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长玻纤筋代换钢筋的BMC高分子复合材料窨井盖项目试制总结报告
编辑:扬州科胜玻璃纤维机械设备有限公司  时间:2016-02-29

 

长玻纤筋代换钢筋的bmc高分子复合材料窨井盖项目试制总结报告

 

 检查井是通往地下设施如自来水、排水、电信、电力、燃气、热力、消防、环境卫生等设施的出入口,检查井盖是检查井口可开启的封闭物,由支座和井盖组成,是市政建设中必不可少的设施。长期以来,我国一直使用铸铁检查井盖,近几年来,全国各地经常发生铸铁检查井盖被盗事件,这不仅给市政部门造成巨大的经济损失,而且给行人和车辆带来了极大的危害,多次发生伤亡事故,市民和社会舆论要求采取检查井盖防盗措施的呼声越来越高,既引起了各级政府主管部门的高度重视,也引起了有关企业研制新型材料检查井盖的兴趣。目前市场上已出现了多种利用非金属材料制成无回收价值的新型模压检查井盖,如超高分子量聚乙烯复合材料,菱镁复合材料,复合玻璃钢,高强度复合材料等给排水井盖、井座(统称检查井盖)的生产和应用近年来得到广泛重视,可大幅度降低因为被盗丢失引起的安全事故,但是目前市场上检查井盖、水箅的质量参差不齐,严重影响了非铁材料制造的检查井盖、水箅的制造和推广应用,采用新材料和新工艺制备高性能检查井盖和水箅得到广泛重视。采用长玻纤筋替换钢筋的bmc模塑料制造新型检查井盖是这一领域的重要研究方向。

  我国bmc的研制起于70年代初,目前我国玻璃钢发展水平与世界发达国家差距还较大,手糊工艺仍占主导地位。bmc在各种成型工艺中的比例仅占9%,产量微乎其微。总的来说,bmc产品品种较少、产量不大、质量也参差不齐,这与我国的原材料不能很好配套、工艺水平较低有很大的关系,致使bmc在中国的发展比较缓慢。因此大力加强bmc新产品的开发是当务之急。

  本项目在广泛调研的基础上,与国内相关领域研究部门密切合作,开发了不饱和聚酯复合增强新技术,研制高性能bmc模塑料,并用于高性能检查井盖、水箅的制造。产品具有技术含量高、工艺稳定、成本较低、承载能力强,底盖吻合严密、耐磨、耐腐蚀、结构轻便,式样美观,自重轻,容易安装的特点,而且无回收价值。

  我们与有关高校和研究单位合作,通过网上技术市场向全国招标,与武汉理工大学合作于2009年5月开始,开展了长玻纤增强高强度模塑料(bmc)检查井盖的研制,目前产品已通过国家建筑工程质量监督检测中心检验,达到项目任务书要求,产品已在省内外相关工程应用。

  一、项目研究概况及主要技术内容

  本项目根据复合材料增强的新原理,采用组合增强新技术研制了缠绕高性能团状模塑料(bmc),并成功地应用于给排水井盖、井座、水箅和护树板的制造。

  主要技术内容:在聚合物中添加填料改善材料性能是复合材料重要的方法,作为一般规律:纤维状填料材料能有效提高拉伸强度(在填料与基体树脂具有良好粘结性能的前提下);玻纤网状填料筋提高材料的刚性,但与填料的长径比或宽厚比密切相关;如果在多组分混合体系中存在具有多种形态结构的填料,形成所谓的杂化结构则可形成多重增强作用。本项目产品采用球形筋料、网状筋料、宏观短纤维填料、纤维软丝增强材料等四种性质、结构、模量不同的增强材料改性不饱和聚酯。通过组合改性技术实现了不饱和聚酯的增强,同时采用自行研制的高表面活性弹性体微粉作为防收缩剂和增韧剂,得到了复合材料检查井盖专用bmc模塑料,经过在一定温度下高压模压工艺制造高性能检查井盖、井座、水箅和护树板。

  (一)、本课题根据产品的技术和应用要求,开展了以下几方面的研究,攻克了目前高强度模塑料bmc制备过程中关键的技术难关:

  a.bmc模塑料的新型增稠体系选择和增稠稳定性研究。与有关单位合作,通过连续检测树脂糊粘度对mgo、mg(oh)2、ca(oh)2与叶腊石、licl、cao的复合系统的增稠进行了全面研究,首次使用了有机叶腊石(os)作为ca(oh)2的增稠促进剂。结果表明,叶腊石对ca(oh)2的增稠具有显著的协同促进作用,获得了初期增稠较慢,中期较快,后期较稳定的复合增稠剂系统,即ca(oh)2—os—licl系统。

  b.纤维增强料的筛选和匹配。增强筋是bmc重要的组成部分,是赋予模压制品高强度的关键,项目研究人员从材料设计方面着手,采用球形筋料、网状筋料、宏观短纤维填料、纤维软丝增强材料等四种性质、结构、模量不同的增强材料改性不饱和聚酯。通过组合改性技术实现了不饱和聚酯的增强,同时采用自行研制的高表面活性弹性体微粉作为防收缩剂和增韧剂,得到了复合材料检查井盖专用bmc模塑料,突破了基体树脂与增强材料的界面相容性问题,通过预处理改性提高了纤维与树脂的界面作用力,获得了性能优异的bmc模塑料。

  c.低成本防收缩剂和增韧剂的研制。目前bmc模塑料采用的防收缩剂主要有聚苯乙烯(ps)、聚醋酸乙烯酯(pvac)和聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)作防收缩剂,但大都存在与不饱和树脂基体相容性差的问题,而且成本高,用量难以控制的问题,采用本公司研制的高表面活性弹性体微粉,既克服了制品的收缩大问题,又实现了bmc的增韧,降低制品成本,简化了操作工艺,提高制品的稳定性。

  d.bmc模塑料模压工艺的研究和优化。通过以上技术措施制备bmc模塑料是本项目的创新,本项目研究了模压温度、压力、模具形状、bmc厚度等因素对模压制品力学性能的影响,获得了相对温度的工艺条件。

  e.bmc检查井盖和相关产品的研制。研究了不用钢筋增强的检查井盖的制造工艺和力学性能的关系,为通过bmc制备高性能给排水井盖、井座、水箅和护树板的制造提供可行的工艺参数。

  (二)、bmc制备

  1、树脂糊的制备及上糊操作:

  树脂糊的制备—1号装置由以下几步分组成

  1-带卸料头的旋转供料器;2- 预混合供料器;3- 带搅拌器的下料斗; 4- 脉动料斗;5- 带式混合器;6- 线内混合器;7- 树脂及引发剂泵;8- 引发剂贮箱;9- 泵;10- 冷却器

  树脂糊的各组分在进入双镙杆捏合机之前,须预先进行计量和充分混合,然后成为一种糊状混合物--树脂糊形成付诸使用。

  2、粗纱的切割与沉降:

  粗纱的切割器位于机组的上部,整个切割沉降过程在一密闭的空间进行。切割器一般采用三辊式结构。切割器刀辊上的刀片间距要均匀,并且延芯轴长度交错安置,以便减少在切割器运转过程中的冲击震动,刀片一般采用机械法紧固。

  3、浸渍与捏合:

  在捏合机中,浸渍、绞拌、混合的主要作用是在双镙杆刀的揉捏作用下,使纤维为树脂所浸透,驱赶气泡,使团材拌成均匀。为此,在设备上使团材从这些镙杆辊的上部、下部及四周通过,当其通过这种"滚动"路程,团料受到拌和,延伸作用而完成浸渍。

  4、熟化与存放:

  当bmc团料从捏合机卸下后,一般经过一定的熟化期。当其粘度达到模压粘度范围并稳定后,才能交付成型使用。

  (三)、bmc的模压制造检查井盖

  团状模塑料的成型,目前主要采用金属对模的压制成型法。其工艺过程简单,只要将合乎要求的bmc料材计量成所需的制品重量,按一定要求辅设放置在模具的适当位置上,即可按规定的工艺参数加温加压成型。但是,若要模制出高质量的制品,就必须使用合适的压机和模具,严格控制工艺条件(如加料方式、成型温度、压力和保温时间等)。

  1、性能测试

  承载力试验: 承载能力是反映新型模压检查井盖承载强度的重要指标,主要通过对成套新型模压检查井盖进行加载试验后,测量新型模压检查井盖的变形量来确定其承载能力。井盖生产出来后,需首先对其承载力进行检查,以决定其适应于重型或轻型。检查井盖应按成套产品进行承载能力试验。加载设备所的荷载不小于500kn,其台面尺寸必须大于检查井盖支座最外缘尺寸,加载试验装置如图。刚性垫块尺寸应为,直径365 mm,厚度等于或大于40 mm,上下表面平整,橡胶垫片放置在刚性垫块与井盖之间,垫片的平面尺寸应与刚性垫块相同,垫片厚度就为6-10 mm。调整刚性垫块的位置,使其中心与井盖的几何中心重合试压直至试样破坏。加荷采用分级加载,最大裂缝宽度达0.2mm以前的加荷级差为500kg,最大裂缝宽度超过0.2mm以后,加荷级差为1000kg。记录压力电子秤和百分表在每级加荷时的读数。并在每级5~10min 的加荷间隙时间内,仔细观察并记录板底裂缝情况其加载试验装置见下图所示。

  根据新型模压检查井盖的使用场合不同,可对新型模压检查井盖的承载能力进行分级。其各等级的承载能力指标值采用公司企业标准《bmc高分子复合材料检查井盖》cj/t211—2005聚合物基复合材料检查井盖、cj/t212—2005聚合物基复合材料水箅,并参照cj/t 3102——1993《铸铁检查井盖》(表2)和cj/t121—2000《再生树脂复合材料检查井盖》的规定并对样品的实际检测结果进行权衡后确定。

  2、bmc的模压制品微观形貌研究

  采用扫描电子显微镜对bmc模压件断面进行观察,将材料断面经喷金处理, 利用扫描电子显微镜(sem) 技术进行分析,扫描加速电压为15 kv。

  3、树脂糊粘度测定

  采用旋转粘度计测定增稠剂对树脂糊粘度的影响。

  二、攻克关键技术采取的技术措施

根据产品的技术和应用要求,这个项目的复合材料检查井盖专用长玻纤筋bmc模塑料,经过在一定温度下高压模压工艺制造高性能检查井盖、井座、水箅和护树板。已做了以下几方面的改进,攻克了目前高强度模塑料bmc制备过程中关键的技术有:

一)、井圈、井盖、水箅的外型受力结构做了三点改进:1、井圈挖空结构,该结构在减轻井圈重量、节约bmc复合料的基础上,使井圈在地面更牢固不易侧翻、更容易跟混凝土沾合。2、井盖面和底部加强筋采用弧形度结构设计,该结构设计使井盖中心受力点更容易向四周扩散,跟平式井盖相比,弧形度的井盖其强度和弹性增加了三分之一的力度。3、结构中边圈加软丝、加强筋加密设计,使井盖边圈抗磨性能提高了2 倍。

二)、能缠绕长玻纤替换钢筋的新工艺,主要在以下两点有明显改变;1、改变了bmc模塑料配方中的脱模剂与钢筋不能聚合的工艺技术问题,用长玻纤筋与bmc模塑料更容易聚合。同时长玻纤筋的粗细、叠合层数和玻纤筋的涨力、弧形度很容易控制。2、节约了生产投资成本,产品的性价比更具竞争力。以重型∮700井盖为例:原标准重型∮700bmc钢筋井盖重量72公斤,钢筋重量在25公斤,并经切割、弯管、焊接工艺,每公斤成本在5元左右,一套井盖钢筋占用的成本在125元,现根据国家新标准,重型∮700井盖在受压力27吨相同要求下,重量大于40公斤,我们用3公斤的长玻纤(4元/一公斤)计20元成本来替代钢筋,一套重型∮700井盖节约原料成本105元。另一方面节省了钢筋车间的投资成本100多万元,每月节省20多人劳务费用3万元。

三)、聚合物中优化了交联体系、固化体系、添加增强填料改善材料性能是长玻纤bmc高分子复合材料窨井重要的方法,作为一般规律:纤维状填料材料能有效提高拉伸强度(在填料与基体树脂具有良好粘结性能的前提下);长纤维状增强填料能提高材料的刚性,但与填料的长径比或宽厚比密切相关;如果在多组分混合体系中存在具有多种形态结构的交联剂、引发剂、填料,形成所谓的杂化结构则可形成多重增强作用。本项目产品采用网格纤维筋、团状bmc模塑料、软丝纤维、交链增强材料等四种性质、结构,模量不同的增强材料来改性不饱和聚酯。长玻纤替换钢筋与bmc模塑料体系的匹配、选择和稳定性研究,通过脱模剂与长玻纤的熔合和匹配;低成本防收缩剂和增韧软丝搞磨损的工艺新方法;弧型度井盖受力结构的改进;bmc模塑料模压工艺的优化;bmc检查井盖和相关产品的研制、组合改性技术实现了不饱和聚酯的增强,同时采用新配制的交联剂(高表面活性弹性体微粉作为防收缩剂和增韧剂),和引发剂能使bmc模塑料固化体系的聚合度、压宿比、致密度得到根本性的改性和提高。

四)、bmc模塑料的新型增稠体系选择和增稠稳定性:bmc主要由不饱和聚酯树脂、玻纤筋、填料、引发剂、增稠剂、低收缩添加剂、膜模剂、颜料及增强短玻纤材料等组成。制造高质量bmc的技术关键之一,是获得包括树脂、填料和各种添加剂在内的树脂糊的稳定增稠体系。生产中稠化速度和程度要适当,稠化太快,玻璃纤维和填料难以充分浸透;稠化太慢,则贮存困难,而且稠化的程度直接影响到bmc模压制品的质量。粘度过高,材料的流动性差,模压时容易产生缺料或模具磨损;粘度过低,容易产生树脂流失,纤维析出,导致制品裂纹和力学性能不稳定。树脂糊的增稠是一个复杂的物理化学过程,影响增稠的因素也很多,如不饱和聚酯树脂的分子量、酸值、增稠剂和填料的种类与用量,且受水分和温度的影响也很大。选择最合适的增稠剂及用量,充分研究增稠剂的增稠作用及增稠机理。

  五)、低成本防收缩剂和增韧剂的研制。不饱和聚酯树脂(upr ) 是目前热固性树脂中产量较大的品种之一。但是u pr 具有两大缺点:固化收缩率高和固化物脆性大。前者影响制件的尺寸精确度和表面光洁度,后者使得制品的耐冲击、耐开裂和耐疲劳性较差。因此,降低u pr 的固化收缩率、提高固化物的韧性是当今upr研究领域的主攻方向。对于降收缩,主要采用的方法是加入低收缩剂(lsa ) (对于bmc, 称低轮廓剂(l pa ) ),如pvac、pmma、ps、pu 等。目前upr改性的研究或侧重于增韧, 或侧重于降收缩,没有考虑将二者结合起来, 以获得同时增韧和降收缩的不饱和聚酯树脂。本项目采用活化的高表面活性弹性体微粉,强化upr与改性材料两相间的界面结合, 使之能有效地传递应力,添加于不饱和聚酯中,获得同时增韧和抗收缩的bmc树脂。

  三.技术关键和创新点

  (1)采用球形筋料、网状筋料、宏观短纤维填料、纤维软丝增强材料等四种性质、结构、模量不同的增强材料改性不饱和聚酯制备检查井盖(检查井盖)专用高性能团状模塑料bmc;

  (2)采用自制的高活性弹性体微粉防收缩剂和增韧剂,代替价格高的高分子材料,有效地控制模塑料成型过程产生的收缩,降低生产成本;

  (3)在材料上实现了超高强度,盖体不设加强钢筋,制品不易生锈腐蚀、延长使用寿命,符合环保要求;

  (4)检查井盖的结构上,井圈挖空结构,该结构在减轻井圈重量、节约bmc复合料的基础上,使井圈在地面更牢固不易侧翻、更容易跟混凝土沾合。2、井盖面和底部加强筋采用弧形度结构设计,该结构设计使井盖中心受力点更容易向四周扩散,跟平式井盖相比,弧形度的井盖其强度和弹性增加了三分之一的力度。3、结构中边圈加软丝、加强筋加密设计,使井盖边圈抗磨性能提高了2 倍。可以实现底盖吻合紧密,防弹跳,防移位,车辆驶过后不发出噪音。

  采用长玻纤筋bmc高分子复合材料模块压成型制成超高强度检查井盖;直径达750mm,厚度只有36mm的检查井盖承重达到40t。

  四、总结

  本项目通过研究新型增稠体系,获得具有良好增稠稳定性增稠剂;采用混杂增强新技术利用球形筋料、网状筋料、宏观短纤维填料、纤维软丝增强材料等四种性质、结构、模量不同的增强材料改性不饱和聚酯制备检查井盖(检查井盖)专用高性能团状模塑料bmc;在材料上实现了超高强度,盖体不设加强钢筋,制品不易生锈腐蚀、延长使用寿命,符合环保要求;开发了不饱和聚酯复合增强新技术;采用高表面活性弹性体微粉,添加于不饱和聚酯中,获得同时增韧和降收缩的不饱和聚酯树脂,得到了复合材料检查井盖专用bmc模塑料专用料,成功地应用于高性能检查井盖的制造。

  试制成功后,为了保证产品的质量和产业化发展,在技术和原材料这两个方面,公司牢牢把握住核心技术和原材料配方,严防泄露;公司内部加强管理,定期培训员工,严把质量关,使得由于质量问题而降低产品竞争力的事不会发生;不断地完善产品,开发新产品,打造一流品牌,从而降低市场风险。

  总之,本项目产品具有技术含量高、工艺稳定、成本较低、承载能力强,底盖吻合严密、耐磨、耐腐蚀、结构轻便,式样美观,自重轻,容易安装的特点,产品在相关工程得到应用,社会效益、经济效益显著。

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