玻璃纖維筋生產(chǎn)過程
小直徑GFRP筋設(shè)備基本組成為紗架、導(dǎo)紗板、樹脂浸漬槽、預(yù)成型模具、纏繞裝置、刮膠板、加熱固化裝置、冷卻段、牽引裝置和切割裝置等,
(1)紗架 放置生產(chǎn)過程中所需要的纖維增強(qiáng)材料的裝置,玻璃纖維紗盤按照要求擺放整齊,紗架壁上開有導(dǎo)紗孔,避免導(dǎo)紗過程中玻璃纖維束的纏繞打結(jié);當(dāng)多條生產(chǎn)線并排排放時,紗架相應(yīng)并排排放,避免玻璃纖維束纏繞打結(jié)是重點(diǎn)。
(2)導(dǎo)紗板 一方面是將玻璃纖維按束分離,避免玻璃纖維束之間的纏繞打結(jié);另一方面使玻璃纖維束進(jìn)入浸漬槽時有一定的張力,便于樹脂充分浸潤。
(3)樹脂浸漬槽 保證基體樹脂能夠更加充分地浸潤纖維,其上方裝有可拆卸的輥軸,輥軸可以使纖維完全浸沒在基體樹脂之中,纖維浸膠效果的好壞對筋材的性能影響很大。
(4)預(yù)成型模具 將需要生產(chǎn)的筋材直徑對應(yīng)的預(yù)成型模具安裝在預(yù)成型裝置中,根據(jù)所需要生產(chǎn)筋材的直徑確定合適的纖維紗線密度和對應(yīng)的股數(shù),充分浸漬樹脂的連續(xù)玻璃纖維紗由松散狀態(tài)進(jìn)入到此預(yù)成型模具中變成張緊狀態(tài),多余的樹脂被擠出流回到樹脂槽中;對應(yīng)小直徑的GFRP筋材,可以在一條生產(chǎn)線上同時裝配多個預(yù)成型模具,如通常兩個、四個、六個、八個甚至更多,它們之間可以一排、兩排甚至三排排列以節(jié)約空間,每條生產(chǎn)線同時生產(chǎn)多根GFRP筋材。
(5)纏繞裝置 主要由三相異步電動機(jī),擺線針輪減速機(jī)和繞線盤組成,繞線盤上裝有校力軸和線圈,線圈上有纏繞材料,纏繞材料通過校力軸施加預(yù)拉力,從而控制浸漬樹脂后的連續(xù)玻璃纖維粗紗束表面的螺紋深度和幾何尺寸,纏繞裝置中的三相異步電動機(jī)由變頻器控制,從而控制纏繞速度,以得到不同螺距的GFRP筋材(需要與牽引速度配合);纏繞裝置與預(yù)成型模具數(shù)量相對應(yīng),即每個預(yù)成型模具必須匹配一個纏繞裝置,以滿足每條生產(chǎn)線同時生產(chǎn)多根GFRP筋材的要求。
(6)刮膠板 刮膠板設(shè)置在浸漬樹脂后的連續(xù)玻璃纖維粗紗進(jìn)入加熱裝置入口前、加熱裝置中間和加熱裝置后,其主要作用是將筋材表面多余的樹脂刮掉,因?yàn)楸砻鏄渲^多可能在筋材底部形成很多聚集的突起,這些突起的樹脂顆粒本身強(qiáng)度很低,如果不處理將嚴(yán)重影響GFRP筋與混凝土的黏結(jié);另外多余的樹脂也會掉落到加熱裝置的底部造成積膠現(xiàn)象,不能保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性和連續(xù)性;刮膠板與預(yù)成型模具數(shù)量相對應(yīng),即每個預(yù)成型模具必須匹配一組刮膠板。一般而言,筋材直徑越小,則每組刮膠板對應(yīng)的數(shù)量越少,通常采用硅橡膠板作為刮膠板材料,這樣可以不傷害到玻璃纖維增強(qiáng)材料而能有效刮除樹脂。
(7)加熱固化裝置 加熱固化裝置有多種型式,其傳熱方式也不同,有紅外線燈管直接加熱空氣方式,還有電熱加熱片加熱管道、管道再加熱空氣的方式等,熱的空氣加熱浸漬樹脂后的連續(xù)玻璃纖維粗紗,使得樹脂交聯(lián)固化,從而形成GFRP筋材。如采用一個整體箱式加熱,可以同時對多根小直徑的浸漬樹脂后的連續(xù)玻璃纖維粗紗進(jìn)行固化,從而形成相應(yīng)的GFRP筋材,這樣可以提高生產(chǎn)速度,每根GFRP筋材只需要配備一個刮膠板;而采用多段管式加熱,則每次只能生產(chǎn)一根直徑較大的GFRP筋材,且需要配備多個刮膠板。此外,還有其他加熱方式,如采用微波加熱固化方式,該方式最大的特點(diǎn)是可從樹脂內(nèi)部加熱,而不是由外到內(nèi)的傳統(tǒng)加熱,因而對大直徑GFRP筋固化更有利,但存在微波對人體的危害。相對而言,微波加熱屬于“冷加熱”,微波只加熱樹脂和玻璃纖維,其能量利用率最高,只要能夠防止微波對操作人員的傷害,此種加熱方式具有更大的前途。
(8)冷卻段 由加熱固化裝置出來的GFRP筋基本固化,此時GFRP筋中心的溫度通常高于200℃,遠(yuǎn)高于樹脂的熱變形溫度(對不飽和聚酯樹脂和乙烯基酯樹脂而言,通常為60~80℃;對環(huán)氧樹脂而言,采用酸酐固化后,通常為100~120℃),因而必須采用冷卻方式降低GFRP筋的溫度。對于小直徑的GFRP筋而言,采用強(qiáng)制空氣冷卻,在連續(xù)運(yùn)行的過程中,筋材溫度逐漸下降,從加熱固化裝置到牽引機(jī)入口,10m的距離可以保證。當(dāng)直徑增大時,可以采用噴射冷水的方式進(jìn)行強(qiáng)制降溫,并輔助采用強(qiáng)制空氣冷卻。但過高的冷卻速率,將導(dǎo)致GFRP筋內(nèi)外表面溫度梯度過大而產(chǎn)生附件內(nèi)應(yīng)力,并由此產(chǎn)生裂紋而導(dǎo)致力學(xué)性能衰減,GFRP筋力學(xué)性能離散性偏大與冷卻過程有關(guān)。
(9)牽引裝置 一方面是提供動力的裝置,將固化后的GFRP筋從加熱固化裝置拉出;另一方面可以通過調(diào)節(jié)牽引機(jī)的速度控制筋材在加熱固化裝置的停留時間,并與纏繞裝置配合,可以生產(chǎn)出不同螺距的GFRP筋材。從生產(chǎn)連續(xù)性方面看,有連續(xù)性的履帶式牽引機(jī)、間歇性的夾持式牽引機(jī)兩種,前者對GFRP筋的壓力較大,故容易導(dǎo)致筋材變形,但牽引力大以克服沿途阻力,比較適合大直徑的GFRP筋;后者對GFRP筋的壓力、牽引力都較小,適合小直徑筋材。對于一臺牽引機(jī)同時牽引出多根GFRP筋材的情況,宜采用履帶式牽引機(jī)。GFRP筋在進(jìn)入履帶式牽引機(jī)前,必須經(jīng)過充分的冷卻,最好使得GFRP筋中心的溫度低于熱變形溫度,這樣就可以保證GFRP筋不會被牽引機(jī)壓變形。
(10)切割裝置 有自動定長切割與手動人工切割兩種,由于GFRP筋材是連續(xù)由牽引機(jī)引出,所以切割需要在連續(xù)運(yùn)行的條件下進(jìn)行。切割時會產(chǎn)生一定量的粉塵和氣味,此粉塵中含有碎玻璃纖維、碎樹脂等物質(zhì),這些物質(zhì)對人體和環(huán)境有危害,一般由粉塵收集裝置或粉塵收集系統(tǒng)收集,并輔助噴水系統(tǒng)以降低生產(chǎn)車間的粉塵量。氣味主要是未反應(yīng)完全的苯乙烯單體產(chǎn)生的(對于不飽和聚酯樹脂和乙烯基酯樹脂而言),此物質(zhì)有危害,在第1章中的1.1節(jié)中有專門的說明。當(dāng)生產(chǎn)車間有多條生產(chǎn)線同時運(yùn)行時,產(chǎn)生的粉塵和氣味是非常嚴(yán)重的,因而相關(guān)的裝置、個人的防護(hù)與保護(hù)是必不可少的,由此產(chǎn)生的職業(yè)病是潛在的危害