玻璃纖維筋生產過程
小直徑GFRP筋設備基本組成為紗架、導紗板、樹脂浸漬槽、預成型模具、纏繞裝置、刮膠板、加熱固化裝置、冷卻段、牽引裝置和切割裝置等,
(1)紗架 放置生產過程中所需要的纖維增強材料的裝置,玻璃纖維紗盤按照要求擺放整齊,紗架壁上開有導紗孔,避免導紗過程中玻璃纖維束的纏繞打結;當多條生產線并排排放時,紗架相應并排排放,避免玻璃纖維束纏繞打結是重點。
(2)導紗板 一方面是將玻璃纖維按束分離,避免玻璃纖維束之間的纏繞打結;另一方面使玻璃纖維束進入浸漬槽時有一定的張力,便于樹脂充分浸潤。
(3)樹脂浸漬槽 保證基體樹脂能夠更加充分地浸潤纖維,其上方裝有可拆卸的輥軸,輥軸可以使纖維完全浸沒在基體樹脂之中,纖維浸膠效果的好壞對筋材的性能影響很大。
(4)預成型模具 將需要生產的筋材直徑對應的預成型模具安裝在預成型裝置中,根據所需要生產筋材的直徑確定合適的纖維紗線密度和對應的股數,充分浸漬樹脂的連續玻璃纖維紗由松散狀態進入到此預成型模具中變成張緊狀態,多余的樹脂被擠出流回到樹脂槽中;對應小直徑的GFRP筋材,可以在一條生產線上同時裝配多個預成型模具,如通常兩個、四個、六個、八個甚至更多,它們之間可以一排、兩排甚至三排排列以節約空間,每條生產線同時生產多根GFRP筋材。
(5)纏繞裝置 主要由三相異步電動機,擺線針輪減速機和繞線盤組成,繞線盤上裝有校力軸和線圈,線圈上有纏繞材料,纏繞材料通過校力軸施加預拉力,從而控制浸漬樹脂后的連續玻璃纖維粗紗束表面的螺紋深度和幾何尺寸,纏繞裝置中的三相異步電動機由變頻器控制,從而控制纏繞速度,以得到不同螺距的GFRP筋材(需要與牽引速度配合);纏繞裝置與預成型模具數量相對應,即每個預成型模具必須匹配一個纏繞裝置,以滿足每條生產線同時生產多根GFRP筋材的要求。
(6)刮膠板 刮膠板設置在浸漬樹脂后的連續玻璃纖維粗紗進入加熱裝置入口前、加熱裝置中間和加熱裝置后,其主要作用是將筋材表面多余的樹脂刮掉,因為表面樹脂過多可能在筋材底部形成很多聚集的突起,這些突起的樹脂顆粒本身強度很低,如果不處理將嚴重影響GFRP筋與混凝土的黏結;另外多余的樹脂也會掉落到加熱裝置的底部造成積膠現象,不能保證生產的穩定性和連續性;刮膠板與預成型模具數量相對應,即每個預成型模具必須匹配一組刮膠板。一般而言,筋材直徑越小,則每組刮膠板對應的數量越少,通常采用硅橡膠板作為刮膠板材料,這樣可以不傷害到玻璃纖維增強材料而能有效刮除樹脂。
(7)加熱固化裝置 加熱固化裝置有多種型式,其傳熱方式也不同,有紅外線燈管直接加熱空氣方式,還有電熱加熱片加熱管道、管道再加熱空氣的方式等,熱的空氣加熱浸漬樹脂后的連續玻璃纖維粗紗,使得樹脂交聯固化,從而形成GFRP筋材。如采用一個整體箱式加熱,可以同時對多根小直徑的浸漬樹脂后的連續玻璃纖維粗紗進行固化,從而形成相應的GFRP筋材,這樣可以提高生產速度,每根GFRP筋材只需要配備一個刮膠板;而采用多段管式加熱,則每次只能生產一根直徑較大的GFRP筋材,且需要配備多個刮膠板。此外,還有其他加熱方式,如采用微波加熱固化方式,該方式最大的特點是可從樹脂內部加熱,而不是由外到內的傳統加熱,因而對大直徑GFRP筋固化更有利,但存在微波對人體的危害。相對而言,微波加熱屬于“冷加熱”,微波只加熱樹脂和玻璃纖維,其能量利用率最高,只要能夠防止微波對操作人員的傷害,此種加熱方式具有更大的前途。
(8)冷卻段 由加熱固化裝置出來的GFRP筋基本固化,此時GFRP筋中心的溫度通常高于200℃,遠高于樹脂的熱變形溫度(對不飽和聚酯樹脂和乙烯基酯樹脂而言,通常為60~80℃;對環氧樹脂而言,采用酸酐固化后,通常為100~120℃),因而必須采用冷卻方式降低GFRP筋的溫度。對于小直徑的GFRP筋而言,采用強制空氣冷卻,在連續運行的過程中,筋材溫度逐漸下降,從加熱固化裝置到牽引機入口,10m的距離可以保證。當直徑增大時,可以采用噴射冷水的方式進行強制降溫,并輔助采用強制空氣冷卻。但過高的冷卻速率,將導致GFRP筋內外表面溫度梯度過大而產生附件內應力,并由此產生裂紋而導致力學性能衰減,GFRP筋力學性能離散性偏大與冷卻過程有關。
(9)牽引裝置 一方面是提供動力的裝置,將固化后的GFRP筋從加熱固化裝置拉出;另一方面可以通過調節牽引機的速度控制筋材在加熱固化裝置的停留時間,并與纏繞裝置配合,可以生產出不同螺距的GFRP筋材。從生產連續性方面看,有連續性的履帶式牽引機、間歇性的夾持式牽引機兩種,前者對GFRP筋的壓力較大,故容易導致筋材變形,但牽引力大以克服沿途阻力,比較適合大直徑的GFRP筋;后者對GFRP筋的壓力、牽引力都較小,適合小直徑筋材。對于一臺牽引機同時牽引出多根GFRP筋材的情況,宜采用履帶式牽引機。GFRP筋在進入履帶式牽引機前,必須經過充分的冷卻,最好使得GFRP筋中心的溫度低于熱變形溫度,這樣就可以保證GFRP筋不會被牽引機壓變形。
(10)切割裝置 有自動定長切割與手動人工切割兩種,由于GFRP筋材是連續由牽引機引出,所以切割需要在連續運行的條件下進行。切割時會產生一定量的粉塵和氣味,此粉塵中含有碎玻璃纖維、碎樹脂等物質,這些物質對人體和環境有危害,一般由粉塵收集裝置或粉塵收集系統收集,并輔助噴水系統以降低生產車間的粉塵量。氣味主要是未反應完全的苯乙烯單體產生的(對于不飽和聚酯樹脂和乙烯基酯樹脂而言),此物質有危害,在第1章中的1.1節中有專門的說明。當生產車間有多條生產線同時運行時,產生的粉塵和氣味是非常嚴重的,因而相關的裝置、個人的防護與保護是必不可少的,由此產生的職業病是潛在的危害
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