本發(fā)明屬于土木工程領(lǐng)域，具體涉及一種利用熱塑性預(yù)浸帶制備復(fù)材筋的拉擠成型裝置。

背景技術(shù)：

1、連續(xù)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)材筋具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕等特性，替代鋼筋用于海洋工程建設(shè)可有效解決腐蝕問(wèn)題，可以大幅提升海洋工程結(jié)構(gòu)的服役性能與服役壽命，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。相對(duì)于熱固性樹(shù)脂基復(fù)材筋而言，熱塑性樹(shù)脂基復(fù)材筋具有可多次重復(fù)成型、韌性高、耐久性好等優(yōu)勢(shì)，更滿(mǎn)足海洋工程應(yīng)用需求。

2、目前，兩步成型法是制備熱塑性復(fù)合材料的主要方法。兩步成型法是指先以纖維和樹(shù)脂為原材料制備熱塑性預(yù)浸帶，再以熱塑性預(yù)浸帶為原材料制備熱塑性復(fù)合材料。這是因?yàn)闊崴苄灶A(yù)浸帶中較薄的纖維束縮短了樹(shù)脂熔體的浸漬路徑，極大地降低了高粘度熱塑性樹(shù)脂熔體均勻浸漬纖維束的難度。但是，拉擠成型工藝需將預(yù)浸帶進(jìn)行裁剪成窄條狀，裁剪后的預(yù)浸帶兩側(cè)存在著被切斷的毛纖維，在連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中毛纖維不斷的積累易引起堵塞現(xiàn)象并影響拉擠型材表觀形貌。此外，熱塑性樹(shù)脂熔點(diǎn)較高，通過(guò)加熱模具出口端定型拉擠型材將導(dǎo)致所制備的型材孔隙率高、尺寸偏差較大。因此，亟須提出一種利用熱塑性預(yù)浸帶制備低孔隙率、低尺寸偏差、低表面粗糙度的復(fù)材筋高效拉擠成型裝置及其方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于以上不足之處，本發(fā)明提出一種利用熱塑性預(yù)浸帶制備復(fù)材筋的拉擠成型裝置，旨在解決現(xiàn)有的設(shè)備和方法導(dǎo)致拉擠型材孔隙率高、尺寸偏差大、表面粗糙度高、生產(chǎn)效率低等問(wèn)題。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種利用熱塑性預(yù)浸帶制備復(fù)材筋的拉擠成型裝置，包括預(yù)成型機(jī)構(gòu)、加熱模具、多組冷卻定型模具和底板，所述的預(yù)成型機(jī)構(gòu)的后端與加熱模具的前端相連接，所述的加熱模具固定在底板前部上平面，所述的底板的后部上平面開(kāi)有平行滑道，多組所述的冷卻定型模具依次串聯(lián)安裝在所述的平行滑道上，所述的加熱模具的后端與第一組冷卻定型模具的前端位置相對(duì)應(yīng)；所述的預(yù)成型機(jī)構(gòu)、加熱模具和冷卻定型模具均安裝有加熱棒和溫度傳感器；

3、所述的預(yù)成型機(jī)構(gòu)包括第一預(yù)成型板、第二預(yù)成型板、第三預(yù)成型板和四根支桿和桿嵌套，四根所述的支桿互相平行依次穿過(guò)第一預(yù)成型板、第二預(yù)成型板、第三預(yù)成型板的四個(gè)頂角，三組預(yù)成型板能夠沿著四組支桿自由滑動(dòng)；四根支桿的末端安裝有支桿嵌套；

4、所述的第一預(yù)成型板開(kāi)有第一中心導(dǎo)紗孔和四只第一水平導(dǎo)紗孔，第一中心導(dǎo)紗孔和四只第一水平導(dǎo)紗孔從上至下按同一列排列，第一中心導(dǎo)紗孔位于四只第一水平導(dǎo)紗孔的中間，第一中心導(dǎo)紗孔的左右兩側(cè)還分別開(kāi)有一組豎直導(dǎo)紗孔；

5、所述的第二預(yù)成型板開(kāi)有第二中心導(dǎo)紗孔和兩只第二水平導(dǎo)紗孔，第二中心導(dǎo)紗孔和兩只第二水平導(dǎo)紗孔從上至下按同一列排列，第二中心導(dǎo)紗孔位于兩只第二水平導(dǎo)紗孔的中間，第二中心導(dǎo)紗孔的左右兩側(cè)還分別開(kāi)有一組豎直導(dǎo)紗孔，

6、所述的第三預(yù)成型板中心開(kāi)有第三中心導(dǎo)紗孔，第三中心導(dǎo)紗孔的左右兩側(cè)還分別開(kāi)有一組豎直導(dǎo)紗孔，

7、所述的第一中心導(dǎo)紗孔、第二中心導(dǎo)紗孔和第三中心導(dǎo)紗孔為同軸心，各預(yù)成型板上的中心導(dǎo)紗孔與相鄰水平導(dǎo)紗孔的間距沿拉擠方向逐漸減小，第一和第二預(yù)成型板上的溫度傳感器的位置接近最上部水平導(dǎo)紗孔，第三預(yù)成型板上的溫度傳感器的位置接近第三中心導(dǎo)紗孔。

8、進(jìn)一步的，所述的加熱模具包括頂模和底模，所述的頂模和底模通過(guò)螺栓相互緊密配合形成整體加熱模具，所述的支桿嵌套套在加熱模具的前端，沿加熱模具的軸心開(kāi)設(shè)有一貫穿的通孔，所述的通孔的橫截面為錐形，所述的通孔與三組所述的預(yù)成型板上的各中心水平導(dǎo)紗孔同軸心；頂模和底模上的溫度傳感器的位置應(yīng)接近通孔處。

9、進(jìn)一步的，所述的冷卻模具包括冷卻板和定型楔塊，所述的冷卻板安裝于底板的滑道上，所述的冷卻板能夠在底板的滑道上移動(dòng)，冷卻板的中心開(kāi)設(shè)有與定型楔塊外形一致的楔形孔，所述的定型楔塊鑲嵌在所述的楔形孔中，每組冷卻模具中的定型楔塊與加熱模具的通孔同軸心。

10、進(jìn)一步的，各預(yù)成型板上水平導(dǎo)紗孔厚度h單應(yīng)滿(mǎn)足：

11、

12、其中：h帶為熱塑性預(yù)浸帶厚度，n帶為制備熱塑性復(fù)材筋所需要的預(yù)浸帶根數(shù)，n孔為預(yù)成型板上導(dǎo)紗孔個(gè)數(shù)。

13、進(jìn)一步的，各預(yù)成型板上加熱設(shè)定的溫度t1應(yīng)滿(mǎn)足：

14、

15、其中：tg為熱塑性樹(shù)脂玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，tm為熱塑性樹(shù)脂熔融溫度。

16、進(jìn)一步的，所述的加熱模的加熱設(shè)定溫度t2應(yīng)滿(mǎn)足：

17、tm<t2<td

18、其中：td為熱塑性樹(shù)脂分解溫度。

19、進(jìn)一步的，冷卻模具的數(shù)量n冷應(yīng)滿(mǎn)足：

20、

21、其中：u為拉擠速率，t結(jié)晶為熱塑性樹(shù)脂充分結(jié)晶所需要的時(shí)間，l冷為冷卻板厚度，定型楔塊進(jìn)口端直徑應(yīng)略大于加熱模具楔形凹槽出口端直徑，其出口端直徑為熱塑性復(fù)材筋直徑，溫度傳感器的位置應(yīng)接近定型楔塊處且其加熱溫度應(yīng)設(shè)置為熱塑性樹(shù)脂最大結(jié)晶速率所對(duì)應(yīng)的溫度。

22、一種熱塑性復(fù)材筋制備方法，采用的設(shè)備包括如所述的拉擠成型裝置，并且還采用現(xiàn)有的纏肋裝置、筋肋成型烘箱、解肋裝置和牽引裝置，方法步驟如下：

23、步驟1、預(yù)浸帶切割：將大幅寬熱塑性預(yù)浸帶切割成兩種不同寬度的預(yù)浸帶窄條，其中一種預(yù)浸帶窄條的寬度l1應(yīng)滿(mǎn)足：l1＝d，另一種預(yù)浸帶窄條寬度l2應(yīng)滿(mǎn)足：l2＝d-2，其中，d為所制備的熱塑性復(fù)材筋的直徑，兩種預(yù)浸帶窄條的數(shù)量n1和n2應(yīng)滿(mǎn)足：

24、

25、該步驟的目的是實(shí)現(xiàn)兩種不同寬度的預(yù)浸帶窄條的合理搭配，使其充分填充拉擠成型裝置，降低所制備的熱塑性復(fù)材筋的孔隙率；

26、步驟2、成型裝置預(yù)熱：開(kāi)啟成型裝置和筋肋成型烘箱的溫控系統(tǒng)，調(diào)節(jié)預(yù)成型機(jī)構(gòu)、加熱模具和冷卻模具至所要求的溫度；

27、步驟3、預(yù)浸帶穿模：首先，將根數(shù)為[(n1+n2)/5]的熱塑性預(yù)浸帶依次穿過(guò)預(yù)成型機(jī)構(gòu)上的中心水平導(dǎo)紗孔、加熱模具、冷卻模具、纏肋裝置、筋肋成型烘箱、解肋裝置和牽引裝置；開(kāi)啟牽引裝置，然后，在中心水平導(dǎo)紗孔兩側(cè)的豎直導(dǎo)紗孔中各穿過(guò)1根熱塑性預(yù)浸帶，將剩余的熱塑性預(yù)浸帶均勻穿過(guò)其余水平導(dǎo)紗孔，最后，利用加熱模具的溫度使預(yù)浸帶中熱塑性樹(shù)脂達(dá)到熔融狀態(tài)后貼合在預(yù)先穿過(guò)的預(yù)浸帶上，在牽引裝置的作用下使其依次穿過(guò)上述裝置；

28、步驟4、筋肋材料纏繞和解纏：待熱塑性預(yù)浸帶通過(guò)冷卻模具成型為熱塑性復(fù)材桿后，將筋肋材料的一端固定于熱塑性復(fù)材桿表面，開(kāi)啟纏肋裝置，在牽引裝置的作用下，表面帶有筋肋材料的熱塑性復(fù)材桿進(jìn)入筋肋成型烘箱，在烘箱溫度場(chǎng)的作用下，筋肋材料勒進(jìn)熱塑性復(fù)材桿表面樹(shù)脂中，待熱塑性復(fù)材桿穿過(guò)筋肋成型烘箱后，開(kāi)啟解肋裝置，將復(fù)材桿表面的筋肋材料解除，實(shí)現(xiàn)筋肋的成型；

29、步驟5、收卷：在牽引裝置的作用下，將熱塑性復(fù)材筋纏繞至收卷裝置上，待生產(chǎn)至指定長(zhǎng)度后，切割熱塑性復(fù)材筋并將其綁扎成盤(pán)；

30、進(jìn)一步的，如上所述的制備方法，所述的熱塑性預(yù)浸帶的熱塑性樹(shù)脂基體為尼龍6、尼龍12、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯，所述的增強(qiáng)纖維為連續(xù)碳纖維或連續(xù)玻璃纖維。

31、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果及優(yōu)點(diǎn)是：本成型裝置加熱模具采用一體式結(jié)構(gòu)，冷卻模具采用分離式結(jié)構(gòu)，兼顧整體式結(jié)構(gòu)傳熱效率高和分離式結(jié)構(gòu)易調(diào)節(jié)傳熱區(qū)間長(zhǎng)度的優(yōu)勢(shì)；本成型裝置在冷卻模具處定型拉擠型材，可有效避免在加熱模具出口端定型時(shí)因熱膨脹導(dǎo)致的拉擠型材尺寸偏差大和孔隙率高的現(xiàn)象；本成型裝置利用豎直導(dǎo)紗孔中的熱塑性預(yù)浸帶覆蓋水平導(dǎo)紗孔中的熱塑性預(yù)浸帶的兩側(cè)邊(毛纖維產(chǎn)生處)，可有效降低毛纖維積累對(duì)拉擠過(guò)程和拉擠型材表面形貌的影響；本制備方法中以熱塑性預(yù)浸帶為原材料，解決了高粘度熱塑性樹(shù)脂熔體浸漬纖維束困難的問(wèn)題，提高了生產(chǎn)效率。