一种纤维复合材料杆及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种纤维复合材料杆及其制备方法和应用，主要涉及含一种碳纤维布和玻璃纤维布的复合材料杆及其制备方法和应用。其制备方法包括：步骤一、纤维表面的预处理；步骤二、浸渍液的制备；步骤三、纤维布的叠放与浸渍；步骤四、纤维布的卷制；步骤五、固化及脱模；步骤六、第i节杆的制备；步骤七、连接；经过这七个步骤可得到一根完整的复合杆。本发明专利技术的生产工艺简单易控，所制备的杆体具有优良的力学性能和耐环境腐蚀性，同时杆体的质量大幅度减轻，这使得运输、安装以及后期维护维修变得更加方便且成本降低，本发明专利技术可应用于路灯杆、电线杆、广告牌杆、民用建筑等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种纤维复合材料杆及其制备方法和应用，主要涉及含一种碳纤维布和玻璃纤维布的复合材料杆及其制备方法和应用。
技术介绍
随着市政建设的发展，市政设施也得到了较好的发展。对路灯而言，已从最初的木杆发展到现在普遍应用的铁质路灯杆，不锈钢路灯杆和铝合金路灯杆。早期的木杆虽轻，但由于不耐腐蚀环境且强度低，已不再采用了。现在普遍应用的是金属杆，主要因为其原料丰富、制备工艺简单且价格适中，但是金属杆在实际应用中仍存在一些问题，例如质量重、耐环境腐蚀性不佳等。因此，一些研究者着力于对合金进行改性，以期制备出更好的路灯杆合金材料，而另一些研究者则着力于寻求新材料。玻璃纤维复合材料具有高强度，耐热，耐低温，耐腐蚀等优良特性，且其来源广价格低廉，在民用方面已经取得了广泛应用。但玻璃纤维的抗形变能力较差，拉伸模量较低，限制了其使用范围。相比玻璃纤维复合材料，碳纤维复合材料具有更高的拉伸模量，同时，碳纤维具有密度低，耐高温性好，抗蠕变好等多种优异的物理性能和机械性能，是应用于航空、航天、电子等领域重要的结构材料，在轻型化结构中经常使用。目前，随着碳纤维制备工艺的成熟，其产量在近十多年呈百倍的增长，价格显著降低，这使得碳纤维在民用方面也有了更多的应用，例如高尔夫球棒、自行车车架、钓鱼竿、羽毛球拍、滑雪板、滑翔机、音响器材等。在综合考虑工艺可行性、材料性能及其制造成本的前提下，本专利采用碳纤维布和玻璃纤维布制备一种多节连接式圆筒形多层结构复合材料杆，可作为新型路灯杆应用，也可扩展应用于电线杆、广告牌杆和民用建筑等。哈尔滨工业大学张春华等专利技术的“玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料锥形管及其制备方法”(申请号201310029979.0)是以玻璃纤维和碳纤维混杂制成的三层结构锥形管，是通过不同角度的湿法缠绕长玻璃纤维和长碳纤维制得的一种锥形管，与本专利技术的不同之处主要在于材料体系、技术手段和专利技术目的不同。本专利技术采用了碳纤维布和玻璃纤维布，充分的利用了二维结构的性能优势，同时树脂浸渍液中添加了纳米纤维进行增韧，将浸渍后的复合纤维布卷制成一种筒体为多层结构的厚壁圆筒，再通过连接多节不同直径的圆筒，制备出一种新型纤维复合材料杆。
技术实现思路
针对现有路灯杆耐环境腐蚀性差以及密度大的问题，本专利技术提供了一种生产工艺简单易控，制备材料结构和性能可控、在保持材料高强度、耐高温、耐低温和耐腐蚀性的同时，密度较低的复合材料杆及其制备方法。所制造的杆体具有优异的耐环境腐蚀性、轻质以及方便拆装运输的优点。本专利技术的一种纤维复合材料杆，所述纤维复合材料杆为多节杆；所述多节杆的节数大于等于2；所述纤维复合材料杆由碳纤维布层(1)、玻璃纤维布层(2)以及均匀分布在碳纤维布层(1)和玻璃纤维布层(2)内的纳米纤维组成。本专利技术的一种纤维复合材料杆，所述纤维复合材料杆为多节中空杆。本专利技术的一种纤维复合材料杆，根据直径的大小依次，将多节杆的每一节定义为第1节、第2节、…….第i节；所述第1节的直径最大。本专利技术的一种纤维复合材料杆，相邻两节通过法兰连接和/或树脂粘合。本专利技术的一种纤维复合材料杆，相邻两节通过螺栓连接和/或树脂粘合。作为优选方案，所述纤维复合材料杆由碳纤维布层(1)、玻璃纤维布层(2)交替卷制而成。本专利技术的一种纤维复合材料杆，所述纳米纤维为碳纳米纤维和/或碳化硅纳米纤维。本专利技术的一种纤维复合材料杆，为多层结构的厚壁圆筒杆。本专利技术的一种纤维复合材料杆的制备方法；包括下述步骤：步骤一、纤维的预处理将碳纤维布放入丙酮中浸泡后，用去离子水反复清洗并烘干备用，然后将碳纤维布和玻璃纤维布浸泡在氢氟酸溶液中，对纤维表面进行粗化处理；步骤二、浸渍液的制备将纳米纤维、乙醇、活性二氧化硅、无机颜料加入树脂中，均匀搅拌，制得树脂浸渍液备用；步骤三、纤维布的叠放与浸渍将单层碳纤维布和单层玻璃纤维布叠放在一起，并浸渍于树脂浸渍液中；步骤四、纤维布的卷制将浸渍后的单层碳纤维/玻璃纤维复合布一层层地卷在圆筒形模具的外表面上，直至达到设定的壁厚；步骤五、固化及脱模将卷制成形后的圆柱杆通过热处理完成固化，冷却后将模具抽出，得到单层碳纤维/玻璃纤维复合布卷制而成的的第1节杆；所述热处理的温度为100-130℃；步骤六、第i节杆的制备重复步骤一至五，得到第i节杆；步骤七、连接将第1节杆、第2节杆、…….第i节杆连接起来；得到成品。本专利技术中步骤一中的单层碳纤维布的厚度为0.111-0.167mm，所用原丝数量为3k-24k，单层玻璃纤维布的厚度为0.1-0.4mm，经纬密度为每厘米经乘纬为8-24×8-24。本专利技术中步骤一中的氢氟酸溶液中氢氟酸浓度为20-35％，浸渍时间为10-40s。本专利技术步骤一中，将碳纤维布放入丙酮中浸泡24h后，用去离子水反复清洗并烘干备用，去除碳纤维表面的有机胶和杂质，然后将碳纤维布和玻璃纤维布放入氢氟酸溶液中浸渍10-40s，对纤维表面进行粗化处理。本专利技术中步骤二中浸渍液所用树脂为环氧树脂；所述浸渍液中环氧树脂的浓度为55-80wt％，乙醇浓度为7-43wt％，纳米纤维加入量为1-5wt％，二氧化硅加入量为1-3wt％，无机颜料加入量为为0-5wt％；所述二氧化硅的粒度为1-10微米。本专利技术步骤三中叠放顺序为碳纤维布叠放在玻璃纤维布上或玻璃纤维布叠放在碳纤维布上，浸渍时间为0.5-5小时。本专利技术步骤四中模具的长度为1-8m，外径为50-200mm；纤维布所卷出的圆筒壁厚为8-50mm。作为优选碳纤维布和玻璃纤维布的幅宽与模具长度一致。本专利技术步骤五中热处理工艺的升温速度为1-5℃/min，最高温度为100-130℃，在最高温度的保温时间为2-5h。作为优选，第1节杆的内部孔径为110-200mm，壁厚为20-50mm。根据直径的大小依次，将多节杆的每一节定义为第1节、第2节、…….第i节；所述第1节的直径最大。直径最小的一节杆的内部孔径为50-80mm，壁厚为8-30mm。本专利技术的一种纤维复合材料杆，其应用包括将其用作路灯杆，可扩展应用到电线杆、广告牌杆和民用建筑中。当缩小内部孔径时，可作为钓鱼竿等。当卷制成近似实心杆时，也可作为支撑杆件使用。本专利技术所开发的纤维复合材料杆，其将具有优异力学性能和耐环境性能的碳纤维布和玻璃纤维布应用在多节杆(尤其是路灯杆)的制造中，赋予杆体结构较好的耐环境腐蚀性，并且相较于现行的金属杆，大大的降低了杆体的质量，这使得安装以及后期维护维修变得更加方便，也降低了运输的成本，同时因为采用多杆连接的方式，提高了路灯杆体整体的韧性，降低了杆体长度，使得运输变得更加方便。相比常用的钢管，本专利技术所制备的纤维复合材料杆，使杆体质量减轻65-75％。相比普通的玻璃纤维管，本专利技术设计和制备的纤维复合材料杆，其质量减轻了3-10％，断裂强度却提高25-65％。附图说明图1是实施例一所制备的路灯杆顶部所用圆筒的示意图；图2是实施例一和实施例二所采用的每节圆筒之间的连接方法示意图；表1是实施例一、二和对比例一、二的力学性能。图1中，1为碳纤维布层、2为玻璃纤维布层。图2中，3为第i-1节杆、4为第i节杆、5为螺栓。表1中，S1、S2、S3和S4分别是实施例一、对比例一、实施例二和对比例二的所用复合纤维材料的力学性能测试结果。具体实施方式下面结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纤维复合材料杆，其特征在于：所述纤维复合材料杆为多节杆；所述多节杆的节数大于等于2；所述纤维复合材料杆由碳纤维布层(1)、玻璃纤维布层(2)以及均匀分布在碳纤维布层(1)和玻璃纤维布层(2)内的纳米纤维组成。

【技术特征摘要】
1.一种纤维复合材料杆，其特征在于：所述纤维复合材料杆为多节杆；所述多节杆的节数大于等于2；所述纤维复合材料杆由碳纤维布层(1)、玻璃纤维布层(2)以及均匀分布在碳纤维布层(1)和玻璃纤维布层(2)内的纳米纤维组成。2.根据权利要求1所述的一种纤维复合材料杆，其特征在于：所述纤维复合材料杆为多节中空杆；根据直径的大小依次将多节杆的每一节定义为第1节、第2节、第i节；所述第1节的直径最大。3.根据权利要求1所述的一种纤维复合材料杆，其特征在于：所述纤维复合材料杆由碳纤维布层(1)、玻璃纤维布层(2)交替卷制而成。4.根据权利要求1所述的一种纤维复合材料杆，其特征在于：所述纳米纤维为碳纳米纤维和/或碳化硅纳米纤维。5.一种制备如权利要求1-4任意一项所述纤维复合材料杆的方法；其特征在于包括下述步骤：步骤一、纤维的预处理将碳纤维布放入丙酮中浸泡后，用去离子水反复清洗并烘干备用，然后将碳纤维布和玻璃纤维布浸泡在氢氟酸溶液中，对纤维表面进行粗化处理；步骤二、浸渍液的制备将纳米纤维、乙醇、活性二氧化硅、无机颜料加入树脂中，均匀搅拌，制得树脂浸渍液备用；步骤三、纤维布的叠放与浸渍将单层碳纤维布和单层玻璃纤维布叠放在一起，并浸渍于树脂浸渍液中；步骤四、纤维布的卷制将浸渍后的单层碳纤维/玻璃纤维复合布一层层地卷在圆筒形模具的外表面上，直至达到设定的壁厚；步骤五、固化及脱模将卷制成形后的圆柱杆通过热处理完成固化，冷却后将模具抽出，得到单层碳纤维/玻璃纤维复合布卷制而成的的第1节杆；所述热处理的温度为100-130℃；步骤六、第i节杆的制备重复步骤一至五，得到第i节杆；步骤七、连接将第1节...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶梓涵，王依晨，肖世同，李专，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43