新型直立式浸胶装置的设计

新型直立式浸胶装置的设计参赛人员作品分类(C)能源化工能源无机材料髙分子材料金属材料作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标国内外的浸胶工艺始终围绕着手工和卧式浸胶方式进行变化，数十年来缺乏根本的工艺技术变革。本项目通过提出直立式浸胶方法，自主设计直立式浸胶设备，用于纤维浸胶和制备样品的实际应用，创新了当今的浸胶生产工艺，解决现实生产过程中存在的问题，改进复合材料制品的综合力学性能，为当代复合材料生产和性能改进起到推动作用。全新的直立式浸胶技术也改变了现有浸胶的模式，既有自动化和快速化的先进性，又有实际生产应用的可用性，最终改进所得产品的性能。更值得一提的是直立式浸胶不改变现有生产的工艺主流程，与现实生产相融合，具有深远的现实意义。本项目根据纤维及其制品材质以及实际生产工艺的要求，设计直立式浸胶技术的技术参数和浸胶装置的结构。将不同类型的树脂基体与玻璃纤维及其制品进行浸渍，在不同温度、浸胶速度、树脂浓度等的条件下进行浸胶，测试不同条件下所得复合材料制品的综合力学性能，应用现代测试手段揭示直立式浸胶优越性的本质。本项目研究的直立式浸胶装置，主要包括组合式架台、纤维导入装置、浸胶槽、收集装置以及电机五个部分，其特征在于：(1)直立式浸胶的胶槽采取直立放置，这样在浸胶时可以避免树脂胶液的飞溅，浸胶槽上方安装有挤胶辊，下方安装有防漏胶结构；(2)纤维导入装置采用多辊制张力系统使纤维材料在浸胶时保持张力，这有助于胶液浸透纤维材料；(3)所用的挤胶辊的材质可以选择热塑性的材料，包括聚醚醚酮(PEEK)棒；(4)采用活塞式的防漏胶结构，浸胶槽下方的纤维

材料入口由活塞控制；（5）收集装置由两台电机协同控制纤维的收集速度同时也是纤维的浸胶速度），速度优选为80m・min-i-250m・min-i；（6）本装置的浸胶与收集装置采用组合式结构，还包括分离式结构以及其他结构形式。作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果《直立式浸胶法制备环氧树脂涂覆玻璃纤维》论文于2013年11月10日荣获江苏硅酸盐学会2009-2013年度优秀论文奖。作品的科学性先进性作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料）纤维增强树脂基复合材料在世界范围内已实现了规模产业化，浸胶工艺是纤维增强树脂基复合材料制备中的一个重要环节。当前的浸胶工艺主要有手工和沉浸式两种，手工浸胶存在着树脂浪费大，含胶量不易控制的问题,使得制品的力学性能受到很大的影响;沉浸式浸胶工艺的含胶量主要通过调整胶液粘度和刮胶刀的距离来控制，由于胶液的黏附作用和钢质刮胶刀的作用，使得浸胶过程中纤维表面易损伤［it。创新的直立式浸胶选用PEEK作为挤胶辊，由于PEEK材料自身有着髙的自润滑性且硬度髙于钢，挤胶辊表面不会粘连杂物，在长期使用过程中不会像钢辊那样被纤维摩擦而受到损伤。直立式浸胶装置中纤维向上运动，有利于纤维表面多余的胶液向下流淌，并通过浸胶槽上方的挤胶辊控制纤维的含胶量⑹。直立式浸胶槽下方的纤维入口由活塞控制，纤维在直立式浸胶时，纤维会带着胶液向上运动，呈向上喷涌的旋流状态，这样也可以防止胶液的渗漏。由于浸胶槽的直立式结构以及纤维自下而上的运用方式，使得纤维束能够充分浸透，胶液也能够得到充分的利用，避免了原料的大量浪费，大大降低了浸胶环节的生产成本。直立式浸胶方法及装置克服当前实际生产中的浸胶弊端，纤维浸胶后表层胶液薄而均匀（见图1），对提髙整个树脂基复合材料的生产水平以及树脂基复合材料的性能，提升复合材料产业的制造工艺起到了推动作用。

a手工浸胶ba手工浸胶b沉浸式浸胶c立式浸胶图1不同浸胶工序涂覆E-GF束SEM图李新宁，邹宁宇•我国玻璃纤维工业的节能减排[J].建材发展导向，2007,5(5)：28-31.KimC.H.,ParkJ.H.,KimC.,etalExpertsystemforprocessplanningofpressurevesselfabricationbydeepdrawingandironing[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2004155-156:1465-1473.李勇，肖军，邱伟娟，等.髙模量碳纤维低损伤一步预浸缠绕技术[J].宇航材料工艺，2002，32(6)：19-21.SzakalyE.D.,LenardJ.G.Theeffectofprocessandmaterialparametersonthecoefficientoffrictionintheflat-dietest[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2010,210:868-876.Shivamurthy,B.Siddaramaiah.,Prabhuswamy,M.S.Design,Fabrication,andTestingofEpoxy/Glass-reinforcedPressureVesselforHigh-pressureGasStorage[J],JournalofReinforcedPlasticsandComposites,2010, 29(15):2379-2386.从小晔，王晓钧，代宝莹.直立式浸胶法制备环氧树脂涂覆玻璃纤维[J].工程塑料应用，2012,40(10)：38-42.使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测图2使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测图2直立式浸胶装置结构本项目研究的直立式浸胶装置，主要包括组合式架台（1）、纤维导入装置（2）、浸胶槽（3）、收集装置（4）以及电机（5）五个部分（见图2）。在实验前，将玻璃纤维从导入装置引出，穿过浸胶槽固定在收集装置上，缓慢的向浸胶槽内倾倒液胶，打开两个电机的开关，根据反应所需时间确定转速。在实验过程中电机1与收集装置的杆件通过齿轮连接带动收集装置做匀速圆周运动，进而带动玻璃纤维匀速的由导入装置穿过浸胶槽充分浸胶后向上运动，即该过程实现了直立式浸胶。电机2通过周期性的每转半周改变转动方向控制收集装置匀速率左右往复运动，进而实现收集过程。在反应的整个过程中浸胶槽的控温系统将温度控制在反应最佳温度，保证反应的有效进行。直立式浸胶槽在浸胶时可以避免树脂胶液的飞溅，浸胶槽上方安装有挤胶辊，下方安装有防漏胶结构；纤维导入装置采用多辊制张力系统使纤维材料在浸胶时保持张力，这有助于胶液浸透纤维材料；所用的挤胶辊的材质选择为热塑性聚醚醚酮（PEEK）材料，挤胶辊表面不会粘连杂物，在长期使用过程中不会像钢辊那样被纤维摩擦而受到损伤。直立式浸胶装置主要应用于纤维缠绕成型工艺，据工艺分类手糊缠绕SMC/BMC拉挤连续板材及其它工艺分类手糊缠绕SMC/BMC拉挤连续板材及其它“十五”7018101.80.2“十一五”58251043（连续板材2）我国玻璃钢各类成型工艺产品百分比从表中可以看出我国玻璃钢行业技术进步明显。以缠绕发展为契机，继之以SMC/BMC、拉挤型材，推动了整个行业（含原辅材料）向髙层次发展。相比于传统工艺，缠绕工艺在整个行业中的比重最大，增长显著。本项目研究的直立式浸胶技术可以有效地提髙缠绕技术的性能指标，革新缠绕技术的浸胶方式，推动复合材料成型技术的工艺结构调整，将带来客观的经济效益和显著的科技进步。直立式浸胶装置简介1研究意义与目的、应用领域：1.1研究意义与目的：进入21实际前后，我国的玻璃纤维工业一路欢歌，飞速发展。自1997年至2006年的10年时间，产量由18万t/a猛增到120万t/a，迅速超过了法国、日本、俄罗斯等生产大国，逼近甚至超过世界第一生产大国美国，占据世界玻纤总产量25%的巨大份额，产品出口130个国家和地区，取得了令人瞩目的成就［1］。以玻璃纤维作为增强相的树脂基复合材料在世界范围内已实现了产业化，浸胶作为玻璃纤维增强树脂基复合材料制备过程中的一个重要环节当前的浸胶工艺有手工浸胶和沉浸式浸胶两种，手工浸胶存在着树脂浪费大，玻璃纤维浸胶后含胶量不易控制的问题，使得浸胶后的玻璃纤维的力学性能受到影响。沉浸式浸胶工序是目前应用最广泛的一种浸胶技术，玻璃纤维上的含胶量主要由调整胶液粘度和刮胶刀的距离来控制，由于胶液的黏附作用和刮胶刀的存在使得在沉浸式浸胶过程中纤维的表面受到损伤［2-6］，在沉浸式浸胶中浸胶机加热箱体立式放置的装置称做为立式浸胶，它有胶量调节辊、导向辊和刮胶刀，因此，也存在纤维的表面受到损伤的问题。针对当今浸胶工艺中存在的问题，本研究设计直立式浸胶装置用以制备涂覆玻璃纤维。1.2应用领域：该装置在生产使用的过程中主要应用了缠绕成型的加工工艺，据1973年出版的《纤维缠绕玻璃钢》杂志统计，全球军用纤维缠绕制品达44种，涵盖宇宙空间、液体空间和军用领域等，如火箭发动机壳体、雷达罩、导弹运载筒、鱼雷发射管、火焰喷射管等；民用纤维缠绕制品达71种，包括商业和工业用品如高压开关装置、电气装置外壳、高压气瓶、印刷电路板、整流装置等。目前缠绕成型工艺是复合材料成型中较为普遍的一种工艺方法，现已广泛应用于复合材料化工管道、压力容器、储罐及火箭发射筒、鱼雷发射等产品的成型［7］。2工作原理:该反应的整套装置如第一页图所示，第二、三、四页分别为主视图、俯视图及左视图，主要包括架台、浸胶槽、玻璃纤维导入装置、玻璃纤维浸胶后的收集装置及电机五个部分。在实验前将各零件按图示安装好后，将玻璃纤维从导入装置引出，穿过浸胶槽固定在收集装置上，缓慢的向浸胶槽内倾倒液胶，打开两个电机的开关，根据反应所需时间确定转速。在实验过程中电机一与收集装置的杆件通过齿轮连接带动收集装置做匀速圆周运动，进而带动玻璃纤维匀速的由导入装置穿过浸胶槽充分浸胶后向上运动，即该过程实现了直立式浸胶。电机二通过周期性的每转半周改变转动方向控制收集装置匀速率左右往复运动，进而实现收集过程。在反应的整个过程中浸胶槽的控温系统将温度控制在反应最佳温度，保证反应的有效进行。3各部分零件构造说明3.1架台：其立体图如第五页图纸所示，第六、七、八页图纸分别为架台的主视图、左视图和俯视图，其底座规格为100mm*80mm*5mm的立方体，中下部分削去了70mm*80mm*2mm的立方体，其目的是减少材料节约成本。两根圆柱的尺寸为高150mm、直径4mm,在距离底座平面50mm的位置两根圆柱上均焊接有长23mm直径4mm的圆柱，其边缘均焊接了内径为6.5mm厚度为2mm的半圆弧，其作用是固定浸胶槽的活塞。距离底座平面88mm的位置两根圆柱上均焊接有长6mm直径4mm的圆柱，中间焊接有直径为4mm的圆柱连接的方形结构，内侧方形尺寸为50mm*50mm，公差为-1mm，其作用是架起并固定浸胶槽。距离底座平面126mm的位置两根圆柱上均焊有长7mm直径4mm的圆柱，其边缘焊有宽2mm，内径6.5mm，外径7.5mm，圆心距为6mm的两个相交圆孔，其作用是固定挤胶辊PEEK棒。3.2、 浸胶槽：其立体图如第九页图纸所示，第十、十一、十二页图纸分别为浸胶槽的主视图、俯视图及左视图。上方为50mm*50mm*40mm的立方体，下方为锥体，30mm*30mm的正方形为底，壁厚2mm，椎体下方安装有两个长20mm，直径6mm的圆柱，圆柱的一侧为直径6mm的半球面，工作时两个球形面相对紧置于锥体正下方，起到防止浸胶过程中漏液的作用。立方体上方有两根长60mm，直径6mm的PEEK棒，使得挤胶时应力在转动过程中消失，可以避免E-玻璃纤维表面刮伤，使得纤维表面的胶液均匀；而挤胶时挤胶辊的转速很低，所以挤胶辊挤胶时只会在胶辊的表面带有胶液，不会将胶液带出辊外。3.3、 导入装置：其整体立体图如第十三页图纸所示，第十四、十五、十六、十七及十八页图纸分别为导入装置的零件图。第十四页零件需要生产两个配合使用固定玻璃纤维束，由图可知上方为直径10mm的弧形结构，带有一个直径5mm的圆孔，中部为锥形结构长25mm，边缘为直径是4mm的圆弧结构，厚度为2mm，底部焊接有长10mm,直径3mm的圆柱。第十五页图纸的两件需要加工两个，长60mm,两边均为直径为10mm的半圆弧，如图所示每隔10mm有一个直径为5mm的圆孔，共计六个（其作用是根据需要调节定轨位置），该零件厚度为2mm。第十六页图纸为固定导入装置的零件，长10mm，宽12mm，高30mm，厚2mm。第十七页图纸对应的零件起到控制玻璃纤维传输轨迹并连接第十四、十五及十六页图纸对应零件的作用，需要六个配合使用。其为螺纹连接，故需要配有螺母使用，总长13mm，螺纹长5mm，前部长5mm,直径分别为10mm、5mm。第十八页图纸为缠绕玻璃纤维束的零件，长20mm，由图可知直径分别为7mm、5mm，内径4mm。3.4、 收集装置：其立体图如第十九页图纸所示，第二十、二十一、二十二、二十三页图纸分别为其分解的零件图。第二十页图纸为浸胶后的玻璃纤维缠绕装置由圆柱杆连接，长95mm，直径5mm，中部的缠绕零件与杆件是键槽连接，为长30mm，边长15mm的正六棱柱，内径5mm，键槽深2mm，宽2mm，在其对应的圆柱杆上有宽2mm，深2mm的键。在圆柱杆的一端有长17mm，宽2mm，深2mm的键，在距另一端7mm至12mm的位置有宽2mm，深2mm的键。第二十一页的图纸为实现六棱柱左右往复运动的零件，长71mm，宽5mm，厚2mm，两个爪子长10mm，宽2mm，间距30mm，下面焊接的水平的零件长20mm与直径9.56mm、齿深2mm的齿轮为齿轮连接，齿轮连接电机二。第二十二页图纸为实现缠绕装置匀速圆周运动的齿轮连接装置，齿轮直径分别为14mm、10mm，齿深2mm，厚5mm，上面的齿轮中心为直径5mm的圆柱孔，键槽深2mm，宽2mm与二十页的圆柱杆配合使用，键槽连接，下面的齿轮连接电机一。第二十三页的图纸为轴承结构，其焊接在架台两根圆柱的顶端，将缠绕结构的圆柱杆架起来，实现实验的收集过程。结构尺寸为外径20mm，壁厚2mm，中间滚珠直径为3mm，小外径10mm，内径5mm，键槽深2mm，宽2mm，其与二十页圆柱杆键配合，起到固定整个收集装置的作用。3.5、 电机：电机一提供匀速圆周运动的动力，而且支持人为控制转速，电机二提供匀速圆周运动的动力，其与电机一的区别在于每转半周即改变转向，转速同样人为可控。备注：如果电机重量较大可根据其尺寸设置架台。参考文献[1]李新宁,邹宁宇.我国玻璃纤维工业的节能减排[J].建材发展导向,2007,5(5):28-31.[2]KimC.H.,ParkJ.H.,KimC.,etalExpertsystemforprocessplanningofpressurevesselfabri