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玻璃钢之金属丝缠绕复合材料的研究(2),玻璃钢拉挤模具
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恒德环保科技

时间 : 2022-03-26 12:39 浏览量 : 102

玻璃钢之金属丝缠绕复合材料的研究(2)

现在,可拉制各种合金的金属丝,其直径为0.003~0.007时,最大抗拉强度接近6×105磅/时3、弹性模量为30×10磅/时。金属丝的表面层多种多样,如不锈钢、黄铜涂层、磷涂层以及普通碳钢等●。由于这些钢丝强度较高,脆性不太显著,或者不易磨坏,处理工艺对强度没有什么影响,方法也比较简单,因而适于纤维缠绕。净化和表面处理不太复杂,可做基体材料的这里指的是特种用途的防化学腐做导管。——霹者

郎表面不加涂层。——露者

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树脂配方也很多。在这方面,不但研究了常用的环氧树脂,而且还研究了某些聚烯烃类树脂,如聚乙烯和聚丙烯。由于这些树脂耐湿性和耐腐蚀性都很优异,在拉伸或剪切破坏以前还具有显著

的变形能力,从而引人注目。此外,他们具有相当大的机械延展性。

关于环氧-金属丝和聚烯烃-金属丝缠绕复合材料性能的研究与环氧玻璃钢和聚烯烃玻璃钢一样,最先是研究怎样才能使金属丝和树脂粘结得最好;而后才利用平板形纤维缠绕试件进行研

究。最后采用了单向环(NOL环)试件,以寻求薄壁管和导管的最优参数方案。比克曼()指出,当不存在另一些强度较低的材料时,适当的连接就可了解到较弱成分的已知粘结强度。这就是研究树脂和金属丝之间粘结强度的基本原理。实验设备很简单。在聚四氟乙烯的模子里沿中心轴放置一根0.010时直径的金属丝,再把树脂浇到模子里,固化后形成一个树脂圆盘,直径1时。这就做成了一个拉出试件。试验时粘接面受剪应力作用。试验目的是寻求合适的金属丝表面净化方法和怎样才能使带有不同涂层的碳钢钢丝同树脂粘结的更好。所用钢丝的涂层分别是:(a)黄铜涂层;

(b)无机溶液涂层;(c)由酸蚀得到的磷涂层。最早使用的树脂有下述几种。

环氧树脂类:

1.Epon 828,固化剂Z,212°F下固化一小时。

2.Dow线型酚醛X2638.6,固化剂Z,225°F下固化一小时。

3.Araldite 6020,固化剂Z,212°F下固化一小时。

聚烯烃树脂①:

环氧树脂类:

1.Epon 828,固化剂Z,212°F下固化一小时。

2.Dow线型酚醛X2638.6,固化剂Z,225°F下固化一小

时。

3.Araldite 6020,固化剂Z,212°F下固化一小时。

聚烯烃树脂❶:

1.Marlex 6002,聚乙烯,390°F下固化一小时。

2.Tenite 3440A,聚乙烯,390°F下固化一小时。

如按文献[35]所逃处理方法,可使其变得有粘枯能力。

3.Heroules 6511J,聚丙烯,450°F下在氮气里固化一小时。

4.Epolene N,蜡状聚乙烯(polyethylene wax)。

钢丝净化方法有二种。第一种是把金属丝放在甲苯蒸气里处理几分钟——其实这就是一个简单的脱脂处理。

第二种方法是在蒸气处理之前先用水的氧化铝悬浮液对金属丝进行抛光并立即用

蒸溜水漂洗。使用828(Z)●树脂所得到的一些资料表明,在蒸气脱脂前先用机械方法除去钢丝表面的氧化物,对前述三种涂层的钢丝来说,粘结效果都比较好。虽然改进程度各有不同,但粘

结得比较理想时,其平均破坏应力约为3.5~4×10·磅/时2。如用其它环氧树脂,破坏应力稍低一些,在2.5×103磅/时左右。

这些树脂都是耐热聚合物,可能需要高温固化,才能得到象828(Z)树脂那样高的强度。值得指出的是,机械净化法对磷涂层钢丝效果不大。钢丝表面的金相研究表明,磷涂层表面比黄铜或

溶液涂层表面更粗糙。因而,这种涂层表面形成的氧化膜就很不均匀,使破坏发生在强度较低的区域。这种情况与不久前作玻璃棒-聚酯圆盘试验时所遇到的情况十分类似。在玻璃棒-聚酯试验

中,玻璃棒表面没有蚀刻,而是光滑的[381。在其它的钢丝处理中,只有某些溶液涂层试样具有较为显著的表面粗糙度,而这也比磷涂层钢丝的粗糙度要小得多。然而.

如果拉制方法相同,那么溶液涂层钢丝并不一定就比镀黄铜钢丝粗糙。本次试验所使用的一批钢丝显然是由已有轻微磨损的拉丝模拉制的,因为其后检查的另一批溶液涂层钢丝就没发现这样高

的粗糙度。这个事实指出,试验方法对这种影响是敏感的。采用聚烯烃粘结剂时,更需要蒸气脱脂,不但如此,还必须在蒸气脱蜡前进行彻底的机械净化并继而用水冲洗。EpoleneN

是低分子量蜡状聚合物,由于它容易处理,在简单的早期实验中曾经使用过,粘结强度不太高,如图3-4所示,这只能反映块体材料的粘结情况。另一方面,线型高密度Marlex 6002能很好地

与不锈钢丝和涂磷钢丝粘结,但与黄铜涂层钢丝和溶液涂层钢丝则粘结得不好。这大概是由于在这些金属丝上迅速地形成了氧化铜薄膜,而这种薄膜有时被环氧树脂用的胺类固化剂所溶解,因

而效果不太明显。另外一种线型高密度聚乙烯-—Tenite 3440A的粘结强度最高,而且它对溶液涂层氧化物也没有什么影响。这两种聚乙烯所起的作用不同,与其说是化学作用引起的,还不如

说是物理作用引起的更为恰当:因为溶化时,3440A的粘度要比6002低很多,所以3440A对非常粗糙的涂磷钢丝和稍微光滑一点的溶液涂层钢丝都能比较好地浸润;而事实上,6002溶液的粘度

确实太大了,以致于不得不在胶结试验时,往圆盘模具上施加一定的压力,否则就粘不上。

采用各种聚丙烯树脂进行胶结是没有多大希望的,因为这种聚合物在高于熔融温度时要发生强烈的氧化分解,而金属涂层还能起催化作用,从而使分解更加明显。这种树脂的块体性能说明,粘结强度达到2.5~3×10磅/时是可能的,但经常得到的最好结果却不过500磅/时2左右。使用抗氧剂来遏制氧化分解的企图也没有获得成功。如不用抗氧剂,则在空气里、真空里或氮

气里的胶结工艺变得复杂;使用抗氧剂,又如上述,粘结性能实在太差。所以到目前,这个问题还没有找到一个很好的解决方法。

用于生产金属丝缠绕制品的设备,并不复杂,如图3-5所示。从每个金属丝团上拉出的金属丝(共50根)在进口处形成一个平带,之后先通过一对旋转方向相反的抛光轮(浸以水——氧化铝

悬浮液),后进入蒸馏水容器里漂洗,再后是在沸腾的甲苯中往复几次,最后通过树脂罐浸渍树脂并缠到芯模上。如用玻璃纤维做增强材料,经过预处理的玻璃纤维可直接从纱团引入树脂罐,

不需要通过那些处理工序。

整套缠绕设备由一个运动的芯模和一套固定的金属丝引导装置组成。芯模的旋转和移动是由一个单独的电动机通过一些简单的齿轮——离合器——凸轮系统传动,芯模运动速度和缠绕角度

的可调范围较广,可适于缠绕各种不同制品。树脂含量的控制既简便又有效。其方法有二种:一是控制胶液粘度;二是调整胶槽上纤维出口的大小。改变胶液温度或添加稀释剂(聚合物或溶剂)

都能调整胶液粘度;胶槽上纤维出口的大小是通过螺旋闸板(screw-controlled dam plate)来调整的。 如果需要的话,胶槽里还可加压或充以惰性气体。

在缠绕单向的纤维复合材料时,用了一个金属薄壁圆筒芯模,直径18时。在芯模外圆上有一个轴向缝,以便在缠到一定层数(通常是4~6层)时沿此缝切断缠绕层。为了加压固化,缠绕层切开后,立刻展平。之后即可制备抗拉和抗弯试件并依照ASTM规程试验。已按此法研究了许多种不同的树脂-增强材料复合体试件。表3-10所列数据是至今所能获得的最好结果。这些

数据是由很多具有代表性的板形试件测得的,所以下述观察结果是可以信赖的:

1.用上述方法制成的Fpon 828环氧玻璃钢板在沸水中放置.2小时或在室温水中放置30天以后,性能并不降低。

2.金属丝层状板的加工非常困难。甚至要想在切割时不发生边缘破损几乎是不可能的。因此,这些试件的测定值均偏低。

3.表3-8所列的环氧-金属丝层状材料,为了降低树脂粘度和控制树脂含量,使用了混合树脂系统。这是因为,假如使用单一的Epon828环氧树脂系统,要想降低粘度和控制树脂含量,不提高树脂系统温度就非加溶剂不可。

4.熔融的聚乙稀粘度太高,致使带子●或者玻璃纤维加捻纱的浸溃十分困难。玻璃纤维加捻纱的浸溃一直不理想,因为熔融树脂的粘度太高,常常引起纤维断头,无法缠绕。聚乙烯纤维缠绕


玻璃钢也因此没有试制成功。就是浸渍金属丝,也需要把聚乙烯

和低分子量物质混合使用,以便适当降低粘度。

5.把环氧树脂换成聚乙烯做基体材料使得抗弯性能降低很

多。然而必须注意到,当应力达到最大值时,脆性的环氧层状材

料是真正发生破坏,而聚烯烃复合材料则不然,此时只不过是继

续发生变形或流动,没有出现树脂与增强材料分离或破坏现象。

这就说明,聚烯烃树脂的机械性能与环氧树脂等脆性材料根本不

同,这一点对某些应用很有价值。

6.聚烯烃纤维缠绕复合材料的另一个局限性是软化温度较

低,但可以进行某些改进。为了探索补救办法,曾对交链剂的使

用进行了研究,其结果如图3-6和图3-7所示。

金属丝缠绕制品多用于把重量看成是重要因素的应用中。现

以重复使用的气瓶为例来具体地谈一谈。就这点而言,表3-11所

列数据是很有意义的。表中对纤维缠绕玻璃钢(B玻璃)和黄铜

涂层钢丝缠绕复合材料单位重量性能·进行了比较,所用材料与

表3-10相同。纤维缠绕玻璃钢的极限强度应比表3-11中的数据要

高些,但它在持续的应力作用下,其强度却不断地降低。因此,

如把静态疲劳因素这个问题考虑在内,表3-11所列数据还是有实

际意义的。

为在实验室里模拟纤维缠绕结构,以便更好地研究它,还进

行了一系列的单向环(NOL环)试验研究。该法还在继续改进

和不断完善,但这里所叙述的仍旧是早期使用过的简单方法。现

概述如下:用湿法把增强材料缠到一个可分离的圆盘上,然后不

断转动这个圆盘,使其在辐射加热条件下进行固化。固化后,在

拉伸试验机上进行抗拉试验。环的破坏通常发生在圆盘的分离点

附近,这说明破坏是由拉伸和弯曲综合引起的。破坏应力主要的

是和环内的增强材料数量有关,而与复合材料的断面积关系不

大,因此这种试验方法能比较好地发挥出增强材料本身的性能。

表3-12列出了各种金属丝-树脂复合材料和玻璃钢的单向环

(NOL环)实验数据(平均值,多次重复试验时,分散性均不

大)。从数据中可以看到,柔软的树脂能改进增强材料的性能,

然而,如果树脂太软,金属丝的应力反而会下降,例如采用非常

软的聚乙烯时,单向环受载后,金属丝就勒进树脂,而这种复合

材料强度就大约与完全没有树脂的“干环”相同。如果环氧树脂系

统的延伸率较大,金属丝就能发挥出本身强度(4.3×10磅/时2)

的75%,在对缠绕技术和试验方法都加以改进后,或许还能进一

步提高性能。



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