碳纤维复合材料柔性连续抽油杆生产工艺

碳纤维复合材料柔性连续抽油杆生产工艺

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拉挤成型于1951年首次在美国注册专利，60年代发展很慢，70－80年代

进入快速发展阶段。我国起步则较晚，直到90年代随着拉挤专用树脂技术的引进生产才进入快速发展时期。目前，引进及国产拉挤生产线已超过200条。我国发展拉挤与欧美形式相似：先开发形状简单的棒材，然后随着化工防腐、电力、采矿等行业的发展与需求，开发了型材制品，目前这些技术已经比较成熟。

拉挤工艺是一种连续生产复合材料型材的方法，它是将纱架上的无捻玻璃纤维粗纱和其他连续增强材料、聚脂表面毡等进行树脂浸渍，然后通过保持一定截面形状的成型模具，并使其在模内固化成型后连续出模，由此形成拉挤制品的一种自动化生产工艺。

利用拉挤工艺生产的产品其拉伸强度高于普通钢材。表面的富树脂层又使其具有良好的防腐性，故在具有腐蚀性的环境的工程中是取代钢材的最佳产品，广泛应用于交通运输、电工、电气、电气绝缘、化工、矿山、海洋、船艇、腐蚀性环境及生活、民用各个领域。

拉挤成型工艺形式很多，分类方法也很多。如间歇式和连续式，立式和卧式，湿法和干法，履带式牵引和夹持式牵引，模内固化和模内凝胶模外固化，加热方式有电加热、红外加热、高频加热、微波加热或组合式加热等。

拉挤成型典型工艺流程为：

玻璃纤维粗纱排布——浸胶——预成型——挤压模塑及固化——牵引——切割——制品

注射拉挤成型工艺流程图

拉挤成型设备组成

1、 增强材料传送系统：如纱架、毡铺展装置、纱孔等。

2、 树脂浸渍：直槽浸渍法最常用，在整个浸渍过程中，纤维和毡排列应十

分整齐。

3、 预成型：浸渍过的增强材料穿过预成型装置，以连续方式谨慎地传递，

以便确保它们的相对位置，逐渐接近制品的最终形状，并挤出多余的树脂，然后再进入模具，进行成型固化。

4、模具：模具是在系统确定的条件下进行设计的。根据树脂固化放热曲线及物料与模具的摩擦性能，将模具分成三个不同的加热区，其温度由树脂系统的性能确定。模具是拉挤成型工艺中最关键的部分，典型模具的长度

范围在0.6~1.2m之间。

5、牵引装置：牵引装置本身可以是一个履带型拉出器或两个往复运动的夹

持装置，以便确保连续运动。

6、切割装置：型材由一个自动同步移动的切割锯按需要的长度切割。 成型模具的作用是实现坯料的压实、成型和固化。模具截面尺寸应考虑树脂的成型收缩率。模具长度与固化速度、模具温度、制品尺寸、拉挤速度、增强材料性质等有关，一般为600～1200mm。模腔光洁度要高以减少摩擦力，延长使用寿命，易于脱模。通常用电加热，对高性能复合材料采用微波加热。模具人口处需有冷却装置，以防胶液过早固化。浸胶工序主要掌握胶液相对密度(黏度)和浸渍时间。其要求和影响因素与预浸料相同。

固化成型工序主要掌握成型温度、模具温度分布、物料通过模具的时间(拉挤速度)，这是拉挤成型工艺的关键工序。在拉挤成型过程中，预浸料穿过模具时产生一系列物理的、化学的和物理化学的复杂变化，迄今仍不很清楚。大体上讲按照预浸料通过模具时的状态，可把模具分成三个区域。增强材料以等速穿过模具，而树脂则不同。在模具入口处树脂的行为近似牛顿流体，树脂与模具内壁表面处的黏滞阻力减缓了树脂的前进速度，并随离模具内表面距离的增加，逐渐恢复到与纤维相当的水平。

预浸料在前进过程中，树脂受热发生交联反应，黏度降低，黏滞阻力增加，并开始凝胶，进入凝胶区。逐渐变硬，收缩并与模具脱离。树脂与纤维一起以相同的速度均匀向前移动。在固化区受热继续固化，并保证出模时达到规定的固化度。固化温度通常大于胶液放热峰的峰值，并使温度、凝胶时间和牵引速度相匹配。预热区温度应较低，温度分布的控制应使固化放热峰出现在模具中部靠后些，

脱离点控制在模具中部。三段的温差控制在20～30℃，温度梯度不宜过大。还应考虑固化反应放热的影响。通常三个区域分别用三对加热系统来控温。

牵引力是保证制品顺利出模的关键。牵引力的大小取决于产品与模具间的界面剪应力。剪应力随牵引速度的增加而降低，并在模具的入口处、中部和出口处出现三个峰值。人口处的峰值是由该处树脂的黏滞阻力产生的。其大小取决于树脂黏性流体的性质、入口处温度及填料含量。在模具内树脂黏度随温度升高而降低，剪应力下降。随着固化反应的进行，黏度及剪应力增加。第二个峰值与脱离点相对应，并随牵引速度的增加，大幅度降低。第三个峰值在出口处，是制品固化后与模具内壁摩擦而产生的，其值较小。牵引力在工艺控制中很重要。要使制品表面光洁，则要求脱离点处的剪应力(第二个峰值)小，并且尽早脱离模具。牵引力的变化反应了制品在模具中的反应状态，并与纤维含量、制品形状和尺寸、脱模剂、温度、牵引速度等有关。 主要原材料

拉挤成型玻璃钢用主要原材料： 树脂基体

拉挤成型玻璃钢主要采用不饱和聚酯树脂和乙烯基酯树脂，其他树脂也用酚醛树脂、环氧树脂、甲基丙烯酸等树脂。近年来由于酚醛树脂具有防火性等优点，现在国外已开发出适合拉挤成型玻璃钢用的酚醛树脂，称第二代酚醛树脂，已推广使用。除热固性树脂外，根据需要也选用热塑性树脂。 纤维增强材料

拉挤成型玻璃钢所用的纤维增强材料，主要是E玻璃纤维无捻粗纱居多，根据制品需要也可选用C玻璃纤维、S玻璃纤维、T玻璃纤维、AR玻璃纤维等。

此外，为了特殊用途制品的需要也可选用碳纤维、芳纶纤维、聚酯纤维、维尼纶等合成纤维。为了提高中空制品的横向强度，还可采用连续纤维毡、布、带等作为增强材料。 辅助材料 （1）引发剂

引发剂的特性通常用活性氧含量、临界温度、半衰期来表示。 目前常用的引发剂有： MEKP(过氧化甲乙酮） TBPB（过氧化苯甲酸叔丁酯） BPO（过氧化苯甲酰） Lm-P（拉挤专用固化剂） TBPO（过氧化异辛酸叔丁酯） BPPD(过氧化二碳酸二苯氧乙基酯） P-16[过氧化二碳酸双（4—叔丁基环已酯]

实际应用中很少有用单组分的，通常都是双组分或三组分按不同的临界温度搭配使用。

（2）环氧树脂固化剂

常用的有酸酐类、叔胺、咪唑类固化剂。 （3）着色剂

拉挤中的着色剂一般以颜料糊的形式出现。 （4）填料

填料可以降低制品的收缩率，提高制品的尺寸稳定性、表面光洁度、平滑

性以及平光性或无光性等；有效的调节树脂粘度；可满足不同性能要求，提高耐磨性、改善导电性及导热性等，大多数填料能提高材料冲击强度及压缩强度，但不能提高拉伸强度；可提高颜料的着色效果；某些填料具有极好的光稳定性和耐化学腐蚀性；可降低成本。选择填料的粒度最好要有个梯度，以达到最佳，的使用效果。现在也有对填料进行表面处理来加大用量。 （5）脱模剂

脱模剂具有极低的表面自由能，能均匀浸湿模具表面，达到脱模效果。优良的脱模效果是保证拉挤成型工艺顺利进行的主要条件。

早期的拉挤成型工艺是用外脱模剂，常用的有硅油等。但用量很大且制品表面质量不理想，现已采用内脱模剂。

内脱模剂是将其直接加入到树脂中，在一定加工温度条件下，从树脂基体渗出扩散到固化制品表面，在模具和制品之间形成一层隔离膜，起到脱模作用。

内脱模剂一般有磷酸酯、卵磷酸、硬脂酸盐类、三乙醇胺油等。其中以硬脂酸锌的脱模效果较好。在拉挤生产中，人们通常更愿意使用在常温下为液体状的内脱模剂。目前市售的内脱模剂多为伯胺、仲胺和有机磷酸酯与酯肪酸的共聚体的混合物。

脱模剂使用中注意的问题

由于大多数液体状内脱模剂都是酸性的，所以在使用中要注意以下问题：

1、

在使用对酸敏感的颜料时会导致颜色变化；

2、在使用碱性填料时，如碳酸钙，酸性脱模剂会与之起反应，引起混合料的粘度增加，但不会影响脱模效果；

3、如果填料为氢氧化铝，酸性脱模剂除了会使混合料的粘度增加外，还会

在混合料固化过程中放出水份，导致气泡、裂纹等问题。

通常，内脱模剂的起始用量为树脂量的1%，有效添加范围是基于树脂重量的0.75-2%。应根据实际情况适当调整。

1、 2、

薄壁的简单型材，用量可以适当少些，比如0.8%或更少； 厚壁或形状复杂的型材需要多加一些。

3、在高填料体系内，应提高内脱模剂的添加量，但内脱模剂添加量过多，会延迟固化。

4、在拉挤生产中，如果阻力过大又找不到原因时，就需要适当增加脱模剂用量。在使用时应注意加料顺序，在混合时应在加入固化剂、填料和其它树脂添加剂之前，将内脱模剂加树脂体系中并混合均匀。这样可以达到最佳的脱模效果。 优点

1、典型拉挤速度0.5-2m/min，效率高，适于批量生产，制造长尺寸制品； 2、树脂含量可精确控制；

3、由于纤维呈纵向，且体种比可较高(40%-80%)，因而型材轴向结构特性可非常好；

4、主要用无捻粗纱增强，原材料成本低，多种增强材料组合使用，可调节制品力学性能；

5、制品质量稳定，外观平滑。 缺点

1、 模具费用较高；

2、一般限于生产恒定横截面的制品 拉挤成型制品应用

拉挤成型制品包括各种杆棒、平板、空心管及型材，应用范围非常广泛，包括以下几个方面： 1、电气市场

这是拉挤玻璃钢应用最早的个市场，目前成功开发应用的产品有：电缆桥架、梯架、支架、绝缘梯、变压器隔离棒、电机槽楔、路灯柱、电铁第三轨护板、光纤电缆芯材等。在这个市场中还有许多值得我们进一步开发的产品。 2、 化工、防腐市场

化工防腐是拉挤玻璃钢的一大用户，成功应用的有：玻璃钢抽油杆、冷却塔支架、海上采油设备平台、行走格栅、楼梯扶手及支架、各种化学腐蚀环境下的结构支架、水处理厂盖板等。 3、消费娱乐市场

这是一个潜力巨大的市场，目前开发应用的有：钓鱼竿、帐篷杆、雨伞骨架、旗杆、工具手柄、灯柱、栏杆、扶手、楼梯、无线电天线、游艇码头、园林工具及附件。 4、建筑市场

在建筑市场拉挤玻璃钢己渗入传统材料的市场，如：门窗、混凝土模板、脚手架、楼梯扶手、房屋隔间墙板、筋材、装饰材料等。值得注意的是筋材和装饰材料将有很大的上升空间。 5、道路交通市场

成功应用的有：高速公路两侧隔离栏、道路标志牌、人行天桥、隔音壁、冷藏车构件等。

5 拉挤成型的工艺设备及工艺流程

拉挤成型工艺形式很多，分类方法也很多。如间歇式和连续式，立体和卧式，湿法和干法，履带式牵引和加持式牵引，模内固化和模内凝胶模外固化，加热方式有电加热、红外加热、高频加热、微波加热或组合式加热等。

首先讨论热固性塑料的拉挤成型方法的简单过程是：首先使碳纤维增强塑料（CF）连续经过树脂浸渍槽，然后通过加热成型、口模固化成为各种形状的型材或制品，生产过程简单、连续、适应性强，易于实现自动化，从而实现了快速、连续地生产碳纤维增强塑料制品的愿望。 5.1 热固性塑料拉挤成型工艺

热固性塑料拉挤成型工艺过程如下流程所示，所使用的设备主要包括碳纤维供给装置、树脂浸渍槽、预成型装置，加热成型口摸，拉拔装置、切割装置等。 纤维供给——纤维导向——树脂浸渍——预成型——拉挤成型——牵引——切割——拉挤成型制品。

碳纤维储放在轴架上，由导引装置拉出，而后进入树脂浸渍槽进行树脂浸渍， 也可直接进入口模，在口模内靠压力作用迫使树脂与纤维结台。前一种方法碳纤维的浸渍比较完全，生产线速度快，成本低，产品厚度不受限制；后一种方法的优点是碳纤维易于控制，产品的表面光洁度好。碳纤维浸渍树脂后进入预

成型口模，使其排列整齐，溢出过剩的树脂。继而，浸渍的碳纤维进入加热口模固化成型，再经拉拔装置牵引，按需切割成最终的型材或制品。 5.1.1碳纤维的供给、排列与浸渍

置于轴架上的连续碳纤维通过导向和排列装置引出，送至树脂浸渍单元，导向装置的设计要求是使碳纤维从轴架到口模保持平直，对所有纤维束施加的力相等，避免因纤维束问张力的变化导致拉挤制品扭曲变形。浸渍操作中，首先在树脂浸渍槽中精确地量入热固性树脂和固化剂等，以后要保证投料速度与消耗速度相等。在整个浸渍过程中，纤维润湿要完全，不应存在干纤维，干纤维的存在会导致拉挤物产生缺陷。控制碳纤维润湿程度的一个重要工艺参数是树脂体系的粘度，该粘度 称为初始粘度( μ ) ，μ的大小不仅与树脂本身有关，而且与添加剂、 温度等有关。除初始粘度外，碳纤维浸润效果还与浸润时间(t)、浸润时树脂的温度(T) 和浸渍槽中碳纤维的工作状态( ω) 有关。一般来说，给定了初始粘度，碳纤维工作状态正常( 导向装置使纤维排列整齐)，浸渍时间延长( 生产线速度慢或浸渍槽较大)，树脂温度升高，均可改善纤维浸润程度。

从理论上讲，在工作温度下，树脂体系的粘度应控制在0.2 ～1.2 P a·s 范围内,超过1.2 P a·s 时，在预成型口模内会产生粘性拖拽，进入成型口模后所产生的压力会损伤碳纤维。相反，当初始粘度小千0.2P a·s时，碳纤维到达口模处不能夹带足够的树脂使口模内不能形成成型所需的压力，致使制品内部和表面产生气孔，影响制品的质量。因此必须将粘度调至适宜值，树脂体系牯度过低时， 可通过调节浸渍槽的温度使其达到最佳值。

5.1.2成型口模区域的温度和压力控制 5.1.2.1拉挤成型温度

口模区域的温度控制关系到拉挤生产速率和制品的质量。温度控制的关键是使物料固化速率与型材的牵引速度一致，同时，还要保证加热均匀，物料各处固化速率尽量一致。口模处通常采用板式或筒式接触加热器，目前的高频预热和高频固化解决了快速固化的问题。

经树脂浸渍后的碳纤维进入口模后开始固化成型，如果物料与口模温度相差很大，在与口模壁接触的制件表面会首先形成一层固化层，而制件内部固化较慢， 致使拉挤物内外同化不一致。造成制品表面和内部缺陷。解决这一问题可采取预热工艺，即在碳纤维浸渍树脂后进行预热，减小物料与成型口模的温差。另外， 在成型一些厚壁制品对，还应降低成型口模的出口温度来降低制品的出口温度，以减步制品内部应力，避免制品出理裂缝。

5.1.2.2拉挤压力

一般来说，拉挤成型的口模压力( 阻力) 大小主要受口模表面形状和几何结构尺寸、入口效应、液相热膨胀以及凝胶固化时的膨胀和收缩等因素的制约。生产中，常用压力传感器测定口模压力，或用拉引力代替加工压力。由所测定的压力数据调整工艺条件，及判断生产正常与否，如拉引阻力在加工过程中不断增加， 其原因可归结如下：( 1 ) 口模内部堵塞；( 2 ) 输入物料过多( 如纤维或织物过多过厚) ；( 3 ) 由于化学反应或温度的作用引起固化物性质发生了变化等，一般实际生产中测定的固化期问口模压力为2～l 0 MPa。 5.1.3拉挤物的牵引

拉挤成型通常使用往复式夹持牵引装置。该装置一般有两付内部形状与制件相匹配的夹具，拉挤物处于夹具中间，夹具靠压缩空气上下启闭，该夹具安装在支撑座上，液压油缸驱动夹持装置作往复运动。为了不损伤拉挤物的表面，夹具与拉挤物接触处常衬以聚氯酯材料。

牵引装置所产生的线速度要与口壤温度和树脂体系配合，以保证口模内部有良好的固化反应。生产不同的产品，应选择不同的牵引速度，因此，要求牵引装置速度可调，一般牵引力为104~105N( 1～10t ) ,生产线速度为1～100 m/h。

拉挤成型工艺的控制除上述三千方面外,还应注意后期固化问题，对于大型制件更为重要。因为不论连续成型加工中速度多么慢，也很难产生像间歇生产那样的固化状态。拉挤成型后期固化的筒单方法是在口模后安装一个加热固化室， 而更多采用的是在一个分离的加热室中问歇进行。大型制件的固化过程需要24h，只有缓慢升温，达到完全固化，才能消赊制件内部缺陷提高其内在质量。

5.2 热塑型拉挤成型的工艺流程

玻璃纤维粗纱排布――浸胶――预成型――挤压模塑及固化――牵引――切割――制品。工艺流程图如图4和图5。

（1）纤维区

以E玻纤为主，和较高性能的S玻纤及碳纤维。纤维的形态主要有粗纱，短切毡，及表面毡，平面织物等。

排纱是将安装在纱架上的增强材料从纱筒上引出并均匀整齐排布的过程。排纱系统包括如纱架、毡铺展装置、缠绕机或编织机等。增强材料输送排纱时，为了排纱平整，一般采用旋转芯轴，纤维从纱筒外壁引出的，这样可避免扭转现象。如采用纤维从纱筒内壁引出的，纱筒固定会使纱发生扭曲不利于玻璃纤维的整齐排布。图6为排纱架。

(2) 浸渍区

浸渍是将排布整齐的增强纤维均匀浸渍上已配制好的不饱和树脂的过程。一般是采用将纤维通过装有树脂胶槽进行的。一般分为直槽浸渍法和滚筒浸渍法，其中以直槽浸渍法最为常用。在整个浸渍过程中，必须保证纤维和毡排列十分整齐。

浸胶装置一般包括导向辊、树脂槽、压辊、分纱栅板、挤胶辊等。胶槽长度根据浸胶时间长短和玻璃纤维运行速度而定。胶槽中的胶液应连续不断地循环更新，以防止因胶液中溶剂挥发造成树脂粘度加大。胶槽一般采用夹层结构，通过调控夹套中的水温来保持胶液的温度。挤胶辊的作用是使树脂进一步浸渍增强材料，同时起到控制含胶量和排气的作用。分栅板的作用是将浸渍树脂后的玻璃纤维无捻粗纱分开。

浸胶时间是指无捻粗纱及其织物通过浸胶槽所用时间。时间长短应以玻璃纤维被浸透为宜，它与胶液的粘度和组分有关，一般对不饱和聚酯树脂的浸胶时间控制在15～20s为宜。浸渍模型如图7所示。

(2) 浸渍区

浸渍是将排布整齐的增强纤维均匀浸渍上已配制好的不饱和树脂的过程。一般是采用将纤维通过装有树脂胶槽进行的。一般分为直槽浸渍法和滚筒浸渍法，其中以直槽浸渍法最为常用。在整个浸渍过程中，必须保证纤维和毡排列十分整齐。

浸胶装置一般包括导向辊、树脂槽、压辊、分纱栅板、挤胶辊等。胶槽长度根据浸胶时间长短和玻璃纤维运行速度而定。胶槽中的胶液应连续不断地循环更新，以防止因胶液中溶剂挥发造成树脂粘度加大。胶槽一般采用夹层结构，通过调控夹套中的水温来保持胶液的温度。挤胶辊的作用是使树脂进一步浸渍增强材料，同时起到控制含胶量和排气的作用。分栅板的作用是将浸渍树脂后的玻璃纤维无捻粗纱分开。

浸胶时间是指无捻粗纱及其织物通过浸胶槽所用时间。时间长短应以玻璃纤维被浸透为宜，它与胶液的粘度和组分有关，一般对不饱和聚酯树脂的浸胶时间控制在15～20s为宜。浸渍模型如图7所示。

(3) 预成型区

预成型的作用是将浸透了树脂的增强材料进一步均匀并除去多余的树脂和排除气泡，使其形状逐渐形成成型模的进口形状。如拉挤成型管材时，一般使用圆环状预成型模；制造空心型材时，通常使用带有芯模的预成型模；生产异型材时，大都使用形状与型材截面形状接近的金属预成型模具。在预成型模中，材料被逐渐地成型到所要求的形状，使增强材料在制品断面的分布符合设计要求。预成型区如图8所示。

(4) 固化区

成为型材形状的浸胶增强材料进入模具并在模具中固化成型。一般把模具分

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