玻璃纖維筋生產(chǎn)過(guò)程
小直徑GFRP筋設(shè)備基本組成為紗架、導(dǎo)紗板、樹(shù)脂浸漬槽、預(yù)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(chǎn)過(guò)程中所需要的纖維增強(qiáng)材料的裝置,玻璃纖維紗盤(pán)按照要求擺放整齊,紗架壁上開(kāi)有導(dǎo)紗孔,避免導(dǎo)紗過(guò)程中玻璃纖維束的纏繞打結(jié);當(dāng)多條生產(chǎn)線并排排放時(shí),紗架相應(yīng)并排排放,避免玻璃纖維束纏繞打結(jié)是重點(diǎn)。
(2)導(dǎo)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(jié);另一方面使玻璃纖維束進(jìn)入浸漬槽時(shí)有一定的張力,便于樹(shù)脂充分浸潤(rùn)。
(3)樹(shù)脂浸漬槽 保證基體樹(shù)脂能夠更加充分地浸潤(rùn)纖維,其上方裝有可拆卸的輥軸,輥軸可以使纖維完全浸沒(méi)在基體樹(shù)脂之中,纖維浸膠效果的好壞對(duì)筋材的性能影響很大。
(4)預(yù)成型模具 將需要生產(chǎn)的筋材直徑對(duì)應(yīng)的預(yù)成型模具安裝在預(yù)成型裝置中,根據(jù)所需要生產(chǎn)筋材的直徑確定合適的纖維紗線密度和對(duì)應(yīng)的股數(shù),充分浸漬樹(shù)脂的連續(xù)玻璃纖維紗由松散狀態(tài)進(jìn)入到此預(yù)成型模具中變成張緊狀態(tài),多余的樹(shù)脂被擠出流回到樹(shù)脂槽中;對(duì)應(yīng)小直徑的GFRP筋材,可以在一條生產(chǎn)線上同時(shí)裝配多個(gè)預(yù)成型模具,如通常兩個(gè)、四個(gè)、六個(gè)、八個(gè)甚至更多,它們之間可以一排、兩排甚至三排排列以節(jié)約空間,每條生產(chǎn)線同時(shí)生產(chǎn)多根GFRP筋材。
(5)纏繞裝置 主要由三相異步電動(dòng)機(jī),擺線針輪減速機(jī)和繞線盤(pán)組成,繞線盤(pán)上裝有校力軸和線圈,線圈上有纏繞材料,纏繞材料通過(guò)校力軸施加預(yù)拉力,從而控制浸漬樹(shù)脂后的連續(xù)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(dòng)機(jī)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(yù)成型模具數(shù)量相對(duì)應(yīng),即每個(gè)預(yù)成型模具必須匹配一個(gè)纏繞裝置,以滿(mǎn)足每條生產(chǎn)線同時(shí)生產(chǎn)多根GFRP筋材的要求。
(6)刮膠板 刮膠板設(shè)置在浸漬樹(shù)脂后的連續(xù)玻璃纖維粗紗進(jìn)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(shù)脂刮掉,因?yàn)楸砻鏄?shù)脂過(guò)多可能在筋材底部形成很多聚集的突起,這些突起的樹(shù)脂顆粒本身強(qiáng)度很低,如果不處理將嚴(yán)重影響GFRP筋與混凝土的黏結(jié);另外多余的樹(shù)脂也會(huì)掉落到加熱裝置的底部造成積膠現(xiàn)象,不能保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性和連續(xù)性;刮膠板與預(yù)成型模具數(shù)量相對(duì)應(yīng),即每個(gè)預(yù)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(duì)應(yīng)的數(shù)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(qiáng)材料而能有效刮除樹(shù)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(shù)脂后的連續(xù)玻璃纖維粗紗,使得樹(shù)脂交聯(lián)固化,從而形成GFRP筋材。如采用一個(gè)整體箱式加熱,可以同時(shí)對(duì)多根小直徑的浸漬樹(shù)脂后的連續(xù)玻璃纖維粗紗進(jìn)行固化,從而形成相應(yīng)的GFRP筋材,這樣可以提高生產(chǎn)速度,每根GFRP筋材只需要配備一個(gè)刮膠板;而采用多段管式加熱,則每次只能生產(chǎn)一根直徑較大的GFRP筋材,且需要配備多個(gè)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(diǎn)是可從樹(shù)脂內(nèi)部加熱,而不是由外到內(nèi)的傳統(tǒng)加熱,因而對(duì)大直徑GFRP筋固化更有利,但存在微波對(duì)人體的危害。相對(duì)而言,微波加熱屬于“冷加熱”,微波只加熱樹(shù)脂和玻璃纖維,其能量利用率最高,只要能夠防止微波對(duì)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(lái)的GFRP筋基本固化,此時(shí)GFRP筋中心的溫度通常高于200℃,遠(yuǎn)高于樹(shù)脂的熱變形溫度(對(duì)不飽和聚酯樹(shù)脂和乙烯基酯樹(shù)脂而言,通常為60~80℃;對(duì)環(huán)氧樹(shù)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(duì)于小直徑的GFRP筋而言,采用強(qiáng)制空氣冷卻,在連續(xù)運(yùn)行的過(guò)程中,筋材溫度逐漸下降,從加熱固化裝置到牽引機(jī)入口,10m的距離可以保證。當(dāng)直徑增大時(shí),可以采用噴射冷水的方式進(jìn)行強(qiáng)制降溫,并輔助采用強(qiáng)制空氣冷卻。但過(guò)高的冷卻速率,將導(dǎo)致GFRP筋內(nèi)外表面溫度梯度過(guò)大而產(chǎn)生附件內(nèi)應(yīng)力,并由此產(chǎn)生裂紋而導(dǎo)致力學(xué)性能衰減,GFRP筋力學(xué)性能離散性偏大與冷卻過(guò)程有關(guān)。
(9)牽引裝置 一方面是提供動(dòng)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(guò)調(diào)節(jié)牽引機(jī)的速度控制筋材在加熱固化裝置的停留時(shí)間,并與纏繞裝置配合,可以生產(chǎn)出不同螺距的GFRP筋材。從生產(chǎn)連續(xù)性方面看,有連續(xù)性的履帶式牽引機(jī)、間歇性的夾持式牽引機(jī)兩種,前者對(duì)GFRP筋的壓力較大,故容易導(dǎo)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(duì)GFRP筋的壓力、牽引力都較小,適合小直徑筋材。對(duì)于一臺(tái)牽引機(jī)同時(shí)牽引出多根GFRP筋材的情況,宜采用履帶式牽引機(jī)。GFRP筋在進(jìn)入履帶式牽引機(jī)前,必須經(jīng)過(guò)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(huì)被牽引機(jī)壓變形。
(10)切割裝置 有自動(dòng)定長(zhǎng)切割與手動(dòng)人工切割兩種,由于GFRP筋材是連續(xù)由牽引機(jī)引出,所以切割需要在連續(xù)運(yùn)行的條件下進(jìn)行。切割時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定量的粉塵和氣味,此粉塵中含有碎玻璃纖維、碎樹(shù)脂等物質(zhì),這些物質(zhì)對(duì)人體和環(huán)境有危害,一般由粉塵收集裝置或粉塵收集系統(tǒng)收集,并輔助噴水系統(tǒng)以降低生產(chǎn)車(chē)間的粉塵量。氣味主要是未反應(yīng)完全的苯乙烯單體產(chǎn)生的(對(duì)于不飽和聚酯樹(shù)脂和乙烯基酯樹(shù)脂而言),此物質(zhì)有危害,在第1章中的1.1節(jié)中有專(zhuān)門(mén)的說(shuō)明。當(dāng)生產(chǎn)車(chē)間有多條生產(chǎn)線同時(shí)運(yùn)行時(shí),產(chǎn)生的粉塵和氣味是非常嚴(yán)重的,因而相關(guān)的裝置、個(gè)人的防護(hù)與保護(hù)是必不可少的,由此產(chǎn)生的職業(yè)病是潛在的危害