺旋树脂肋筋材，采用了模外多道烘箱固化工艺，存在传热效率低，生产效率低的缺点。
技术实现思路
本
技术实现思路
的目的在于克服上述不足，设计出一种两端带螺旋树脂肋的碳纤维复合材料筋及其制备方法，该筋材两端表面带有螺旋树脂肋结构，筋材中间表面为光圆结构。该制备方法具有一次加工成型，工艺简便，不易堵模的优点，本专利技术制成的两端带螺旋树脂肋的碳纤维复合材料筋具有高强度高模量的特点，同时解决了光圆碳纤维复合材料筋难锚固的难点。本专利技术的技术方案为：一种两端带螺旋树脂肋的碳纤维复合材料筋，芯部为单向碳纤维增强环氧树脂基体复合材料，筋材的端部一般作为锚固段，锚固段的外表面具有连续的螺旋树脂肋构造，筋材的中间段为光圆的外表面。优选地，所述螺旋树脂肋的厚度为0.1mm-0.5mm，宽度为4mm-10mm，相邻螺旋肋的间距为2mm-4mm。具体地，所述锚固段和中间段之间为过渡段，所述过渡段的螺旋肋从锚固段向中间段的方向厚度逐渐减小。优选地，筋材中碳纤维束的体积含量为65％-78％。上述碳纤维复合材料筋的制备方法，包括如下步骤：步骤一：将若干束碳纤维束从分纱板中牵引出来，牵引速度为200—800mm/min，牵引张力10N-100N，保证碳纤维束平直；步骤二：将碳纤维束牵引进入树脂槽浸渍树脂混合物，出树脂槽后牵引穿过集束环并束，集束环的内孔内径范围为5mm-12mm，由集束环挤出多余的树脂；步骤三：集束后的碳纤维束牵引依次通过腔体预成型模具和哈夫预成型模具，得到预定尺寸的筋材毛胚，腔体预成型模具和哈夫预成型模具的内孔尺寸一致，内孔内径为4mm-10mm，小于集束环的内孔内径，此时用于哈夫预成型模具加热的一对加热板11不加热，筋材毛胚出哈夫预成型模具后，给筋材毛胚表面缠绕尼龙带，尼龙带螺旋缠绕在筋材毛坯表面，控制缠绕张紧力，保证尼龙带只与筋材毛胚表面贴合而不勒紧筋材毛胚，缠绕过程中筋材毛坯表面碳纤维束取向保持平直，不发生波动；步骤四：将表面缠绕有尼龙带的筋材毛胚牵引先后经过若干烘箱，若干烘箱的温度由低到高，温度范围为150℃-180℃，经过前面烘箱预热后，筋材毛胚内部的树脂受热后发生膨胀并且流动性变得非常好，开始从筋材毛胚内部往外溢出，逐渐填充满尼龙带间的缝隙，继续经过烘箱加热后，树脂发生凝胶，经过后面几个烘箱后，树脂发生预固化直至完成固化过程；步骤五：固化完成后，将筋材表面的尼龙带进行退绕，尼龙带间隙中的树脂形成凸出的螺旋树脂肋，尼龙带退绕部位形成螺旋式凹槽；步骤六：当筋材前端完成锚固区的螺旋肋成型后，控制哈夫预成型模具的加热板发热，对哈夫预成型模具加热，设置加热温度为树脂的固化温度Tg℃，在哈夫预成型模具升温过程中，筋材毛胚连续经过哈夫预成型模具，筋材毛胚实现提前预固化，形成过渡段，继续在过渡段缠绕尼龙带，过渡段经过若干烘箱中的一个或多个后，树脂的流动性和膨胀幅度减小，将在过渡段形成厚度越来越小的螺旋肋，直至哈夫预成型模具的温度达到树脂的固化温度Tg℃，此后筋材毛胚经过哈夫预成型模具后即完成固化，筋材表面直接为定型的光圆状，停止尼龙带缠绕，剪断筋材过渡段和中间段的尼龙带，停止尼龙带退绕动作，关闭若干个烘箱；步骤七：在中间段生产长度达到设计要求后，拆除哈夫预成型模具的加热板，哈夫模具的温度逐渐降低，开启所述的若干个烘箱，当在哈夫预成型模具降温过程中，筋材毛胚连续经过哈夫预成型模具，筋材毛胚开始无法实现提前预固化，同时重新开启尼龙带缠绕动作和退绕动作，在筋材毛胚表面缠绕尼龙带，筋材毛胚经过若干烘箱中的一个或多个后，随着哈夫预成型模具温度越来越低，树脂的流动性和膨胀幅度逐渐增大，将形成厚度越来越大的螺旋肋，形成过渡段，直至哈夫预成型模具的温度降到室温，同时开启所述的若干个烘箱加热至步骤四中的工作温度，对中间段之后的筋材表面进行如步骤四所记载的螺旋肋成型；步骤八：重复步骤四到七，在筋材表面成型出螺旋肋或光圆结构。可选地，每束碳纤维束包括12000根碳纤维丝。可选地，步骤三中，尼龙带的宽度2mm-4mm，厚度0.5mm-1mm。优选地，步骤四中，烘箱一般为五个，温度分别设定为150℃、150℃、160℃、180℃、180℃。经过第一个烘箱预热后，筋材毛胚内部的环氧树脂受热后发生膨胀并且流动性变得非常好，开始从筋材毛胚内部往外溢出，逐渐填充满尼龙带间的缝隙，经过第二个烘箱后，环氧树脂发生凝胶，经过第三个烘箱后，环氧树脂发生预固化，经过最后两个温区完成后固化过程。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1.提供了一种局部(一般是端部)成型出螺旋树脂肋的碳纤维复合材料筋，筋材表面的固化树脂按照不同区域的用途按需要可成型出螺旋树脂肋或保持光圆状态。以作为桥梁拉索为例，筋材两端加工为螺旋树脂肋结构，作为锚固段可提高锚固可靠性，在两锚固本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种两端带螺旋树脂肋的碳纤维复合材料筋，其特征在于：芯部为单向碳纤维增强环氧树脂基体复合材料，筋材的端部作为锚固段，锚固段的外表面具有连续的螺旋肋构造，筋材的中间段为光圆的外表面。/n

【技术特征摘要】
1.一种两端带螺旋树脂肋的碳纤维复合材料筋，其特征在于：芯部为单向碳纤维增强环氧树脂基体复合材料，筋材的端部作为锚固段，锚固段的外表面具有连续的螺旋肋构造，筋材的中间段为光圆的外表面。


2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料筋，其特征在于：所述螺旋肋的厚度为0.1mm-0.5mm，宽度为4mm-10mm，相邻螺旋肋的间距为2mm-4mm。


3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料筋，其特征在于：所述锚固段和中间段之间为过渡段，所述过渡段的螺旋肋从锚固段向中间段的方向厚度逐渐减小。


4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料筋，其特征在于：筋材中碳纤维束的体积含量为65％-78％。


5.一种制备权利要求1-4中任一项所述碳纤维复合材料筋的方法，其特征在于：包括：
步骤一：将若干束碳纤维束从分纱板中牵引出来，牵引速度为200—800mm/min，牵引张力10N-100N，保证碳纤维束平直；
步骤二：将碳纤维束牵引进入树脂槽浸渍树脂混合物，出树脂槽后牵引穿过集束环(8)并束，集束环(8)的内孔内径范围为5mm-12mm，由集束环(8)挤出多余的树脂；
步骤三：集束后的碳纤维束牵引依次通过腔体预成型模具(9)和哈夫预成型模具(10)，得到预定尺寸的筋材毛胚，腔体预成型模具(9)和哈夫预成型模具(10)的内孔尺寸一致，内孔内径为4mm-10mm，小于集束环(8)的内孔内径，此时用于哈夫预成型模具(10)加热的一对加热板11不发热，筋材毛胚出哈夫预成型模具(10)后，给筋材毛胚表面缠绕尼龙带，尼龙带螺旋缠绕在筋材毛坯表面，控制缠绕张紧力，保证尼龙带只与筋材毛胚表面贴合而不勒紧筋材毛胚，缠绕过程中筋材毛坯取向平直；
步骤四：将表面缠绕有尼龙带的筋材毛胚牵引先后经过若干烘箱，若干烘箱的温度由低到高，温度范围为150℃-180℃，经过前面烘箱预热后，筋材毛胚内部的树脂受热后发生膨胀并且流动性变得非常好，开始从筋材毛胚内部往外溢出，逐渐填充满尼龙带间的缝隙，继续经过烘箱加热后，树脂发生凝胶，经过后面几个烘箱后，树脂发生预固化直至完成固化过程；
步骤五：固化完成后，将筋材表面的尼龙带进行退绕，尼龙带间隙中...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘礼华，朱元林，朱维军，黄盛彬，
申请(专利权)人：法尔胜泓昇集团有限公司，江苏法尔胜研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32