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(duì)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(qiáng)度低，已不再采用了。現(xiàn)在普遍應(yīng)用的是金屬桿，主要因?yàn)槠湓县S富、制備工藝簡(jiǎn)單且價(jià)格適中，但是金屬桿在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些問(wèn)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(duì)合金進(jìn)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(qiáng)度，耐熱，耐低溫，耐腐蝕等優(yōu)良特性，且其來(lái)源廣價(jià)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(shí)，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(jī)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(zhǎng)，價(jià)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(yú)竿、羽毛球拍、滑雪板、滑翔機(jī)、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(kuò)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(qǐng)?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(guò)不同角度的濕法纏繞長(zhǎng)玻璃纖維和長(zhǎng)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(shì)，同時(shí)樹(shù)脂浸漬液中添加了納米纖維進(jìn)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(guò)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(shí)現(xiàn)要素：針對(duì)現(xiàn)有路燈桿耐環(huán)境腐蝕性差以及密度大的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單易控，制備材料結(jié)構(gòu)和性能可控、在保持材料高強(qiáng)度、耐高溫、耐低溫和耐腐蝕性的同時(shí)，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(yùn)輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)。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(guò)法蘭連接和/或樹(shù)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(guò)螺栓連接和/或樹(shù)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(duì)纖維表面進(jìn)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(wú)機(jī)顏料加入樹(shù)脂中，均勻攪拌，制得樹(shù)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(shù)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(dá)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(guò)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(lái)；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(shí)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(jī)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(duì)纖維表面進(jìn)行粗化處理。本發(fā)明中步驟二中浸漬液所用樹(shù)脂為環(huán)氧樹(shù)脂；所述浸漬液中環(huán)氧樹(shù)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(wú)機(jī)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?yàn)樘祭w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(shí)間為0.5-5小時(shí)。本發(fā)明步驟四中模具的長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)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(kuò)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(shí)，可作為釣魚(yú)竿等。當(dāng)卷制成近似實(shí)心桿時(shí)，也可作為支撐桿件使用。本發(fā)明所開(kāi)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(hù)維修變得更加方便，也降低了運(yùn)輸?shù)某杀?，同時(shí)因?yàn)椴捎枚鄺U連接的方式，提高了路燈桿體整體的韌性，降低了桿體長(zhǎng)度，使得運(yùn)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(jì)和制備的纖維復(fù)合材料桿，其質(zhì)量減輕了3-10％，斷裂強(qiáng)度卻提高25-65％。附圖說(shuō)明圖1是實(shí)施例一所制備的路燈桿頂部所用圓筒的示意圖；圖2是實(shí)施例一和實(shí)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(shí)施例一、二和對(duì)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(shí)施例一、對(duì)比例一、實(shí)施例二和對(duì)比例二的所用復(fù)合纖維材料的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步的說(shuō)明。實(shí)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(jī)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(duì)纖維表面進(jìn)行粗化處理；步驟二、浸漬液的制備：浸漬液中環(huán)氧樹(shù)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(shù)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(shù)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(dá)到合適的壁厚，所用模具長(zhǎng)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(zhǎng)度為0.15m，通過(guò)螺栓5連接成長(zhǎng)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?，制得測(cè)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(jìn)行，測(cè)試結(jié)果取平均值見(jiàn)表1。對(duì)比例1：其他條件均與實(shí)施例1一致，只是在步驟二的樹(shù)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(cè)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(jìn)行，測(cè)試結(jié)果取平均值見(jiàn)表1。實(shí)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(jī)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(duì)纖維表面進(jìn)行粗化處理；步驟二、浸漬液的制備：浸漬液中環(huán)氧樹(shù)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(shù)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(shù)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(dá)到合適的壁厚，所用模具長(zhǎng)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(zhǎng)度為0.3m，通過(guò)螺栓5連接成長(zhǎng)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?，制得測(cè)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(jìn)行，測(cè)試結(jié)果取平均值見(jiàn)表1。對(duì)比例2：其他條件均與實(shí)施例2一致，只是在步驟二的樹(shù)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(cè)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(jìn)行，測(cè)試結(jié)果取平均值見(jiàn)表1。表1試樣彎曲強(qiáng)度/MPa彎曲模量/GPa拉伸強(qiáng)度/MPa拉伸模量/GPaS1109086161497S295775130281S3114389160597S498977132583通過(guò)實(shí)施例和對(duì)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(yè)1 2 3