一种提高圆管环向刚度的拉挤缠绕组合制造工艺及设备

1.本发明涉及管材生产技术领域，特别是一种提高圆管环向刚度的拉挤缠绕组合制造工艺及设备。

背景技术：

2.复合材料构件具有轻质高强、耐腐蚀、抗磁电干扰等优异性能已应用于航空航天、石油化工、海洋石油勘探开采等领域。目前复合材料生产工艺主要包括热压罐、模压、拉挤和缠绕工艺等。
3.其中拉挤工艺和缠绕工艺均可制备圆形复合材料制品。
4.拉挤工艺：拉挤工艺非常适合于连续单向纤维增强复合材料,这种复合材料的纵向力学强度特别突出,适合于制造承受纵向拉伸强度要求高的制品，因此产品具有拉伸强度高，截面恒定，生产效率高，在复合材料横截面管材及工字梁等产品中，得到广泛应用。然而,由于拉挤工艺制备的复合材料产品纤维沿着轴向布置，拉挤制品的横向强度特别低,限制了拉挤复合材料的应用。
5.缠绕工艺：缠绕成型工艺是复合材料成型工艺中机械化、自动化程度比较高的一种工艺技术,该技术是将经过表面处理的连续玻璃纤维或玻璃布在浸渍树脂胶液后,连续地缠绕在芯模上或内衬上,然后经加热固化或常温固化,脱除模芯,即得产品。一般根据产品的形状尺寸、技术指标要求、设备情况来确定成型方法,选择合适的原材料,设计合理的缠绕参数。纤维缠绕工艺技术的显著特征是纤维缠绕方向沿着产品的径向布置，或者是单纯的垂直方向，能够按照复合材料结构的负载要求，将增强材料按最优方向排列，从而提高了产品的环向结构效能。特别适用于制造内压容器，火箭发动机壳体，管材和储存罐等复合结构，在国防军工和国民经济建设工程中获得了广泛的应用，形成了大规模的产业。
6.然而在实际应用中，复合材料往往处于复杂的受力环境中，承受多种载荷，对轴向力学性能和环向力学性能都有较高的要求，我们发现了单一的拉挤工艺或缠绕工艺很难满足各个方向力学性能均衡的高性能复合材料构件。例如复合材料圆管在要求承受弯曲载荷，由于截面刚度低，环向而先于轴向拉伸而破坏，因此迫切需要同时提高轴向强度和环向刚度。拉挤工艺优势在于其产品具有明显的轴向力学性能，而环向性能比较不足。由于拉挤工艺的局限性，不能实现环向力学性能的提高，而缠绕工艺可以提升环向性能，因此需要在拉挤工艺的基础上，辅助环向缠绕工艺，即开发拉挤缠绕组合工艺。

技术实现要素：

7.为解决上述问题，本发明提出一种提高圆管环向刚度的拉挤缠绕组合制造工艺，通过该设备可以制造出各个方向均有纤维铺设，表现出具有综合优异力学性能的复合材料圆管。本发明还提出一种提高圆管环向刚度的拉挤缠绕组合制造设备。
8.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
9.在第一个技术方案中，一种提高圆管环向刚度的拉挤缠绕组合制造工艺，其特征
在于：包括
10.步骤a1：准备干燥拉挤粗纱，将干燥拉挤粗纱经过分纱板进行整理进入浸胶槽浸胶，浸胶后的拉挤纱预成形后备用；
11.步骤a2：将多根拉挤纱沿拟制备复合材料圆管的轴向牵引，使得拉挤纱均匀分布拟制备圆管管体的截面，拉挤纱的延伸方向与拟制备圆管管体轴心方向平行，且多根所述拉挤纱等间距布置；
12.步骤a3：沿第一方向旋转将内层缠绕纱缠绕在步骤a2制成的外附最内层拉挤纱；再沿第二方向旋转将外层缠绕纱缠绕在上述的内层缠绕纱外部；
13.步骤a4：将步骤a3制得的附有拉挤纱、内层缠绕纱和外层缠绕纱与树脂充分浸润，树脂充分渗入拉挤纱和缠绕纱的纤维内后加热定型。
14.在第一个技术方案中，作为优选的，在步骤a3中，将内层缠绕纱和外层缠绕纱均采用对旋式缠绕方法。
15.在第一个技术方案中，作为优选的，在步骤a3中，沿第一方向旋转将内层缠绕纱缠绕外附拉挤之后、以及沿第二方向旋转将外层缠绕纱缠绕在上述的内层缠绕纱外部之后均再次预成形。
16.在第一个技术方案中，作为优选的，在步骤a4中，浸树脂后，在模具中首先加热成树脂形成凝胶态树脂，再将凝胶态树脂加热形成固态树脂。
17.在第一个技术方案中，作为优选的，所述拉挤纱为玻璃纤维，线密度为4800tex；所述缠绕纱为玻璃纤维，线密度为1200tex。
18.在第一个技术方案中，作为优选的，所述树脂为不饱和聚酯树脂，牌号为p65-972，树脂使用的交联剂为苯乙烯。
19.在第二个技术方案中，一种提高圆管环向刚度的拉挤缠绕组合制造工艺，包括
20.步骤b1：准备干燥拉挤粗纱，将干燥拉挤粗纱经过分纱板进行整理进入浸胶槽浸胶，浸胶后的拉挤纱预成形后备用；
21.步骤b2：将多根拉挤纱牵引，拉挤纱的延伸方向与拟制备的复合材料圆管管体轴心方向平行，且多根所述拉挤纱等间距布置；
22.步骤b3：沿第一方向旋转将内层缠绕纱缠绕在步骤b2制成的拉挤纱；
23.步骤b4：在步骤b3的基础上将多根拉挤纱与外附内层缠绕纱同步牵引，拉挤纱的延伸方向与所述圆管管体轴心方向平行，且多根所述拉挤纱等间距布置；
24.步骤b5：在步骤b4的基础上，沿第二方向旋转将外层缠绕纱缠绕在步骤b4制备的的拉挤纱外层；
25.步骤b6：将第b5步制得的附有拉挤纱、内层缠绕纱和外层缠绕纱在树脂注入腔浸润树脂，树脂充分渗入拉挤纱和缠绕纱的纤维内后加热定型。
26.在第三个技术方案中，一种提高圆管环向刚度的拉挤缠绕组合制造设备，包括依次布置的储沙架、浸胶槽、拉挤缠绕子系统、加热模具和往复式牵引机，所述加热模具内置有用于对拉挤缠绕子系统外部纱线浸入树脂的树脂注入腔，所述拉挤缠绕子系统包括至少1个拉挤纱附纱设备和2组缠绕纱附纱设备。
27.在第三个技术方案中，作为优选的，所述拉挤缠绕子系统包括依次设置的第一个预成型设备、第一个对旋式缠绕机、第二个预成型设备、第二个对旋式缠绕机和第三个预成
型设备。
28.在第一个技术方案中，作为优选的，所述拉挤缠绕子系统包括依次设置的第一个预成型设备、第一个对旋式缠绕机、第二个对旋式缠绕机和第二个预成型设备。
29.使用本发明的有益效果是：
30.本拉挤缠绕组合制造工艺可以综合拉挤工艺和缠绕工艺二者的优点，发挥各自工艺在实现力学性能在空间分布的协同组合优势，以最少的材料实现最佳的各向力学性能组合，同时实现复合材料管道的轴向和环向力学性能。通过工艺的创新，拉挤缠绕工艺实现了以最少的纤维和基体材料实现复合材料力学性能在空间上的优化，制备出轻质高强的高性能复合材料。
31.拉挤缠绕组合工艺大大提高了圆管的横向抗压能力至8倍，根本上改善了拉挤管状制品的横向性能。这是采用连续毡做增强材料无法达到的。弯曲强度提高近30％，拉挤缠绕圆管的抗扭转矩是单向纤维拉挤管的2.6倍。从以上数据可以看出拉挤缠绕组合工艺圆管比单向纤维拉挤管的性能有了极大改善，究其原因在于添加缠绕后的拉挤管极大提高了沿单向纤维方向的抗剪切性能。从试验中可以看到，单向纤维管的破坏主要是沿纤维方向上的剪切破坏。而在拉挤缠绕组合圆管上从未发生。同时拉挤-缠绕管还表现出极好的韧性。
32.拉挤缠绕组合工艺复合材料制品的性能可设计性很强，可通过改变缠绕铺层及缠绕角改变其性能，可以满足各种电力工程需要。拉挤缠绕组合工艺圆管状结构制品在基础设施领域的应用潜力是巨大的。
附图说明
33.图1为提高圆管环向刚度的拉挤缠绕组合制造设备的示意图。
34.图2为提高圆管环向刚度的拉挤缠绕组合制造设备中缠绕拉挤纱设备示意图。
35.图3为提高圆管环向刚度的拉挤缠绕组合制造工艺制成的复合材料圆管抗压实验图。
36.图4为提高圆管环向刚度的拉挤缠绕组合制造工艺制成的复合材料圆管承受荷载及位移趋势关系。
37.图5为提高圆管环向刚度的拉挤缠绕组合制造工艺制成的复合材料圆管结构示意图。
38.附图标记包括：
39.10-储沙架，20-浸胶槽，31-预成型设备，32-对旋式缠绕机，40-加热模具，41-树脂注入腔，50-往复式牵引机，60-管体。
具体实施方式
40.为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。
41.实施例1
42.本实施例提出一种提高圆管环向刚度的拉挤缠绕组合制造工艺，包括
43.步骤a1：准备干燥拉挤粗纱，将干燥拉挤粗纱经过分纱板进行整理进入浸胶槽20浸胶，浸胶后的拉挤纱预成形后备用；
44.步骤a2：将多根拉挤纱沿拟制备复合材料圆管管体60的轴向牵引，使得拉挤纱均匀分布拟制备圆管管体60的截面，拉挤纱的延伸方向与拟制备圆管管体60轴心方向平行，且多根所述拉挤纱等间距布置；
45.步骤a3：沿第一方向旋转将内层缠绕纱缠绕在步骤a2制成的外附最内层拉挤纱的圆管管体60外部；再沿第二方向旋转将外层缠绕纱缠绕在上述的内层缠绕纱外部；步骤a4：将步骤a3制得的附有拉挤纱、内层缠绕纱和外层缠绕纱的管体60外浸树脂，树脂充分渗入拉挤纱和缠绕纱的纤维内后加热定型。
46.作为优选的，在步骤a3中，将内层缠绕纱和外层缠绕纱均采用对旋式缠绕方法。
47.作为优选的，在步骤a3中，沿第一方向旋转将内层缠绕纱缠绕外附拉挤之后、、以及沿第二方向旋转将外层缠绕纱缠绕在上述的内层缠绕纱外部之后均再次预成形。
48.作为优选的，在步骤a4中，管体60外浸树脂后首先加热成树脂形成凝胶态树脂，再将凝胶态树脂加热形成固态树脂。
49.作为优选的，拉挤纱为玻璃纤维，线密度为4800tex；缠绕纱为玻璃纤维，线密度为1200tex。
50.作为优选的，树脂为不饱和聚酯树脂，牌号为p65-972，树脂使用的交联剂为苯乙烯。
51.本实施例中，本工艺将干燥拉挤粗纱经过浸胶后预成形备用；将多根拉挤纱沿拟制备复合材料圆管管体60的轴向牵引，使得拉挤纱均匀分布拟制备圆管管体60的截面，拉挤纱的延伸方向与拟制备圆管管体60轴心方向平行。根据受力要求，拉挤纱束沿圆管径向从内到外形成不同环层，且各个环层中的拉挤纱沿径向等间距布置在圆管的截面；沿第一方向旋转将内层缠绕纱缠绕在最内层拉挤纱的外部；再沿第二方向旋转将外层缠绕纱缠绕在上述的内层缠绕纱外部；然后通过新的预成型装置牵引再引入新的一层拉挤纱，重复相同的对旋式缠绕，直至引入最外层拉挤纱。这样形成拉挤环层和缠绕环层交替的圆环形复合材料层合板结构。将具有拉挤纱、内层缠绕纱和外层缠绕纱和树脂在树脂诸如腔充分混合浸润，树脂充分渗入拉挤纱和缠绕纱的纤维内后，在牵引设备的牵引下进入可加热模具40，模具依据复合材料材料圆管的尺寸进行设计，在模具中树脂通过不同阶段的加热，经历粘稠的流体到凝胶态到固态的加热定型。
52.实施例2
53.本实施例提出一种提高圆管环向刚度的拉挤缠绕组合制造工艺，包括
54.步骤b1：准备干燥拉挤粗纱，将干燥拉挤粗纱经过分纱板进行整理进入浸胶槽20浸胶，浸胶后的拉挤纱预成形后备用；
55.步骤b2：将多根拉挤纱与圆管管体60同步牵引，使得拉挤纱贴附在圆管管体60的外环面，拉挤纱的延伸方向与圆管管体60轴心方向平行，且多根拉挤纱等间距布置；
56.步骤b3：沿第一方向旋转将内层缠绕纱缠绕在步骤b2制成的外附拉挤纱的圆管管体60外部；
57.步骤b4：在步骤b3的基础上将多根拉挤纱与外附内层缠绕纱同步牵引，拉挤纱的延伸方向与所述圆管管体60轴心方向平行，且多根所述拉挤纱等间距布置；
58.步骤b5：在步骤b4的基础上，沿第二方向旋转将外层缠绕纱缠绕在步骤b4制备的的拉挤纱外层；
59.步骤b6：将第b5步制得的附有拉挤纱、内层缠绕纱和外层缠绕纱在树脂注入腔浸润树脂，树脂充分渗入拉挤纱和缠绕纱的纤维内后加热定型。
60.与实施例1类似，作为优选的，将内层缠绕纱和外层缠绕纱均采用对旋式缠绕方法。管体60外浸树脂后首先加热成树脂形成凝胶态树脂，再将凝胶态树脂加热形成固态树脂。拉挤纱为玻璃纤维，线密度为4800tex；缠绕纱为玻璃纤维，线密度为1200tex。树脂为不饱和聚酯树脂，牌号为p65-972，树脂使用的交联剂为苯乙烯。
61.本实施例中，由提高圆管环向刚度的拉挤缠绕组合制造工艺制造的管材其管体60外部首先包覆由步骤b2制成的第一层拉挤纱；由步骤b3，第一层拉挤纱外部缠绕有在第一方向上缠绕的第一层缠绕纱；由步骤b4，第二层拉挤纱贴附在第一层缠绕纱外部，由步骤b5，第二层拉挤纱外部缠绕有在第二方向上缠绕的第二层缠绕纱。第一层拉挤纱、第一层缠绕纱、第二层拉挤纱和第二层缠绕纱纤维直线、纤维内部以及限位外层均具有固化定型的树脂。
62.实施例3
63.如图1、图2所示，本实施例提出一种提高圆管环向刚度的拉挤缠绕组合制造设备，包括依次布置的储沙架10、浸胶槽20、拉挤缠绕子系统、加热模具40和往复式牵引机50，加热模具40内置有用于对拉挤缠绕子系统外部纱线浸入树脂的树脂注入腔41。
64.拉挤缠绕子系统包括依次设置的第一个预成型设备31、第一个对旋式缠绕机32、第二个预成型设备31、第二个对旋式缠绕机32和第三个预成型设备31。
65.干燥拉挤粗纱从储纱架牵引出，经过分纱板进行整理进入浸胶槽20，浸胶槽20由蠕动泵供应预混合树脂。经过分纱板后的纱线经过浸胶槽20进行第一次浸胶，再经过复式牵引机牵引通过预成型设备31，纱线预成形后进入缠绕系统区域。拉挤纱和管体60均有往复式牵引机50牵引前进，在缠绕系统中，在第一个对旋式缠绕机32处，缠绕纱在对旋式缠绕机32驱动下缠绕预成形后的拉挤纱。两个缠绕机以相反的角度旋转，形成对旋，载着纱盘旋转。在两个纱盘上分别等量放缠绕纱，缠绕拉挤纱时，缠绕纱围绕本身的纱轴自转，同时围绕芯模公转。缠绕纱的缠绕角可通过拉挤纱的牵引速度和缠绕机的转速来控制。两个缠绕机以对旋的方式旋转，实现了两个方向缠绕纱的相等的环向缠绕角度。上述过程完成第一层缠绕纱的缠绕。
66.在一层缠绕纱实施完毕后，再经过第二个预成型设备31铺设第二层拉挤纱。第二层拉挤纱实施完毕后，再经过第二个对旋式缠绕机32完成第二层缠绕纱的缠绕。第二层缠绕纱的缠绕完毕后，再经过预成型设备31实施第三层拉挤纱。
67.当缠绕纱和拉挤纱实施完毕后，进入树脂注入腔41，第二次浸胶，在这里由于受到空腔的体积的限域效应，树脂受挤压而渗入拉挤纱和缠绕纱的纤维内，使得纤维丝得到充分浸润并在产品表面形成胶层保护。纤维得到浸润后，进入加热模具40，然后进行加热固化，通过设置不同的温度区域，温度梯度的变化实现树脂固化，从液体态到凝胶态，再到固态的转变。形成最终产品所需的形状、尺寸。在往复式牵引机50的牵拉下，送到切割机进行切割。
68.实施例4
69.实施例4中的提高圆管环向刚度的拉挤缠绕组合制造设备与实施例3中的提高圆管环向刚度的拉挤缠绕组合制造设备基本一致，区别在于拉挤缠绕子系统。本实施例中，拉挤缠绕子系统包括依次设置的第一个预成型设备31、第一个对旋式缠绕机32、第二个对旋式缠绕机32和第二个预成型设备31。对应的支撑的拉挤缠绕组合工艺制备玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料圆形管如图5所示。
70.实施例5
71.以实施例3为制作设备和工艺基础。
72.本实施例中，玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料圆形管实例，主要原材料：1玻璃纤维：拉挤纱4800tex，缠绕纤维1200tex；2树脂为不饱和聚酯树脂牌号为p65-972；交联剂为苯乙烯。在拉挤工艺的基础上，增加缠绕工艺，使复合材料圆管，不仅在轴向方向，通过拉挤工艺实现轴向纤维的设置，同时通过缠绕工艺，在环向实现了纤维的设置，通过缠绕的转速和拉挤的牵引速度，控制纤维的缠绕角度。整个拉挤和缠绕组合工艺，设计了新的拉挤缠绕管道，管道外径56mm，壁厚5mm，并对其进行了环向抗压实验，如图3所示。
73.试验数据如图4所示，本试验过程中，新的拉挤缠绕管道在载荷增加到1.5千牛前均为弹性变形，其径向变形量少于5毫米，在弹性变形极限之后进入塑性变形过程，由于拉挤纱、缠绕纱和树脂的作用，新的拉挤缠绕管道仍然可承受较大的径向载荷，除中间径向短距离坍缩段之后，径向载荷仍然保持1.5千牛以上。
74.以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。

技术特征：

1.一种提高圆管环向刚度的拉挤缠绕组合制造工艺，其特征在于：包括步骤a1：准备干燥拉挤粗纱，将干燥拉挤粗纱经过分纱板进行整理进入浸胶槽浸胶，浸胶后的拉挤纱预成形后备用；步骤a2：将多根拉挤纱沿拟制备复合材料圆管的轴向牵引，使得拉挤纱均匀分布拟制备圆管管体的截面，拉挤纱的延伸方向与拟制备圆管管体轴心方向平行，且多根所述拉挤纱等间距布置；步骤a3：沿第一方向旋转将内层缠绕纱缠绕在步骤a2制成的外附最内层拉挤纱；再沿第二方向旋转将外层缠绕纱缠绕在上述的内层缠绕纱外部；步骤a4：将步骤a3制得的附有拉挤纱、内层缠绕纱和外层缠绕纱与树脂充分浸润，树脂充分渗入拉挤纱和缠绕纱的纤维内后加热定型。2.根据权利要求1所述的提高圆管环向刚度的拉挤缠绕组合制造工艺，其特征在于：在步骤a3中，将内层缠绕纱和外层缠绕纱均采用对旋式缠绕方法。3.根据权利要求1所述的提高圆管环向刚度的拉挤缠绕组合制造工艺，其特征在于：在步骤a3中，沿第一方向旋转将内层缠绕纱缠绕外附拉挤纱之后、以及沿第二方向旋转将外层缠绕纱缠绕在上述的内层缠绕纱外部之后均再次预成形。4.根据权利要求1所述的提高圆管环向刚度的拉挤缠绕组合制造工艺，其特征在于：在步骤a4中，浸树脂后，在模具中首先加热成树脂形成凝胶态树脂，再将凝胶态树脂加热形成固态树脂。5.根据权利要求1所述的提高圆管环向刚度的拉挤缠绕组合制造工艺，其特征在于：所述拉挤纱为玻璃纤维，线密度为4800tex；所述缠绕纱为玻璃纤维，线密度为1200tex。6.根据权利要求1所述的提高圆管环向刚度的拉挤缠绕组合制造工艺，其特征在于：所述树脂为不饱和聚酯树脂，牌号为p65-972，树脂使用的交联剂为苯乙烯。7.一种提高圆管环向刚度的拉挤缠绕组合制造工艺，其特征在于：包括步骤b1：准备干燥拉挤粗纱，将干燥拉挤粗纱经过分纱板进行整理进入浸胶槽浸胶，浸胶后的拉挤纱预成形后备用；步骤b2：将多根拉挤纱牵引，拉挤纱的延伸方向与拟制备的复合材料圆管管体轴心方向平行，且多根所述拉挤纱等间距布置；步骤b3：沿第一方向旋转将内层缠绕纱缠绕在步骤b2制成的拉挤纱；步骤b4：在步骤b3的基础上将多根拉挤纱与外附内层缠绕纱同步牵引，拉挤纱的延伸方向与所述圆管管体轴心方向平行，且多根所述拉挤纱等间距布置；步骤b5：在步骤b4的基础上，沿第二方向旋转将外层缠绕纱缠绕在步骤b4制备的的拉挤纱外层；步骤b6：将第b5步制得的附有拉挤纱、内层缠绕纱和外层缠绕纱在树脂注入腔浸润树脂，树脂充分渗入拉挤纱和缠绕纱的纤维内后加热定型。8.一种提高圆管环向刚度的拉挤缠绕组合制造设备，其特征在于：包括依次布置的储纱架、浸胶槽、拉挤缠绕子系统、加热模具和往复式牵引机，所述加热模具内置有用于对拉挤缠绕子系统外部纱线浸入树脂的树脂注入腔，所述拉挤缠绕子系统包括至少1个拉挤纱附纱设备和2组缠绕纱附纱设备。9.根据权利要求8所述的提高圆管环向刚度的拉挤缠绕组合制造设备，其特征在于：所
述拉挤缠绕子系统包括依次设置的第一个预成型设备、第一个对旋式缠绕机、第二个预成型设备、第二个对旋式缠绕机和第三个预成型设备。10.根据权利要求8所述的提高圆管环向刚度的拉挤缠绕组合制造设备，其特征在于：所述拉挤缠绕子系统包括依次设置的第一个预成型设备、第一个对旋式缠绕机、第二个对旋式缠绕机和第二个预成型设备。

技术总结

本发明涉及管材生产技术领域，一种提高圆管环向刚度的拉挤缠绕组合制造工艺，包括准备干燥拉挤粗纱，将干燥拉挤粗纱经过分纱板进行整理进入浸胶槽浸胶，浸胶后的拉挤纱预成形后备用；将多根拉挤纱沿拟制备复合材料圆管的轴向牵引，使得拉挤纱均匀分布拟制备圆管管体的截面，拉挤纱的延伸方向与拟制备圆管管体轴心方向平行，多根所述拉挤纱等间距布置；沿第一方向旋转将内层缠绕纱缠绕在上述的外附最内层拉挤纱；再沿第二方向旋转将外层缠绕纱缠绕在上述的内层缠绕纱外部；将上述的附有拉挤纱、内层缠绕纱和外层缠绕纱与树脂充分浸润，树脂充分渗入拉挤纱和缠绕纱的纤维内后加热定型。本发明还提出一种提高圆管环向刚度的拉挤缠绕组合制造设备。挤缠绕组合制造设备。挤缠绕组合制造设备。