激光固化GFRP筋材技术的生产线应用研究及温度场模拟

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玻璃纤维增强聚合物(GFRP)复合材料因其高比强度被广泛应用于各种工程应用中。目前国内GFRP筋材加热固化方法主要是传统隧道窑热固化,其中热固化成型阶段是使用多节隧道窑连接对筋材进行缓慢加热固化,隧道窑中四根石英管辐射的热量仅有少部分投射到筋材上,效率低且耗能大,而且由于窑体质量大加热功率高,导致窑体内的热惯性很大,难以实现温度精准控制,所以生产出的GFRP筋材强度不稳定并且相对较低。据相关资料得知,红外激光穿透性好,而且利于对辐射物体表面的温度进行精确控制,如果我们能够利用红外激光对GFRP筋材进行辐射加热固化,就可以实现筋材内外协同加热、升温迅速并且生产能耗降低,筋材性能以及生产效率均可以大幅提升。红外激光加热主要利用热辐射,而隧道窑加热主要依靠热对流。为探讨隧道窑加热和红外激光辐射加热两种加热方式在固化GFRP筋材上性能差异,我们利用企业生产线在用的邻苯不饱和聚酯树脂为基体,玻璃纤维为增强相,制备了玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂筋材,并通过红外激光辐射加热和隧道窑加热两种加热方式在生产线上进行批量生产。首先对树脂固化条件进行系列实验得出树脂最佳固化温度和固化剂用量,用非等温固化动力学计算得到理论固化温度和固化动力学方程,通过将理论固化温度与实验固化温度相互验证,证实了实验的准确性,固化动力学方程为热固化模拟过程中的数学模型建立了参数依据。然后利用ABAQUS有限元分析模拟了两种加热方式下筋材的温度场,得到了两种加热方式筋材横截面温度场的差异。最后通过实验优化两种加热方式生产线上的设备参数,生产出性能最佳的GFRP筋材,对其进行拉伸和剪切性能试验,并对筋材断口处纤维进行了扫描电镜(SEM)、红外光谱以及拉曼光谱分析。综上实验结果表明:(1)制备最佳性能GFRP筋材所需最佳固化剂含量为1.0 wt%,最佳固化温度为110℃;用不同升温速率非等温DSC法来测定树脂特征温度,最终得出理论固化温度为108℃,固化动力学方程α(t)=1-[1-2.13×10~7exp(-7994.47/T)·t]14.25,固化动力学计算得到的理论固化温度与实验所得最佳固化温度基本一致,证实了实验的可靠性,同时固化动力学方程为有限元温度场模拟中固化度的计算建立了参数依据。(2)对两种加热方式下直径为10 mm的GFRP筋材进行了有限元温度场模拟,结果表明,红外激光加热辐射深度为4 mm左右,隧道窑加热辐射深度低于1 mm,并且从筋材截面温度和固化度分布说明了红外激光辐射加热筋材内外温度协同性好并且温度梯度小,隧道窑加热温度梯度大,内外协同性差,足以说明红外激光的优势。(3)激光辐射加热和隧道窑加热两种加热方式制备的8 mm、10 mm、12 mm和16 mm直径的GFRP筋材的抗拉强度和剪切强度具有相同规律,激光辐射加热固化的筋材有更好和更稳定的力学性能。通过SEM、红外光谱以及拉曼光谱对筋材断口处纤维进行表征分析,得到了激光加热固化GFRP筋材上整体纤维粘附树脂要多于隧道窑加热固化GFRP筋材。最后从筋材温度场及界面的角度说明了激光固化GFRP筋材性能提升机制。
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