АРМАТУРА ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ИЗ УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА С ПОЛИМЕРНЫМИ РЕБРАМИ НА ПОВЕРХНОСТИ И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ
REINFORCEMENT MADE OF HIGH-STRENGTH CARBON FIBER COMPOSITE MATERIAL WITH POLYMER RIBS ON THE SURFACE AND THE METHOD FOR ITS PRODUCTION

Область техники
Настоящее изобретение относится к области технологий строительных материалов и в целом относится к арматуре из высокопрочного композиционного материала из углеродного волокна с полимерными ребрами на поверхности, а также к способу получения арматуры из высокопрочного композиционного материала из углеродного волокна с полимерными ребрами на поверхности.
Уровень техники
Арматура из композиционного материала из углеродного волокна характеризуется легким весом и высокой прочностью, коррозионной стойкостью, сопротивлением утомлению, способностью поглощать вибрации и другими замечательными свойствами; ее применяют в элементах троса мостовых тросов, и она стала направлением развития для улучшения мостов в отношении длины пролетов и долговечности. Тем не менее анкерное крепление с применением в целом гладкой круглой арматуры из композиционного материала из углеродного волокна является сравнительно трудным, что является ключевым фактором, ограничивающим сегодня ее широкое применение. Сегодня в Китае и за рубежом разработано три вида арматуры из композиционного материала из углеродного волокна с ребрами на поверхности, предназначенные для увеличения силы механического взаимодействия между поверхностью арматуры и материалом для анкерного крепления, чтобы повысить эффективность анкерного крепления с применением арматуры.
В первом способе сначала с помощью технологии формования с применением пултрузии получают гладкую круглую арматуру из композиционного материала из углеродного волокна; в эпоксидной смоле пропитывают пучки волокон, которыми обвязывают ее поверхность; эпоксидная смола отвердевает и пристает с образованием ребер. Прочность сцепления пучков волокон для обвязывания, с помощью которых в этом способе получают материал ребер, с гладкой круглой арматурой является низкой, поэтому легко происходит отделение, и не может в полной мере проявиться способность к растяжению арматуры из композиционного материала из углеродного волокна.
Во втором способе неотвердевшую предварительно формованную арматуру, пропитанную эпоксидной смолой, обвязывают лентой F4 и вводят в стандартный инструмент для формования вместе с ней для отверждения; после отверждения ленту F4 разматывают с получением на поверхности арматуры спиральной канавки. Этот способ характеризуется двумя проблемами: во-первых, поскольку обвязывают лентой F4, ориентация внутренних непрерывных пучков углеродных волокон в направлении длины арматуры меняется, что приводит к значительному снижению предела прочности на растяжение и модуля упругости арматуры; во-вторых, после обвязывания лентой F4 поверхность арматуры является неровной, и в процессе введения в стандартный инструмент для формования с целью отверждения сила трения очень большая, поэтому легко возникает проблема забивания формы. Проведенные испытания показали, что у арматуры, полученной этим способом, предел прочности на растяжение составляет приблизительно 2400 МПа, а модуль растяжения составляет приблизительно 150 ГПа.
В третьем способе путем обработки механическими средствами на поверхности арматуры получают элемент в виде спирали. В этом способе пучки углеродных волокон на поверхности арматуры могут быть разрезаны, что влияет на предел прочности на растяжение и жесткость арматуры и приводит к лишнему расходу определенных материалов.
Суть изобретения
Цель настоящего изобретения заключается в преодолении указанных выше недостатков и в предоставлении арматуры из высокопрочного композиционного материала из углеродного волокна с полимерными ребрами на поверхности и способа ее получения, при этом способ получения обладает такими преимуществами, как единоразовое машинное формование, простая и удобная технология, а также то, что забивание формы легко не происходит; поверхность получаемой арматуры из высокопрочного композиционного материала из углеродного волокна с ребрами из эпоксидной смолы на поверхности содержит непрерывное спиральное ребро из эпоксидной смолы, поэтому она обладает такими особенностями, как удобство анкеровки, а также высокая прочность и высокий модуль.
Цель настоящего изобретения достигается посредством следующего: арматура из композиционного материала из углеродного волокна, содержащая углеродные волокна и матрицу на основе эпоксидной смолы; поверхность указанной арматуры содержит непрерывное спиральное ребро из эпоксидной смолы, при этом толщина ребра из смолы находится в пределах от 0,2 мм до 0,4 мм, ширина ребра из смолы находится в пределах от 5 мм до 7 мм, а шаг спирали ребра из смолы находится в пределах от 2 мм до 4 мм.
Способ получения арматуры из высокопрочного композиционного материала из углеродного волокна с полимерными ребрами на поверхности включает следующее:
этап 1: из шпулярника вытягивают определенное количество пучков углеродных волокон, при этом количество пучков углеродных волокон регулируют в зависимости от необходимого диаметра производимой арматуры, и за счет регулирования количества пучков волокон объемное содержание волокон обеспечивают равным от 70% до 78%; скорость вытягивания обеспечивают равной от 300 мм/мин до 600 мм/мин; посредством регулятора натяжения регулируют натяжение нити, при этом для обеспечения того, чтобы во время пропитывания ориентация пучков углеродных волокон оставалась прямой, натяжение обеспечивают равным от 5,88 Н до 9,80 Н;
этап 2: пучки углеродных волокон втягивают в емкость с эпоксидной смолой для пропитывания эпоксидной смолой; после выведения из емкости с эпоксидной смолой их вводят в инструмент предварительного формования и выжимают лишнюю эпоксидную смолу с получением заготовки для арматуры предварительно определенного размера, при этом внутренний диаметр инструмента предварительного формования обеспечивают равным от 2 мм до 10 мм, а эпоксидную смолу получают с применением матрицы на основе смолы, отвердителя и катализатора, массовое соотношение которых составляет 1000:860:13,6;
этап 3: во время перемещения заготовки для арматуры вперед заготовку для арматуры обвязывают нейлоновой лентой, при этом промежуток обвязывания нейлоновой лентой сохраняют равным от 5 мм до 7 мм; контролируют усилие натяжения при обвязывании с обеспечением того, что нейлоновая лента только прилегает к поверхности заготовки для арматуры, а не туго затянута на заготовке для арматуры, при этом ориентация пучков углеродных волокон на поверхности заготовки для арматуры по-прежнему является прямой, не возникает колебаний; ширина нейлоновой ленты составляет от 2 мм до 4 мм, а толщина составляет от 0,5 мм до 1 мм;
этап 4: заготовку для арматуры с поверхностью, обвязанной нейлоновой лентой, тянут и последовательно пропускают через 5 сушильных шкафов, при этом температуру в 5 сушильных шкафах устанавливают равной соответственно 150°C, 150°C, 160°C, 180°C и 180°C; после предварительного подогрева в первом сушильном шкафу в результате нагревания происходит расширение эпоксидной смолы внутри заготовки для арматуры с очень хорошим увеличением ее текучести, и она начинает выходить изнутри заготовки для арматуры наружу с постепенным заполнением промежутков между нейлоновой лентой; после прохождения второго сушильного шкафа эпоксидная смола переходит в гелеобразное состояние; после прохождения третьего сушильного шкафа происходит предварительное отверждение эпоксидной смолы; после прохождения последних двух сушильных шкафов происходит завершение процесса отверждения; при этом на толщину ребра из смолы влияет время предварительного подогрева, и время предварительного подогрева регулируют путем регулирования длины первого сушильного шкафа.
этап 5: после завершения отверждения нейлоновую ленту на поверхности арматуры разматывают; эпоксидная смола в промежутках между нейлоновой лентой образует спиральное ребро из смолы, а в местах, где была намотана нейлоновая лента, проходит спиральная канавка.
этап 6: полученную арматуру с ребрами из смолы после прохождения через тянущее устройство наматывают на намоточное устройство.
По сравнению с аналогами, известными из уровня техники, преимущества настоящего изобретения следующие:
1. Поверхность арматуры снабжена непрерывным спиральным ребром из эпоксидной смолы; ребро из эпоксидной смолы образует единое целое с матрицей на основе эпоксидной смолы в арматуре, при этом прочность сцепления между ними является высокой, поэтому отделение происходит нелегко. После анкеровки с применением системы анкерного скрепления с эпоксидной смолой между материалом для анкерного скрепления с эпоксидной смолой и ребром из эпоксидной смолы на поверхности арматуры возникает сила механического взаимодействия, что значительно повышает эффективность анкеровки.
2. Согласно изобретению в процессе формирования при обвязывании нейлоновой лентой в отношении пучков углеродных волокон не происходит сдавливания, и за счет наличия натяжения пучков углеродных волокон ориентация пучков углеродных волокон в направлении длины арматуры остается прямой. Это отличается от того, как в известных технологиях арматуру туго стягивают нейлоновой лентой, и от тугого стягивания возникают пережатые участки, и исключает недостатки, заключающиеся в сдавливании нейлоновой лентой верхнего слоя углеродных волокон и нарушении прямолинейности углеродных волокон. Поэтому арматура, полученная с применением способа согласно настоящему изобретению, характеризуется высокой прочностью и высоким модулем. Проведенные испытания показали, что у арматуры, полученной способом согласно настоящему изобретению, предел прочности на растяжение может достигать приблизительно 3300 МПа, а модуль растяжения может достигать приблизительно 170 ГПа.
3. Способ согласно настоящему изобретению характеризуется такими особенностями, как формирование за одно целое и простота технологии.
Описание прилагаемых графических материалов
На фиг. 1 представлено схематическое изображение конструкции арматуры из высокопрочного композиционного материала из углеродного волокна с полимерными ребрами на поверхности согласно настоящему изобретению.
На фиг. 2 представлена схема технологического процесса способа получения арматуры из высокопрочного композиционного материала из углеродного волокна с полимерными ребрами на поверхности согласно настоящему изобретению.
На фигурах:
1 - арматура из композиционного материала из углеродного волокна; 2 - ребро из смолы.
Конкретный способ осуществления
Ниже настоящее изобретение описано подробно с помощью вариантов осуществления со ссылками на прилагаемые графические материалы.
Ниже с помощью вариантов осуществления, в которых делается ссылка на прилагаемые графические материалы, будут ясно и полностью описаны технические решения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, при этом является очевидным, что описанные варианты осуществления являются лишь некоторыми, а не всеми вариантами осуществления. Все другие варианты осуществления, полученные специалистами в данной области техники на основании вариантов осуществления настоящего изобретения без творческого труда, входят в объем защиты настоящего изобретения.
Вариант осуществления 1
Арматура из высокопрочного композиционного материала из углеродного волокна с полимерными ребрами на поверхности, содержащая углеродные волокна и матрицу на основе эпоксидной смолы; диаметр арматуры составляет 7 мм; на поверхности арматуры выполнено непрерывное спиральное ребро из эпоксидной смолы; толщина ребра из смолы составляет 0,25 мм; шаг спирали ребра из смолы составляет 2,4 мм.
Способ получения арматуры из высокопрочного композиционного материала из углеродного волокна с полимерными ребрами на поверхности включает следующие этапы, на которых:
этап 1: вытягивают 62 пучка углеродных волокон из шпулярника, при этом скорость вытягивания составляет 350 мм/мин и с помощью регулятора натяжения регулируют натяжение нити до 6,88 Н;
этап 2: пучки углеродных волокон втягивают в емкость с эпоксидной смолой для пропитывания эпоксидной смолой; после выведения из емкости с эпоксидной смолой их вводят в инструмент предварительного формования и выжимают лишнюю эпоксидную смолу, при этом внутренний диаметр инструмента предварительного формования составляет 7 мм, и получают заготовку для арматуры диаметром 7 мм, при этом объемное содержание волокон в заготовке для арматуры составляет 72%, а эпоксидную смолу получают с применением матрицы на основе смолы, отвердителя и катализатора, массовое соотношение которых составляет 1000:860:13,6;
этап 3: во время перемещения заготовки для арматуры вперед заготовку для арматуры обвязывают нейлоновой лентой, при этом промежуток обвязывания нейлоновой лентой сохраняют равным 6,3 мм; контролируют усилие натяжения при обвязывании с обеспечением того, что нейлоновая лента только прилегает к поверхности заготовки для арматуры, а не туго затянута на заготовке для арматуры, при этом ориентация пучков углеродных волокон на поверхности заготовки для арматуры по-прежнему является прямой, не происходит сдавливания нейлоновой лентой, не возникает колебаний; ширина нейлоновой ленты составляет 2,5 мм, а толщина - 0,7 мм;
этап 4: заготовку для арматуры с поверхностью, обвязанной нейлоновой лентой, со скоростью вытягивания 250-600 мм/мин последовательно пропускают через 5 сушильных шкафов, при этом температура в 5 сушильных шкафах установлена равной соответственно 150°C, 150°C, 160°C, 180°C и 180°C; после предварительного подогрева в первом сушильном шкафу в результате нагревания происходит расширение эпоксидной смолы внутри заготовки для арматуры с очень хорошим увеличением ее текучести, и она начинает выходить изнутри заготовки для арматуры наружу с постепенным заполнением промежутков между нейлоновой лентой; после прохождения второго сушильного шкафа эпоксидная смола переходит в гелеобразное состояние; после прохождения третьего сушильного шкафа происходит предварительное отверждение эпоксидной смолы; после прохождения последних двух сушильных шкафов происходит завершение процесса отверждения; на толщину ребра из смолы влияет время предварительного подогрева, при этом время предварительного подогрева регулируется путем регулирования длины первого сушильного шкафа; в этой заявке длина первого сушильного шкафа установлена равной 3-7 м; сушильный шкаф может иметь секционный нагрев, поэтому можно регулировать фактическую длину сушильного шкафа.
этап 5: после завершения отверждения нейлоновую ленту на поверхности арматуры разматывают; эпоксидная смола в промежутках между нейлоновой лентой образует спиральное ребро из смолы, а в местах, где была намотана нейлоновая лента, проходит спиральная канавка.
этап 6: полученную арматуру с ребрами из смолы после прохождения через тянущее устройство наматывают на намоточное устройство, при этом у полученной арматуры с ребрами из смолы предел прочности на растяжение составляет 3436 МПа, а модуль растяжения составляет 171 ГПа.
Вариант осуществления 2
Арматура из высокопрочного композиционного материала из углеродного волокна с полимерными ребрами на поверхности, содержащая углеродные волокна и матрицу на основе эпоксидной смолы; диаметр арматуры составляет 5 мм; на поверхности арматуры выполнено непрерывное спиральное ребро из эпоксидной смолы; толщина ребра из смолы составляет 0,2 мм; шаг спирали ребра из смолы составляет 2 мм.
Способ получения арматуры из высокопрочного композиционного материала из углеродного волокна с полимерными ребрами на поверхности включает следующие этапы, на которых:
этап 1: вытягивают 32 пучка углеродных волокон из шпулярника, при этом скорость вытягивания составляет 450 мм/мин и с помощью регулятора натяжения регулируют натяжение нити до 6,2 Н;
этап 2: пучки углеродных волокон втягивают в емкость с эпоксидной смолой для пропитывания эпоксидной смолой; после выведения из емкости с эпоксидной смолой их вводят в инструмент предварительного формования и выжимают лишнюю эпоксидную смолу, при этом внутренний диаметр инструмента предварительного формования составляет 5 мм, и получают заготовку для арматуры диаметром 5 мм, при этом объемное содержание волокон в заготовке для арматуры составляет 75%, а эпоксидную смолу получают с применением матрицы на основе смолы, отвердителя и катализатора, массовое соотношение которых составляет 1000:860:13,6;
этап 3: во время перемещения заготовки для арматуры вперед заготовку для арматуры обвязывают нейлоновой лентой, при этом промежуток обвязывания нейлоновой лентой сохраняют равным 5,2 мм; контролируют усилие натяжения при обвязывании с обеспечением того, что нейлоновая лента только прилегает к поверхности заготовки для арматуры, а не туго затянута на заготовке для арматуры, при этом ориентация пучков углеродных волокон на поверхности заготовки для арматуры по-прежнему является прямой, не возникает колебаний; ширина нейлоновой ленты составляет 2 мм, а толщина - 0,5 мм;
этап 4: заготовку для арматуры с поверхностью, обвязанной нейлоновой лентой, со скоростью вытягивания 400 мм/мин последовательно пропускают через 5 сушильных шкафов, при этом температура в 5 сушильных шкафах установлена равной соответственно 150°C, 150°C, 160°C, 180°C и 180°C; после предварительного подогрева в первом сушильном шкафу в результате нагревания происходит расширение эпоксидной смолы внутри заготовки для арматуры с очень хорошим увеличением ее текучести, и она начинает выходить изнутри заготовки для арматуры наружу с постепенным заполнением промежутков между нейлоновой лентой; после прохождения второго сушильного шкафа эпоксидная смола переходит в гелеобразное состояние; после прохождения третьего сушильного шкафа происходит предварительное отверждение эпоксидной смолы; после прохождения последних двух сушильных шкафов происходит завершение процесса отверждения; в этом варианте осуществления длина первого сушильного шкафа составляет 4 м.
этап 5: после завершения отверждения нейлоновую ленту на поверхности арматуры разматывают; эпоксидная смола в промежутках между нейлоновой лентой образует спиральное ребро из смолы, а в местах, где была намотана нейлоновая лента, проходит спиральная канавка.
этап 6: полученную арматуру с ребрами из смолы после прохождения через тянущее устройство наматывают на намоточное устройство, при этом у полученной арматуры с ребрами из смолы предел прочности на растяжение составляет 3560 МПа, а модуль растяжения составляет 174 ГПа.
В этой заявке отвердитель выбран из ментандиамина (MDA) и ариламина, при этом в качестве ариламина может быть выбран m-XDA, у которого температура HDT составляет 130-150°C, а коэффициент расширения большой. Катализатором может быть анионный аминный катализатор, минеральная соль, неорганическое основание, в том числе хлорид кальция, гидроксид лития и т.п. Однако изобретение вышеуказанными материалами не ограничивается.
Рассмотренные выше предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения представлены исключительно в помощь для описания настоящего изобретения. В предпочтительных вариантах осуществления исчерпывающе не изложены все подробности, и настоящее изобретение также не ограничивается лишь представленным конкретным способом осуществления. Разумеется, на основании содержания этого описания может быть предложено очень много изменений и модификаций. Эти варианты осуществления, выбранные и подробно описанные в этом описании, предназначены для лучшего объяснения принципов и практического применения настоящего изобретения, чтобы специалисты в данной области техники благодаря этому могли хорошо понимать и применять настоящее изобретение. Настоящее изобретение ограничено лишь формулой изобретения, ее полным объемом и эквивалентами.