一种新型碳纤维复合材料绳索的研制

1、维晋资讯 科研开发化工科 tt.20Q2,10(4>i6-8SCIENCE & TECHNOLOGY JM CHEMICAL INDUSTRY一种新型碳纤维复合材料绳索的研制*刘建军*王延和王成国，朱渡.崔金祎（山东丸学 南校区材料学院山东 洗南 550061M 豪：峡*1维篁舎材+蝇索具有晝童轻、比就履髙、比曙量髙等优拝性能口笔着瑕耳札枷脂E31、 甲基ajAXH（ METHPA）叔駐基< DMP - 30和活社增韧剂6350组咸.的忧脂休承基陣树脂"说 啜幷维曲増冬材料*仪聚氨曲的保护/屋*黒用独特的制幔工若，制就了高41畑的琥幷卓愛合林卅無索。关词：曦评牟&

2、#165;环航姻脂匸廉合好料巍倉；索氨BS中BB分类号：T< 342.742文就标识码：A文章 18 号:1008-0511 ( 202 )04*0006-03碳纤维及其宣合材料具有一系列的优异性 能，如高比强度、高比模量、耐腐烛、耐挾劳、抗蠕 变、导电、传热、热膨胀系数小等。碳纤维及其愛 合材料既可作为结构材料承担载荷，又可作为功 能材料发挥作用甘前几乎殺有什么材料具有这 样事方面的特性。同时碳纤维具有纺织纤维 的柔软可编性，根据碳纤维的这一特性，可以开发 新型高性能的碳纤维绳索制品。碳纤维绳不仅重量轻，比强度、比模量高而 且耐腐烛在高温和低温环境中线膨胀系数小，性 能稳定而柔软。具有

3、传统绳索（天然纤维、有机纤 维、无机纤维和钢丝绳等）无可比拟的优越性。碳 纤维绳索可以用于以下几个方面：支持（撑）性缆 疑如大跨度斜拉桥缆绳；増强混凝土，如海洋工 程混瞬土；舰船、海上作业船用缆绳；游艇支寢匸登 山用绳索等。碳紆维复合材料绳索首先在H本面世，由H 本东京制绳公司和东邦人造丝公司联合开发成 功巧-到目前为止*国内尚无碳纤维复合材料 绳索的研制报道。由于碳纤维只有与特定树脂复 合后其优异性能才能发挥出来.必须选择合适的 基体树脂将碳纤维加工成复合材料的形式即碳 纤维复合材料绳霜才能使用。因此碳纤维复合 材料绳索的制邀方法远比传统绳索毘杂，不能采索必须报据碳纤维自身的特点”采用专用设

4、备和 工艺。1 试验部分1 J 主要原材料碳纤维（TC12K35，台湾台塑公司生产；环 氧树脂（E51）p_t海树脂厂生产；甲基四氢苯軒 （METHPA）t±i海树脂厂提供；促进剂（DMF - 30） t±梅树脂厂生产；玮韧剂6350, ±海树脂厂 生产;Ugo45乳液，上海迪斯曼公司提供口1 .2试验设备JN-1型加捻机;HG-3型合股机*浸胶和固化 设备为囱制。1.3试验方法试验采用如下流程： 配胶一浸胶、预固化一加捻一固化 涂敷处理一合股1+4性縫测试碳纤维复合材料绳索的线密度、直径、捻距r 忡长率和断裂强力等性能指标，参照GB8S34-88 绳索有关物理和

5、机械性能的测定的规定进行测试所用仪器包括InstronH21万能材料试 验机分析天平等*用传统的制绳设备和工艺制造碳纤维复合材料绳2分析与讨论«EffiHffi：2OO2-01-O4帯者简介；刘建军（1968 -人刃（汉族）山东大学材料学 院拄读硕士 现主要进行球纤堆原登及后续产品的研究 开览“*舊金硒目：山东省科委责助项目（9SL17500l）o2.1基体树脂的选择及配方的礎定因为碳纤维本身是一种碳材料有其本身固维晋资讯 刘理军.等.一种新型碳纾维並合材料绳當的研制加挣程度Atifn1) 加熔理度与遅度利用痺的去系* 7 '100806040有的缺点即脆性兀，不耐屈挠+碳纤

6、维虽有一定 的可编性.但没有常规纤维的柔韧性，这就使得碳 纤堆在制绳和使用过程中易造成局部插伤乜所 以.必须肯先选择一种合适的基体树脂、使基体树 脂在编绳过程中通过覩渍、固化等工序与碳纤维 牢固结合并最终对碳纤维起到抱合作用和保护 作用*使碳纤维优异的力学性能充分发挥心来*试验中采用低粘度环氧树脂E5I为树脂基 体，甲基四氢苯F( METHPA为固化剂，三叔胺 基苯酹DMP-30为固北促进剂"选用带环氧基团 的祜性增韧剂石350来堆加基体树脂的柔期性口 配方的评价指标雄所制绳索的拉忡强度、柔韧性 和耐温性具博配方参照正交试验方法由实脸确 定叫2.2 基体树脂与碳纤维体积比的确定基滋树

7、脂只有充分洼润碳纤维才能实现对 碳纤维的抱合件用和保护作用。蔭验发现*基体 树脂用:&少于30%时，树脂不能有效浸润碳纤 维碳纤维的拉伸强度不能有效发挥*參见图h 同时在该条件下绳索的加工工艺性差*囲为绳胚 通过拉挤口膜时阻力很大。基体树脂用量大于 30滋时，纤维的强度利用率可达90%W±o结合 加工工艺要求*绳索中基体树脂的体积分数控制 在3石帰效果最理想。J11* i.l121824303642树脂津积分數/喘图1蓦体铜应含与確度利用率的关系1007550251噪、即匱莊一IS52.3 加捻、合股参数的确定由于碳纤维具有高摸量特点，如果在制绳过 程中纤维排布不和理.造成使

8、用时纤维整体或局 部受力偏离毘桂状态，使得纤维强度利用率祗*甚 至逍成局部失效引发箍体失效的事故口为了制备 高质塑的碳纤维复合材料绳漏，必须选择适宜的 加捻、合股工艺参数，深人研究不同纤维排布方式 对纤维强度利用率的影晌*最大限度的提高纤维 强度利用率©图2为加捻程度与强度利用率的关系由图 2可见*在加捻操作中+捻数控制在15n/m,强度图3为合股倾斜度与强度利用率的关系图 其中倾转角。为单股绳坯与绳索轴向的夹角， 竹厨定义为合股倾斜度心由阳3可见，合股操作 中合股倾斜度控制在4,5左右最佳*纤维强度利 用率可达93% o3456巻JE幢斜度"打0图3合股两弭度与强度利用率

9、的餐察2+4 涂敷处理対碳绳的保护作用未经Lag(>45乳液处理的绳索在使用过程中 有明显的起毛现象发生，而经Lago45乳液处理 后，绳索起毛现象不明显。原因庄于Lago45乳液 的固形物为聚氨酯材料绳索胫"站45乳液处理 后，在舒维束表面形成一层柔韧的保护膜，可以避 免纤维束之间相互摩擦磨损从而增强了碳绳的 耐曲绕能力"2.5碳绳与钢丝绳力学性能的比较表1为碳纤维复合材料绳与结构和直径相差 不多的钢丝绳的性能比较*从中不难发现碳绳的 优越性。礁纤维复合材料绳的亶盘还不到钢丝绳 的四分之一.前者比后者轻得塞，使用时省力Q并 且前昔易于弯曲便于作业，后若僵硬操作困难&

10、quot; 礙纤维复合材料绳具有优异的使用性能口«1 建坪議鬣舍豺倒翼与命世性建比笛性能碳堀 12Kx 9*1钢建绳断型负荷/N2 6403 073竝忡彊度1 1601 350断裂伸怏/帝L .606.40師氏Wtt/GPa215197单&W#/(s «41182维晋资讯 化工科技维晋资讯 维晋资讯 2方 饌绳的应力应变特性由图4可见，碳纤维复合材料绳的应力-应变 曲线为一直线，直至断裂，中间没有屈服点，因此* 在多次重夏使用时、不会有残余应变现象的发生。伸罠率/释S4 Ct荷”伸怅曲域（1 ）由环氧树脂E51 ,甲基四氢苯肝 （MElTHPA）.三叔胺基苯酚U M

11、 P-30和活性增栩 剂6350组成的树脂体系.能够满足作为碳纤维星 合材料绳索基体树脂的要求。（2）绳索中基阵树脂的体积分数控制在36% 左右效果毘佳。（3）在加捻操作中加捻数控制在15 n/mT合 股操作中倾料度控制在4.5左右，可使纤维强度 综合利用率达到87%o（4）Laeo45乳液处理加捻后的纤维束，可以 有效的保护碳纤维.避免纤维束之间相互摩擦磨 损，并增强碳纤维宣合材料绳索的耐曲绕能力。（参考文献LJ 贾植.王茂蕈点纤墜壓其理合材料M.北京：科樺出腿 社.1995.306-3092 Honda+d«uu«d卸 aLUSP：4 的小 1取3 M«tBu

12、da,et al, USPi5 060 466.4 陈平，刘Ift平.环京：代学工业出版壯.2000.15 - L L7.维晋资讯 维晋资讯 DEVELOPMENT OF NEW TYPE CARBON FIBER COPOSMITE ROPELIU Jian-junt WANG Yan-xiang, W A NG Cheng-guo tZH U BotCUl Jin yi(GjM昭e of Mt Shandun L:nibertiiy t Ji! nan 25006 , Chinn )Abstract： In this paper*a new type of rope 诂 manufactu

13、red, which is made up of carbon fiber reinforcing epoxy rnsins composite and coated with polyurethane emulsion . The relation of the strength-utilizing effieienuy fin(l the twisting degree of the primarily-twisted product and the secondarily-t wisted product is also discussed in this paper » Th

14、e product has a Lot of high qualities such as light weight T high tensile strength T high modulus and low Linear expanding cofficent in high temperatun; and low Lcrnperature t it will replace the traditionaJ rope in th也 future， Key wonls： Carbon fiber； EpaKy ivsins； Compete rope； Polyurethane维晋资讯 维晋资讯 吉化研究试验厂异丁烯生产装置护产成功吉化研究试验厂不断加大科技攻关力度，切 实解决制约生产的我瓶颈*问题，他们利用年度大 检修的时机，对异丁晞生产装置进行了工艺改造, 使年生产能力由2 000t提髙到3