前言

2004年，蘇、豫有關企業找到協會，稱國際市場上需要薄壁環氧玻璃鋼管系列產品。我們分析因其內外徑均有尺寸公差、光潔度及徑向強度均有要求，用傳統的纖維纏繞、拉繞等工藝不能生產出合乎要求的產品，遂提出以連續樹脂傳遞成型法（在線編織――拉擠成型）制造工藝。

1 產品對象

產品名稱：薄壁環氧玻璃鋼絕緣管
產品直徑：￠8-18㎜

性能指標



該絕緣管具有高扭轉強度，經UL認證，可在攝氏180度下連續使用。

2 工藝方法選擇

2.1 纖維纏繞法（FW）
FW法外徑光潔度與公差無法保證，若經磨削加工，成本增加，且破壞纖維。

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2.2 拉繞法
其工作原理是先拉，形成單向里層；環向纏繞，增加徑向強度；單向拉擠，形成較光滑的外壁。



若采用無捻粗紗/拉/纏/拉，則徑向強度明顯過低；若增加環向纏繞，壁厚又偏厚；先拉后繞則拉擠難以進行，外表亦不會理想。其次，環向紗筒還要不時更換；增加纏繞部件，設備費亦不菲。

2.3 成品纖維套管拉擠法
此法無一般拉擠FRP管所需要的芯模支座，此法芯模是懸于模外。

成品纖維套管拉擠法的模具原理如圖2所示。芯模左端以球形部分定位，使之軸向定位。



成品纖維套管在右端膠槽浸漬樹脂后沿芯模連續進入模腔，實現拉擠同時膠凝固化而成為成品管材。
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對較密實的纖維套管，難以將其變形，從而拉不過去。

2.4 在線針織纖維套管拉擠法
一般針織物（Knitted fabric）具有彈性和延伸性，易變形、尺寸不穩定，不宜用于拉擠工藝。

2.5 最后的選擇――連續RTM－在線編織拉擠成型法
編織是一種古老的織造技術。編織物（braid）所有的纖維均斜交，與軸線夾角不呈0°與90°。編織原理與編織管如圖3、圖4所示。編織過程腫，纖維的運動軌跡為螺旋線。選擇合理的纖維角度可調節成品管材徑向強度與軸向強度的比例；選擇適宜的纖維排列密度可滿足強度與外觀的要求。



在線編織的坯管由拉擠機的牽引裝置弋引。芯模固定不動。坯管沿芯模織好，由芯模前端進入模具，在模具前端的樹脂浸漬區內浸漬樹脂（樹脂系在壓力下源源注入模腔），經牽引通過加熱的模具（基體樹脂在模內膠凝、固化），最終成為FRP管材成品。分析此原理應能制得符合技術性能要求的復合管。這種在線編織拉擠成型（樹脂由外注入模具內）的工法，實質就是一種連續樹脂傳遞成型工藝（CRTM）。 copyright 123456

3 編織管的設計計算

編織紗束均為偶數，我們采用的是24錠。



圖4－圖6中：
D－－管徑
H――螺距
A――紗束寬度
B――紗束軸向高度
θ——紗束方向與軸線Y的法線所形成的角度
α――纏繞角
α＋θ＝90º
N――紗束（錠子）數
B＝A/cosθ=A/sinα ……………………(1)
N=πD/Acosα=πDsinθ/A………………(2)
式（1）中A/sinα或A/cosθ為紗束寬A在軸向的投影。
式（2）中的Acosα或sinθ/A為紗束寬A在圓周上的投影。
N≥16，取偶數值。

紗束在編織過程中的運動軌跡為圓柱螺旋線，其方程為式中K值取決于拉擠牽引速度，t角度值為紗束所在錠子相對于纖維套管軸線所轉過的角度，而非繞錠子軸線所轉過的軸線。

由圖5：H=πDtgθ……………………(4)
由圖4：N=2H/B ……………………(5)[1]
式（5）中，因編織工藝，故有2倍關系；
式（4）與式（5）分別計算出的N值互為參考，最后N值由強度、表觀等因素決定之。

將式（1）B=A/cosθ代入式（5）：
H=NB/2＝NA/2cosθ……………………(6)
式（6）得出了螺距H、紗束寬度、錠子（紗束）數N三參數間的關系；此三參數為編織管的主要參數，錠子數量即決定編織密度。

由式（4）與（6）：H=πDtgθ＝πDsinθ/cosθ=NA/2cosθ
πDsinθ=NA/2
sinθ.sinθ=(NA/2πD)2
∵ sin2 θ+cos2θ=1
∴ cosθ=[1-(NA/2πD)2 ]1/2 ……………………(7) 123,123
將式（7）代入式（6）：
H=NA[1-(NA/2πD)2]-1/2/2=πD[（2πD/NA）2-1]-1/2 ………………(8)

式（8）表明管徑D與螺距H、紗束粗細A、錠子數成正比。

圖6 為紗束應力分析圖
A0 ――每束纖維截面積
σf ――每束纖維的應力
AL――軸向面積分量
AH ――徑向面積分量
σL―-軸向應力
σH―-徑向應力

應用網絡理論分析
AL=A/cosα
軸向TL=σH AL=σf A cosα …………………(9)
或σH＝σf cos2α ……………………(10)
徑向 TH =σL AH=σf Asinα…………………(11)
同理σL＝σf sin2α …………………(12)
徑向應力與環向應力之比TL/ TH=(12)/(11)=ctg2θ………(13)

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由式（13）可見調節θ角，即可調節管材徑、軸向強度比。具體強度計算，可參閱《玻璃鋼工藝與性能》，此不贅述。（北京251廠編 中國建筑工業出版社 1974年版）

值得一提的是，當強度已滿足要求的前提下，取較小的θ角有利于拉擠工藝的順利進行。

4 設備要求

4.1 拉擠機
因產品系薄壁，宜采用履帶式拉擠機。其牽引履帶上應采用聚氨酯橡膠塊。橡膠塊與所牽引管接觸處應有相應的弧形，（弧形直徑略大于管外徑）。

4.2 編織機
根據工藝要求，選擇立式或臥式編織機。編織機生產企業頗多，如非自行特殊訂貨，須將原機上的卷取部分――搖柄、蝸輪、卷取盤等取下。原卷取軸改換為相應直徑的芯模，此芯模伸入模具內，其外徑即為管材內徑，故對其須有尺寸精度與光潔度的要求；此軸應牢固固定，不得有抖動。其根部直徑可較伸入模具部分段直徑略大。

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4.3 浸漬部件
圖7示 芯模自縫編機尾端直穿入模具，故無傳統浸膠槽。樹脂通過泵，在壓力下注入模具前端的腔內。



4.4 模具
除前端為浸漬區外，無特殊要求。

5 增強材料

我們采用的是800、1200Tex的無堿玻璃纖維直接無捻粗紗，其浸潤劑需與所用樹脂基體相適應，并符合編織與拉擠工藝的要求。按浸潤劑分，屬W類。

玻纖紗的原始的寬度與厚度及其浸膠后的寬度與厚度無統一標準，各廠迥異。須根據實物測量，取平均值，作為實際的設計參數。

據了解，有的玻纖企業的無捻粗紗較扁平，有的企業的紗則相反。如某1200tex的無捻紗的紗片寬2.27mm，浸膠后厚0.4mm。

6 基體樹脂

6.1 選用環氧樹脂，蓋因其黏結力強、與玻纖復合界面剪切強度高、力學性能好之故；其次其固化時無低分子放出，體積收縮率一般為1％－2％，國外已有萬分之一收縮率的環氧樹脂。（不飽和聚酯樹脂體積收縮率為7％－9％）【2】 ，拉擠產品尺寸穩定性好。

采用酸酐固化體系，配比為：
環氧樹脂 100
引發劑 甲基四氫鄰苯二甲酸酐 80
促進劑 季胺鹽（芐基三乙基氯化胺） 2
實踐中亦有以咪唑取代季胺鹽者，效果較好。
模具長900mm，溫度控制分為三段：
第一段 120℃
第二段 140℃
第三段 170℃

6.2 為改善工藝性，建議采用武漢理工大學材料學院復合材料系研發的高性能低黏度環氧樹脂。其已開發的樹脂玻璃化溫度（Tg）達190℃，黏度可低到80mPa•s，浸漬性大為提高。下面是武漢理工大學與美國某公司環氧樹脂實物的測試結果，可資比較參考。

樹脂澆鑄體及玻璃鋼（無堿1:1布）力學性能比較
（固化制度：室溫/24h+80℃/4h）



6.3 液體雙馬來酰亞胺樹脂
625所已故資深研究員趙渠森先生幾年前研發的液體雙馬來酰亞胺樹脂價格遠低于通常雙馬來酰亞胺樹脂；可采用不飽和聚酯樹脂的固化體系，加入固化劑后使用壽命在24h內，其年度為120mPa•s，固體含量67％的樹脂力學性能為：拉伸強度 > 72Mpa 內容來自123456
彎曲強度 >136Mpa
拉伸延伸率 >2.5％
熱變形溫度 >121℃
巴氏硬度 55

說明其工藝性較一般雙馬佳。此種樹脂在高溫環境下耐酸、堿、韌性好，亦可考慮選用。

7 結語

據了解，編織工藝在19世紀下半葉已出現，迄今已100多年，而FRP拉擠工藝則出現在上世紀40年代末，迄今也已逾半個多世紀，都是十分傳統的工藝了。筆者提出將兩種工藝結合起來，在線編織拉擠成型FREPR薄壁管材，也算推陳出新吧。而樹脂注射到模腔內，亦可納入CRTM范疇。本工藝由河南鵬翔科技有限公司歷經三年艱辛已投入生產，產品經檢驗，各項技術指標均合格，并已在2009年獲得國家發明專利。

參考文獻：

[1] 張耀明，李巨白，姜肇中。 玻璃纖維與礦物棉全書
北京：化學工業出版社，2000
[2] 詹英榮 玻璃鋼/復合材料 原材料性能與應用 內容來自123456
北京：中國國際廣播出版社1995
[3] 中國玻璃鋼工業協會 玻璃鋼簡明技術手冊
北京：化學工業出版社 2005 第2版
[4] 北京251廠，北京玻璃鋼研究所 玻璃鋼工藝和性能
北京：中國建筑工業出版社 1974
[5] 翁祖祺，陳博，張長發 玻璃鋼工業大全
北京：國防工業出版社 1992