本發(fā)明涉及一種纖維復(fù)合材料桿及其制備方法和應(yīng)用，主要涉及含一種碳纖維布和玻璃纖維布的復(fù)合材料桿及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
：隨著市政建設(shè)的發(fā)展，市政設(shè)施也得到了較好的發(fā)展。對路燈而言，已從最初的木桿發(fā)展到現(xiàn)在普遍應(yīng)用的鐵質(zhì)路燈桿，不銹鋼路燈桿和鋁合金路燈桿。早期的木桿雖輕，但由于不耐腐蝕環(huán)境且強度低，已不再采用了。現(xiàn)在普遍應(yīng)用的是金屬桿，主要因為其原料豐富、制備工藝簡單且價格適中，但是金屬桿在實際應(yīng)用中仍存在一些問題，例如質(zhì)量重、耐環(huán)境腐蝕性不佳等。因此，一些研究者著力于對合金進行改性，以期制備出更好的路燈桿合金材料，而另一些研究者則著力于尋求新材料。玻璃纖維復(fù)合材料具有高強度，耐熱，耐低溫，耐腐蝕等優(yōu)良特性，且其來源廣價格低廉，在民用方面已經(jīng)取得了廣泛應(yīng)用。但玻璃纖維的抗形變能力較差，拉伸模量較低，限制了其使用范圍。相比玻璃纖維復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料具有更高的拉伸模量，同時，碳纖維具有密度低，耐高溫性好，抗蠕變好等多種優(yōu)異的物理性能和機械性能，是應(yīng)用于航空、航天、電子等領(lǐng)域重要的結(jié)構(gòu)材料，在輕型化結(jié)構(gòu)中經(jīng)常使用。目前，隨著碳纖維制備工藝的成熟，其產(chǎn)量在近十多年呈百倍的增長，價格顯著降低，這使得碳纖維在民用方面也有了更多的應(yīng)用，例如高爾夫球棒、自行車車架、釣魚竿、羽毛球拍、滑雪板、滑翔機、音響器材等。在綜合考慮工藝可行性、材料性能及其制造成本的前提下，本專利采用碳纖維布和玻璃纖維布制備一種多節(jié)連接式圓筒形多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料桿，可作為新型路燈桿應(yīng)用，也可擴展應(yīng)用于電線桿、廣告牌桿和民用建筑等。哈爾濱工業(yè)大學(xué)張春華等發(fā)明的“玻璃纖維與碳纖維混雜復(fù)合材料錐形管及其制備方法”(申請?zhí)?01310029979.0)是以玻璃纖維和碳纖維混雜制成的三層結(jié)構(gòu)錐形管，是通過不同角度的濕法纏繞長玻璃纖維和長碳纖維制得的一種錐形管，與本發(fā)明的不同之處主要在于材料體系、技術(shù)手段和發(fā)明目的不同。本發(fā)明采用了碳纖維布和玻璃纖維布，充分的利用了二維結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)勢，同時樹脂浸漬液中添加了納米纖維進行增韌，將浸漬后的復(fù)合纖維布卷制成一種筒體為多層結(jié)構(gòu)的厚壁圓筒，再通過連接多節(jié)不同直徑的圓筒，制備出一種新型纖維復(fù)合材料桿。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對現(xiàn)有路燈桿耐環(huán)境腐蝕性差以及密度大的問題，本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)工藝簡單易控，制備材料結(jié)構(gòu)和性能可控、在保持材料高強度、耐高溫、耐低溫和耐腐蝕性的同時，密度較低的復(fù)合材料桿及其制備方法。所制造的桿體具有優(yōu)異的耐環(huán)境腐蝕性、輕質(zhì)以及方便拆裝運輸?shù)膬?yōu)點。本發(fā)明的一種纖維復(fù)合材料桿，所述纖維復(fù)合材料桿為多節(jié)桿；所述多節(jié)桿的節(jié)數(shù)大于等于2；所述纖維復(fù)合材料桿由碳纖維布層(1)、玻璃纖維布層(2)以及均勻分布在碳纖維布層(1)和玻璃纖維布層(2)內(nèi)的納米纖維組成。本發(fā)明的一種纖維復(fù)合材料桿，所述纖維復(fù)合材料桿為多節(jié)中空桿。本發(fā)明的一種纖維復(fù)合材料桿，根據(jù)直徑的大小依次，將多節(jié)桿的每一節(jié)定義為第1節(jié)、第2節(jié)、…….第i節(jié)；所述第1節(jié)的直徑最大。本發(fā)明的一種纖維復(fù)合材料桿，相鄰兩節(jié)通過法蘭連接和/或樹脂粘合。本發(fā)明的一種纖維復(fù)合材料桿，相鄰兩節(jié)通過螺栓連接和/或樹脂粘合。作為優(yōu)選方案，所述纖維復(fù)合材料桿由碳纖維布層(1)、玻璃纖維布層(2)交替卷制而成。本發(fā)明的一種纖維復(fù)合材料桿，所述納米纖維為碳納米纖維和/或碳化硅納米纖維。本發(fā)明的一種纖維復(fù)合材料桿，為多層結(jié)構(gòu)的厚壁圓筒桿。本發(fā)明的一種纖維復(fù)合材料桿的制備方法；包括下述步驟：步驟一、纖維的預(yù)處理將碳纖維布放入丙酮中浸泡后，用去離子水反復(fù)清洗并烘干備用，然后將碳纖維布和玻璃纖維布浸泡在氫氟酸溶液中，對纖維表面進行粗化處理；步驟二、浸漬液的制備將納米纖維、乙醇、活性二氧化硅、無機顏料加入樹脂中，均勻攪拌，制得樹脂浸漬液備用；步驟三、纖維布的疊放與浸漬將單層碳纖維布和單層玻璃纖維布疊放在一起，并浸漬于樹脂浸漬液中；步驟四、纖維布的卷制將浸漬后的單層碳纖維/玻璃纖維復(fù)合布一層層地卷在圓筒形模具的外表面上，直至達到設(shè)定的壁厚；步驟五、固化及脫模將卷制成形后的圓柱桿通過熱處理完成固化，冷卻后將模具抽出，得到單層碳纖維/玻璃纖維復(fù)合布卷制而成的的第1節(jié)桿；所述熱處理的溫度為100-130℃；步驟六、第i節(jié)桿的制備重復(fù)步驟一至五，得到第i節(jié)桿；步驟七、連接將第1節(jié)桿、第2節(jié)桿、…….第i節(jié)桿連接起來；得到成品。本發(fā)明中步驟一中的單層碳纖維布的厚度為0.111-0.167mm，所用原絲數(shù)量為3k-24k，單層玻璃纖維布的厚度為0.1-0.4mm，經(jīng)緯密度為每厘米經(jīng)乘緯為8-24×8-24。本發(fā)明中步驟一中的氫氟酸溶液中氫氟酸濃度為20-35％，浸漬時間為10-40s。本發(fā)明步驟一中，將碳纖維布放入丙酮中浸泡24h后，用去離子水反復(fù)清洗并烘干備用，去除碳纖維表面的有機膠和雜質(zhì)，然后將碳纖維布和玻璃纖維布放入氫氟酸溶液中浸漬10-40s，對纖維表面進行粗化處理。本發(fā)明中步驟二中浸漬液所用樹脂為環(huán)氧樹脂；所述浸漬液中環(huán)氧樹脂的濃度為55-80wt％，乙醇濃度為7-43wt％，納米纖維加入量為1-5wt％，二氧化硅加入量為1-3wt％，無機顏料加入量為為0-5wt％；所述二氧化硅的粒度為1-10微米。本發(fā)明步驟三中疊放順序為碳纖維布疊放在玻璃纖維布上或玻璃纖維布疊放在碳纖維布上，浸漬時間為0.5-5小時。本發(fā)明步驟四中模具的長度為1-8m，外徑為50-200mm；纖維布所卷出的圓筒壁厚為8-50mm。作為優(yōu)選碳纖維布和玻璃纖維布的幅寬與模具長度一致。本發(fā)明步驟五中熱處理工藝的升溫速度為1-5℃/min，最高溫度為100-130℃，在最高溫度的保溫時間為2-5h。作為優(yōu)選，第1節(jié)桿的內(nèi)部孔徑為110-200mm，壁厚為20-50mm。根據(jù)直徑的大小依次，將多節(jié)桿的每一節(jié)定義為第1節(jié)、第2節(jié)、…….第i節(jié)；所述第1節(jié)的直徑最大。直徑最小的一節(jié)桿的內(nèi)部孔徑為50-80mm，壁厚為8-30mm。本發(fā)明的一種纖維復(fù)合材料桿，其應(yīng)用包括將其用作路燈桿，可擴展應(yīng)用到電線桿、廣告牌桿和民用建筑中。當(dāng)縮小內(nèi)部孔徑時，可作為釣魚竿等。當(dāng)卷制成近似實心桿時，也可作為支撐桿件使用。本發(fā)明所開發(fā)的纖維復(fù)合材料桿，其將具有優(yōu)異力學(xué)性能和耐環(huán)境性能的碳纖維布和玻璃纖維布應(yīng)用在多節(jié)桿(尤其是路燈桿)的制造中，賦予桿體結(jié)構(gòu)較好的耐環(huán)境腐蝕性，并且相較于現(xiàn)行的金屬桿，大大的降低了桿體的質(zhì)量，這使得安裝以及后期維護維修變得更加方便，也降低了運輸?shù)某杀荆瑫r因為采用多桿連接的方式，提高了路燈桿體整體的韌性，降低了桿體長度，使得運輸變得更加方便。相比常用的鋼管，本發(fā)明所制備的纖維復(fù)合材料桿，使桿體質(zhì)量減輕65-75％。相比普通的玻璃纖維管，本發(fā)明設(shè)計和制備的纖維復(fù)合材料桿，其質(zhì)量減輕了3-10％，斷裂強度卻提高25-65％。附圖說明圖1是實施例一所制備的路燈桿頂部所用圓筒的示意圖；圖2是實施例一和實施例二所采用的每節(jié)圓筒之間的連接方法示意圖；表1是實施例一、二和對比例一、二的力學(xué)性能。圖1中，1為碳纖維布層、2為玻璃纖維布層。圖2中，3為第i-1節(jié)桿、4為第i節(jié)桿、5為螺栓。表1中，S1、S2、S3和S4分別是實施例一、對比例一、實施例二和對比例二的所用復(fù)合纖維材料的力學(xué)性能測試結(jié)果。具體實施方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明進一步的說明。實施例1：步驟一、纖維表面的預(yù)處理：將厚度為0.111mm的單層碳纖維布1放入丙酮中浸泡24h后，用去離子水反復(fù)清洗并烘干備用，去除碳纖維表面的有機膠和雜質(zhì)，然后將此碳纖維布1和厚度為0.2mm的單層玻璃纖維布2放入濃度為25％的氫氟酸溶液中浸漬30s，對纖維表面進行粗化處理；步驟二、浸漬液的制備：浸漬液中環(huán)氧樹脂的濃度為56wt％、乙醇濃度為40wt％、二氧化硅加入量為2wt％、碳納米纖維加入量為2wt％均勻攪拌，制得樹脂浸漬液備用；二氧化硅的粒度為2微米。步驟三、纖維布的疊放與浸漬：將單層碳纖維布1和單層玻璃纖維布2疊放在一起，碳纖維布1在上，并將纖維布浸漬于樹脂浸漬液中1h；步驟四、纖維布的卷制：將浸漬后的單層碳纖維/玻璃纖維復(fù)合布一層層地卷在圓筒形模具的外表面上，直至達到合適的壁厚，所用模具長度為2.15m，外徑為130mm，卷出的圓筒壁厚為25mm，得到第1節(jié)桿；步驟五、固化及脫模：將卷制成形后的圓柱桿以2℃/min升溫至110℃，并保溫3h，完成固化。冷卻后將模具抽出，得到單層碳纖維/玻璃纖維復(fù)合布卷制成的多層結(jié)構(gòu)的厚壁圓筒；步驟六、第i節(jié)桿的制備：采用相同的工藝，再制備出2根圓筒，在前一根圓筒的內(nèi)徑的基礎(chǔ)上，留出的間隙的尺寸2mm，每一根圓筒的壁厚較前一根減小5mm，最底部的圓筒厚度為15mm；步驟七、連接：將3根圓筒按直徑大小由小至大套在一起，上一節(jié)圓筒3和下一節(jié)圓筒4的重疊部分長度為0.15m，通過螺栓5連接成長度為6m的桿體，得到一根完整的路燈桿。采用與步驟一至五相同的工藝，只是步驟四中的卷制變?yōu)殇亴樱频脺y試樣S1，其常溫抗彎性能和拉伸性能分別按照GB/T3356-2014和GBT3354-2014標(biāo)準(zhǔn)進行，測試結(jié)果取平均值見表1。對比例1：其他條件均與實施例1一致，只是在步驟二的樹脂浸漬液中不加碳納米纖維和二氧化硅，得到一根完整的路燈桿；采用與步驟一至五相同的工藝，只是步驟四中的卷制變?yōu)殇亴樱频脺y試樣S2，其常溫抗彎性能和拉伸性能分別按照GB/T3356-2014和GBT3354-2014標(biāo)準(zhǔn)進行，測試結(jié)果取平均值見表1。實施例2：步驟一、纖維表面的預(yù)處理：將厚度為0.167mm的單層碳纖維布放入丙酮中浸泡24h后，用去離子水反復(fù)清洗并烘干備用，去除碳纖維表面的有機膠和雜質(zhì)，然后將此碳纖維布和厚度為0.4mm的單層玻璃纖維布放入濃度為30％的氫氟酸溶液中浸漬25s，對纖維表面進行粗化處理；步驟二、浸漬液的制備：浸漬液中環(huán)氧樹脂的濃度為65wt％、乙醇濃度為31wt％、二氧化硅加入量為1wt％、碳納米纖維加入量為3wt％，均勻攪拌，制得樹脂浸漬液備用；二氧化硅的粒度為3微米。步驟三、纖維布的疊放與浸漬：將單層碳纖維布和單層玻璃纖維布疊放在一起，玻璃纖維布在上，并將纖維布浸漬于樹脂浸漬液中2h；步驟四、纖維布的卷制：將浸漬后的單層碳纖維/玻璃纖維復(fù)合布一層層地卷在圓筒形模具的外表面上，直至達到合適的壁厚，所用模具長度為4.3m，外徑為110mm，卷出的圓筒壁厚為30mm，得到第1節(jié)桿；步驟五、固化及脫模：將卷制成形后的圓柱桿以3℃/min升溫至120℃，并保溫4h，完成固化。冷卻后將模具抽出，得到單層碳纖維/玻璃纖維復(fù)合布卷制成的多層結(jié)構(gòu)的厚壁圓筒；步驟六、第i節(jié)桿的制備：采用相同的工藝，再制備出1根圓筒，在前一根圓筒的內(nèi)徑的基礎(chǔ)上，留出的間隙的尺寸3mm，圓筒的壁厚較前一根減小10mm，最頂部的圓筒厚度為20mm；步驟七、連接：將2根圓筒按直徑大小由小至大套在一起，上一節(jié)圓筒3和下一節(jié)圓筒4的重疊部分長度為0.3m，通過螺栓5連接成長度為8m的桿體，得到一根完整的路燈桿。采用與步驟一至五相同的工藝，只是步驟四中的卷制變?yōu)殇亴樱频脺y試樣S3，其常溫抗彎性能和拉伸性能分別按照GB/T3356-2014和GBT3354-2014標(biāo)準(zhǔn)進行，測試結(jié)果取平均值見表1。對比例2：其他條件均與實施例2一致，只是在步驟二的樹脂浸漬液中不加碳化硅納米纖維和二氧化硅，得到一根完整的路燈桿；采用與步驟一至五相同的工藝，只是步驟四中的卷制變?yōu)殇亴樱频脺y試樣S4其常溫抗彎性能和拉伸性能分別按照GB/T3356-2014和GBT3354-2014標(biāo)準(zhǔn)進行，測試結(jié)果取平均值見表1。表1試樣彎曲強度/MPa彎曲模量/GPa拉伸強度/MPa拉伸模量/GPaS1109086161497S295775130281S3114389160597S498977132583通過實施例和對比例可以看出，本發(fā)明經(jīng)浸漬液配方與其他工藝參數(shù)的協(xié)同作用，顯著提升了所得產(chǎn)品的性能。當(dāng)前第1頁1 2 3