一種新型碳纖維復合材料繩索的研制

1、維晉資訊 科研開發(fā)化工科 tt.20Q2,10(4>i6-8SCIENCE & TECHNOLOGY JM CHEMICAL INDUSTRY一種新型碳纖維復合材料繩索的研制*劉建軍*王延和王成國，朱渡.崔金祎（山東丸學 南校區(qū)材料學院山東 洗南 550061M 豪：峽*1維篁舎材+蠅索具有晝童輕、比就履髙、比曙量髙等優(yōu)拝性能口筆著瑕耳札枷脂E31、 甲基ajAXH（ METHPA）叔駐基< DMP - 30和活社增韌劑6350組咸.的憂脂休承基陣樹脂"說 啜幷維曲増冬材料*儀聚氨曲的保護/屋*黒用獨特的制幔工若，制就了高41畑的琥幷卓愛合林卅無索。關詞：曦評牟&

2、#165;環(huán)航姻脂匸廉合好料巍倉；索氨BS中BB分類號：T< 342.742文就標識碼：A文章 18 號:1008-0511 ( 202 )04*0006-03碳纖維及其宣合材料具有一系列的優(yōu)異性 能，如高比強度、高比模量、耐腐燭、耐挾勞、抗蠕 變、導電、傳熱、熱膨脹系數(shù)小等。碳纖維及其愛 合材料既可作為結構材料承擔載荷，又可作為功 能材料發(fā)揮作用甘前幾乎殺有什么材料具有這 樣事方面的特性。同時碳纖維具有紡織纖維 的柔軟可編性，根據碳纖維的這一特性，可以開發(fā) 新型高性能的碳纖維繩索制品。碳纖維繩不僅重量輕，比強度、比模量高而 且耐腐燭在高溫和低溫環(huán)境中線膨脹系數(shù)小，性 能穩(wěn)定而柔軟。具有

3、傳統(tǒng)繩索（天然纖維、有機纖 維、無機纖維和鋼絲繩等）無可比擬的優(yōu)越性。碳 纖維繩索可以用于以下幾個方面：支持（撐）性纜 疑如大跨度斜拉橋纜繩；増強混凝土，如海洋工 程混瞬土；艦船、海上作業(yè)船用纜繩；游艇支寢匸登 山用繩索等。碳紆維復合材料繩索首先在H本面世，由H 本東京制繩公司和東邦人造絲公司聯(lián)合開發(fā)成 功巧-到目前為止*國內尚無碳纖維復合材料 繩索的研制報道。由于碳纖維只有與特定樹脂復 合后其優(yōu)異性能才能發(fā)揮出來.必須選擇合適的 基體樹脂將碳纖維加工成復合材料的形式即碳 纖維復合材料繩霜才能使用。因此碳纖維復合 材料繩索的制邀方法遠比傳統(tǒng)繩索毘雜，不能采索必須報據碳纖維自身的特點”采用專用設

4、備和 工藝。1 試驗部分1 J 主要原材料碳纖維（TC12K35，臺灣臺塑公司生產；環(huán) 氧樹脂（E51）p_t海樹脂廠生產；甲基四氫苯軒 （METHPA）t±i海樹脂廠提供；促進劑（DMF - 30） t±梅樹脂廠生產；瑋韌劑6350, ±海樹脂廠 生產;Ugo45乳液，上海迪斯曼公司提供口1 .2試驗設備JN-1型加捻機;HG-3型合股機*浸膠和固化 設備為囪制。1.3試驗方法試驗采用如下流程： 配膠一浸膠、預固化一加捻一固化 涂敷處理一合股1+4性縫測試碳纖維復合材料繩索的線密度、直徑、捻距r 忡長率和斷裂強力等性能指標，參照GB8S34-88 繩索有關物理和

5、機械性能的測定的規(guī)定進行測試所用儀器包括InstronH21萬能材料試 驗機分析天平等*用傳統(tǒng)的制繩設備和工藝制造碳纖維復合材料繩2分析與討論«EffiHffi：2OO2-01-O4帯者簡介；劉建軍（1968 -人刃（漢族）山東大學材料學 院拄讀碩士 現(xiàn)主要進行球纖堆原登及后續(xù)產品的研究 開覽“*舊金硒目：山東省科委責助項目（9SL17500l）o2.1基體樹脂的選擇及配方的礎定因為碳纖維本身是一種碳材料有其本身固維晉資訊 劉理軍.等.一種新型碳紓維並合材料繩當?shù)难兄萍訏瓿潭華tifn1) 加熔理度與遅度利用痺的去系* 7 '100806040有的缺點即脆性兀，不耐屈撓+碳纖

6、維雖有一定 的可編性.但沒有常規(guī)纖維的柔韌性，這就使得碳 纖堆在制繩和使用過程中易造成局部插傷乜所 以.必須肯先選擇一種合適的基體樹脂、使基體樹 脂在編繩過程中通過覩漬、固化等工序與碳纖維 牢固結合并最終對碳纖維起到抱合作用和保護 作用*使碳纖維優(yōu)異的力學性能充分發(fā)揮心來*試驗中采用低粘度環(huán)氧樹脂E5I為樹脂基 體，甲基四氫苯F( METHPA為固化劑，三叔胺 基苯酹DMP-30為固北促進劑"選用帶環(huán)氧基團 的祜性增韌劑石350來堆加基體樹脂的柔期性口 配方的評價指標雄所制繩索的拉忡強度、柔韌性 和耐溫性具博配方參照正交試驗方法由實臉確 定叫2.2 基體樹脂與碳纖維體積比的確定基滋樹

7、脂只有充分洼潤碳纖維才能實現(xiàn)對 碳纖維的抱合件用和保護作用。蔭驗發(fā)現(xiàn)*基體 樹脂用:&少于30%時，樹脂不能有效浸潤碳纖 維碳纖維的拉伸強度不能有效發(fā)揮*參見圖h 同時在該條件下繩索的加工工藝性差*囲為繩胚 通過拉擠口膜時阻力很大?；w樹脂用量大于 30滋時，纖維的強度利用率可達90%W±o結合 加工工藝要求*繩索中基體樹脂的體積分數(shù)控制 在3石帰效果最理想。J11* i.l121824303642樹脂津積分數(shù)/喘圖1驀體銅應含與確度利用率的關系1007550251噪、即匱莊一IS52.3 加捻、合股參數(shù)的確定由于碳纖維具有高摸量特點，如果在制繩過 程中纖維排布不和理.造成使

8、用時纖維整體或局 部受力偏離毘桂狀態(tài)，使得纖維強度利用率祗*甚 至逍成局部失效引發(fā)箍體失效的事故口為了制備 高質塑的碳纖維復合材料繩漏，必須選擇適宜的 加捻、合股工藝參數(shù)，深人研究不同纖維排布方式 對纖維強度利用率的影晌*最大限度的提高纖維 強度利用率©圖2為加捻程度與強度利用率的關系由圖 2可見*在加捻操作中+捻數(shù)控制在15n/m,強度圖3為合股傾斜度與強度利用率的關系圖 其中傾轉角。為單股繩坯與繩索軸向的夾角， 竹廚定義為合股傾斜度心由陽3可見，合股操作 中合股傾斜度控制在4,5左右最佳*纖維強度利 用率可達93% o3456巻JE幢斜度"打0圖3合股兩弭度與強度利用率

9、的餐察2+4 涂敷處理対碳繩的保護作用未經Lag(>45乳液處理的繩索在使用過程中 有明顯的起毛現(xiàn)象發(fā)生，而經Lago45乳液處理 后，繩索起毛現(xiàn)象不明顯。原因莊于Lago45乳液 的固形物為聚氨酯材料繩索脛"站45乳液處理 后，在舒維束表面形成一層柔韌的保護膜，可以避 免纖維束之間相互摩擦磨損從而增強了碳繩的 耐曲繞能力"2.5碳繩與鋼絲繩力學性能的比較表1為碳纖維復合材料繩與結構和直徑相差 不多的鋼絲繩的性能比較*從中不難發(fā)現(xiàn)碳繩的 優(yōu)越性。礁纖維復合材料繩的亶盤還不到鋼絲繩 的四分之一.前者比后者輕得塞，使用時省力Q并 且前昔易于彎曲便于作業(yè)，后若僵硬操作困難&

10、quot; 礙纖維復合材料繩具有優(yōu)異的使用性能口«1 建坪議鬣舍豺倒翼與命世性建比笛性能碳堀 12Kx 9*1鋼建繩斷型負荷/N2 6403 073竝忡彊度1 1601 350斷裂伸怏/帝L .606.40師氏Wtt/GPa215197單&W#/(s «41182維晉資訊 化工科技維晉資訊 維晉資訊 2方 饌繩的應力應變特性由圖4可見，碳纖維復合材料繩的應力-應變 曲線為一直線，直至斷裂，中間沒有屈服點，因此* 在多次重夏使用時、不會有殘余應變現(xiàn)象的發(fā)生。伸罠率/釋S4 Ct荷”伸悵曲域（1 ）由環(huán)氧樹脂E51 ,甲基四氫苯肝 （MElTHPA）.三叔胺基苯酚U M

11、 P-30和活性增栩 劑6350組成的樹脂體系.能夠滿足作為碳纖維星 合材料繩索基體樹脂的要求。（2）繩索中基陣樹脂的體積分數(shù)控制在36% 左右效果毘佳。（3）在加捻操作中加捻數(shù)控制在15 n/mT合 股操作中傾料度控制在4.5左右，可使纖維強度 綜合利用率達到87%o（4）Laeo45乳液處理加捻后的纖維束，可以 有效的保護碳纖維.避免纖維束之間相互摩擦磨 損，并增強碳纖維宣合材料繩索的耐曲繞能力。（參考文獻LJ 賈植.王茂蕈點纖墜壓其理合材料M.北京：科樺出腿 社.1995.306-3092 Honda+d«uu«d卸 aLUSP：4 的小 1取3 M«tBu

12、da,et al, USPi5 060 466.4 陳平，劉Ift平.環(huán)京：代學工業(yè)出版壯.2000.15 - L L7.維晉資訊 維晉資訊 DEVELOPMENT OF NEW TYPE CARBON FIBER COPOSMITE ROPELIU Jian-junt WANG Yan-xiang, W A NG Cheng-guo tZH U BotCUl Jin yi(GjM昭e of Mt Shandun L:nibertiiy t Ji! nan 25006 , Chinn )Abstract： In this paper*a new type of rope 詁 manufactu

13、red, which is made up of carbon fiber reinforcing epoxy rnsins composite and coated with polyurethane emulsion . The relation of the strength-utilizing effieienuy fin(l the twisting degree of the primarily-twisted product and the secondarily-t wisted product is also discussed in this paper » Th

14、e product has a Lot of high qualities such as light weight T high tensile strength T high modulus and low Linear expanding cofficent in high temperatun; and low Lcrnperature t it will replace the traditionaJ rope in th也 future， Key wonls： Carbon fiber； EpaKy ivsins； Compete rope； Polyurethane維晉資訊 維晉資訊 吉化研究試驗廠異丁烯生產裝置護產成功吉化研究試驗廠不斷加大科技攻關力度，切 實解決制約生產的我瓶頸*問題，他們利用年度大 檢修的時機，對異丁晞生產裝置進行了工藝改造, 使年生產能力由2 000t提髙到3