(复合材料纸管)

第第页共22页2.金属基体金属基体材料主要应用于耐高温或者其他特殊需要的工况，其具有耐300°C以上高温、表面抗侵蚀、导电导热、不透气等诸多优点。这类基体主要包括铝、铝合金、镍、镁、铜、钦合金等，通常应用较多的是铝，有碳纤维铝基、氧化铝品须镍基、硼纤维铝基等复合材料。第三章方形纸管工艺在全球节能、环保、低碳的背景下，广州海方纸制品科技有限公司花了8年时间研发的方形纸管设备，终于在2011年拿到了国家专利发明证书；随着这一技术在不同行业的广泛运用，方形纸管的优越性能在不同领域开始显露锋芒。3.1方形纸管托盘托盘是用于集装、堆放、搬运和运输，放置作为单元负荷的货物和制品的水平平台装置。由于托盘能提高工厂工作效率，降低人工成本，越来越多的企业采用托盘作为其物流仓储设备。在20世纪80年代以前几乎是木质托盘一统天下（每只木制托盘耗用0.05m3木材）。随着人们社会环保意识增强，节能、环保、低碳成为新的主流发展方向，其他材质的托盘相继问世，比如纸浆模塑托盘、纸托盘、塑料托盘、填充塑料托盘、金属托盘等；方形纸管托盘作为托盘领域中一种全新创新技术，凭借其质轻、防潮、硬度高、承载力强、而且环保免检等优势，开始大规模进军托盘业。托盘市场已有纸托盘，方形纸管托盘与传统纸托盘都是纸制品出身，这两者而言，方形纸管的优势体现在哪里呢？3.1.1工艺与装配传统纸托盘工艺包含两种技术：蜂窝技术与瓦楞技术。瓦楞纸是由多层波浪形芯纸夹层（俗称“坑张”或“瓦楞纸”及多层纸板（俗称“牛皮咭”构成，从结构力学的角度来分析，瓦楞纸板的这种典型结构使它具有很强的机械强度，能抵受搬运过程中的碰撞和摔跌，在制作托盘的过程中，一条托盘的腿，至少需要经过多道环节的沾粘才能完成，其复杂的工艺与装配流程，限制了其发展的速度，蜂窝技术在工艺与装配过程与瓦楞技术存在同一问题。而方形纸管托盘，作为其承重的托盘腿，亦或是承重的托盘面，其原材料都是由设备一道完成，可以做到量产。3.1.2抗潮与承重传统瓦楞与蜂窝技术的纸托盘，由于其材料结构暴露在空气中，容易受阴雨等南方天气影响，吸收潮气，其承重力随之都会受到严重影响。方形纸管技术最大的特性在于其特殊的框架结构，所用纸张经设备高压压制形成无缝隙的方形纸管，不容易受天气影响吸收空气中潮气，从结构学的角度，框架结构在承重力上是很容易实现高强度的载荷，只要改变纸张克数要求即可实现与木的载荷一致。市场上塑料托盘、木托盘、纸托盘、金属托盘各占据一方市场，方形纸管托盘与塑料、金属、木托盘对比优势见下表。对叱项方管纸托盘木托盘金属托盘覲料托盘径•是木电量的］/|较轻承重力昴强if回收不'I"lift'I"Iftif"lift环保环保环保环保实恵粒高.囚检疫需检外形羌观一般易锈蚀壬观需睾黨煎兎检觅检由于方形纸管托盘具备了传统纸托盘的质轻、环保、韧性好等特点，又能达到木托盘和塑料托盘的防潮、硬度高、承载力强的要求，按同样品质要求的托盘材料对比，价格上方形纸管托盘比木质与塑料制品有优势，特别适合出口型企业及在航空货运时使用。3.2方形纸管包装箱及承重箱3.2.1结构方形纸管用在包装材料上分两种结构：（1）在一定规格范围内的产品，可直接用方形纸管原材料作为外包装，两端用相同材料或吸塑制品作封盖进行包装。该材料包装优势有：工艺与装配过程简单，一道工序即可完成一个漂亮的箱体，可量产；框架结构防震、强度硬，抗压；与其他技术的纸箱比，纸的韧性既可以保护产品不受冲击，抗震，高强度的框架结构又保护了产品内部不会受到挤压破坏，外部也不会因为运输途中与其他产品的挤压导致外观变形；比如包装轴承、钢球、通讯器材等重型产品，易碎的如红酒、LED等。（2）承重型箱体。用方形纸管与塑料注塑接头件结合，方形纸管成为大箱体的框架结构，接头件连接纸管，可配板材、蜂窝纸、瓦楞纸等材料作面板，该结构优势是客户可自行组装，安装简单快捷，可在现场与生产同步完成，箱体重量轻，可增加产品运输数量，降低运输成本。特别适用于需要使用大木箱完成运输的企业。比如大型户外广告牌、太阳能玻璃等重型产品。3.2.2箱体特点无毒、无味、防潮、重量轻、耐用、可堆叠、外观可根据客户需求印刷企业LOGO等华丽图文色彩。323箱体性能具备质轻、抗压，抗震，承载强度大，拉伸、压缩、色彩丰富、可根据用户需求订做各种规格、尺寸，外形美观大方。适用于五金、电子、重型机械零配件、太阳能、储存、运输等行业。一般根据客户提供的尺寸设计制作，做到最合理装载，并可多箱重叠，有效利用厂房空间，增大零部件储存量，节约生产成本。方形纸管作为一种全新变革的材料，由于其结构特殊，硬度高，承载强，有韧性，又环保，其运用范围不仅仅局限在工业包装领域。目前有部分商城、家庭已开始用方形纸管做家具、装饰空间，SGS对该材料进行了检测，符合欧美国家环保要求；随着方形纸管在相关领域的深入发展，相信创建一个环保与色彩并存的家园，不再是一个遥远的梦想。第四章纸管成型工艺方法的设计及选择从设计特点出发我选择先制纸管再加复合材料，从承压、复合牢固、价廉出发我选择缠绕工艺设计生产复合纸管。缠绕工艺的分类缠绕成型工艺是将浸过胶液的连续纤维材料通常是布带或预浸纱按照某种规律缠绕到芯模上，然后经过固化、脱模，最终获得的缠绕制品。根据缠绕时基体材料所处的物理化学状态的情况不同，缠绕成型工艺可划分为干法缠绕、湿法缠绕及半干法缠绕三种.1•干法缠绕干法缠绕是用经过预浸胶处理过的预浸纱或布带，在缠绕过程中，经过加热使胶液软化至粘流状态后缠绕到芯模上。由于预浸纱或布带是专业生产，能够严格控制基体材料的含量，通常精确控制在2%以内。因此，干法缠绕工艺能够较好地控制产品质量。干法缠绕的最大特点就是生产效率高，其缠绕速度可高达100-200m/mino其次干法缠绕还有缠绕机清洁，工作环境卫生条件好，产品质量高等优点。但是，干法缠绕也有其不可克服的缺点，其一是缠绕设备昂贵，投资大，其二是干法缠绕成型制品的层间剪切强度低。湿法缠绕湿法缠绕是将纤维或布带经浸胶后，在张力控制下直接缠绕到芯模上，然后再经过后期固化成型。湿法缠绕的优点为:①设备占用少，成本比干法缠绕低40%左右:②产品气密性好，究其原因是因为缠绕张力使基体材料中的气泡排出，而且基体材料能够充分填满孔隙，产品密实度高:③湿法缠绕时，纤维上的基体材料。可减少纤维磨损:⑤湿法缠绕工艺生产效率较高。湿法缠绕的缺点为:①树脂胶液浪费较大大，生产环境相对较差;②制品中的含胶量及成品质量不易控制;③可用来湿法缠绕的基体材料的品种较少。半干法缠绕半干法缠绕是吸取干法缠绕和湿法缠绕的优点，折'一户的一种缠绕工艺。其与湿法工艺相比，在纤维或布带浸胶到缠绕到芯模的中间增加一套烘干设备，将纤维或布带胶液中的溶剂基木去除掉。与干法缠绕相比，半干法缠绕不依赖一整套复杂的纤维或布带预浸渍的工艺设备。1.1.2缠绕技术的发展及现状纤维缠绕成型工艺技术可追溯到20世纪40年代二战时期的美国Manhattan原子能工程，该工程部需要重量轻的FRP（FiberReinforcedPlastic劝｝1强带。RichardE.Young首先考虑以高强度的玻璃钢（FRP）来代替金属，并最先形成了把纤维缠绕在芯模上的缠绕原始概念。同时设计制造了第一台著名的山旧马达和齿轮组成的简易纤维缠绕机，随后缠绕了第一个复合材料火箭动机壳体，以及用于防化学腐蚀的首条玻璃钢管道并投入使用。上世纪50年代，纤维缠绕技术已能生产各种尺寸的火箭发动机壳体，广泛用于火箭、战略导弹等尖端军用产品上。上世纪60-70年代，缠绕制品应用领域己从军事部门扩展到化工、污水处理、石油及风能系统等重要的民用部门，已可缠绕巨大体积的复合材料产品，如直径为26英尺，长为126英尺的风车叶片:直径1Om,容积达1OOOm3的巨型储罐。该时期的纤维缠绕技术进入了腾飞阶段。上世纪80年代，由于世界性的军备竞赛，虽然纤维缠绕制品仍集中应用于航空、航天和国防项目之中，但应用领域已扩展到民用工业，丰富了民用产品的种类，如用于供水系统的高压管道，用于消防的压力容器及潜水装置等。到目前为止，绝大部分纤维缠绕机是简单的二轴联动缠绕机和三轴联动缠绕机，而且80年代以前的缠绕机都是机械控制的，首台计算机控制的纤维缠绕机诞生于这个时期。计算机控制缠绕机的研制成功使得生产纤维铺设十分精确的复合材料产品成为可能，从而可以生产出高性能、低成本、重量轻的优质缠绕部件。另外扩大了可缠绕部件的种类，从简单的直管到一些形状复杂的部件。综上所述，无论是国外还是国内，其对缠绕技术的研究，主要都是基于宽度小（相对于成型直径来说）且强度和韧度较好的纤维为成型材料，而对于宽度大（相对于成型直径来说）且强度及韧度较差的纸带作为增强材料，实现高精度、-高强度的缠绕成型研究，尚属空白。因此，进行复合缠绕纸管成型的机理研究、工艺分析与优化及关键控制技术的研究是十分必要的。2.2缠绕成型工艺的选择复合缠绕纸管的缠绕成型工艺主要取决于复合缠绕纸管的使用工况，换句话说，也就是复合缠绕纸管的使用需求。首先必须具有足够的强度及韧性，其次，复合缠绕纸管在加工、装配、运输传输过程中，要承受承受轴向载荷、径向载荷、径向的冲击载荷以及由于墩钻带来的巨大的轴向冲击力，最后，成型工艺选择时还应考虑到设备的投入成本等。综合上述分析，选择湿法缠绕成型工艺作为复合缠绕纸管的成型工艺。纸管表面防水(防油)处理的设计纸管的防水防油技术现在主要有两种方式：1、给只管表面直接以喷涂、滚涂、刷涂的方式涂抹防水防油试剂。2、给纸管表面添加耐水耐油的复合材料水性防水光油介绍：水性防水光宇光油也称为分散型上光剂，具有无色、无味、透明感强且无毒、无有机挥发物(VOC)、成本低、材料来源广、有良好的光泽性、耐折性、耐磨性和耐化学药品性等特点，是其他溶剂型上光油所无法比拟的。另外，若再加上其它主剂和助剂，还可提高水性防水光油的光泽性、耐折性、耐磨性和耐化学药品性。由于水性上光油以水为稀释剂，使用少量易挥发的乙醇为辅助溶液，没有有毒有害挥发，经济卫生，在操作中可消除对人体的危害及给环境带来的污染，有利于安全生产和改善职工劳动条件，非常符合环保要求，特别在食品、香烟、药品等包装上使用非常合适。水性防水光油主要由主剂、溶剂、辅助剂三大类组成。水性防水光油的主剂是成膜树脂，是上光剂的成膜物质，通常是合水性光油成树脂，它影响和支配着深层的各种物理性能和膜层的上光品质、如光泽性、附着性、干燥性等。水性成膜树脂品种很多，但目前国内外使用较为普遍的是丙烯酸体系的共聚树脂。水性丙烯酸共聚树脂的性能取决于单体的组成、单体的合成和合成工艺。水性丙烯酸共聚树脂具有成膜性好、光泽度好、透明度高、干燥迅速、耐磨、耐水等一系列优良性能，大量地应用在水性上光剂和水性上光涂料中。水性防水光油性能特点：澳达牌水性防水光油为水溶性环保非离子型其抗酸、抗碱、耐硬水、水溶性强、乳液稳定；水性防水光油应用于纸制品表面具有优异的成膜性、超强防水、光亮、附着力强等功效，且不影响二次印刷，涂布等操作。水性防水光油适用范围：广泛应用于各类啤酒箱、冷冻箱、蜂窝瓦愣纸箱、纸卡板。耐水耐油材料简介：防油防水整理剂HS1100是以纳米含氟高分子材料为主要成分的拒水拒油整理剂，适用于天然纤维、化学纤维，及混纺织物的三防整理。处理后的织物具有优异的防水、防油、防污的效果；同时赋予织物丰厚的手感，使织物远离各种有害细菌及污染°HS1100一般采用于浸轧一一焙烘工艺，对织物的手感与色泽影响低；且对人体安全，对皮肤无刺激、透气舒适；耐水洗和干洗。目前广泛应用于雨具、风衣、油田工作服、台布、帆布、帐篷及包装用布等。多家权威检测机构一致证明：HS1100整理后的织物拒水性可达到90分以上；拒油性可达到4级；无芳香胺残留物；无PFOS和APEO；PF0A的含量Vlppm。综合我们所做的课题选择第二种给纸管表面添加耐水耐油的复合材料。第四章样品制备及性能检测3.2缠绕成型中主要生产工序分析缠绕成型是复合缠绕纸管加工中最为重要的核心环节。在此对对其主要生产工序进行分析，包括裁纸、包覆内衬层、环向交又缠绕纸带、固化及脱模等工序。生产工序中的关键步骤3.2.1裁纸青壳纸作为复合缠绕纸管的增强材料必须有相应的尺寸，在复合缠绕纸管的成型过程中需要两种形状的原材料，一种是内衬纸的矩形纸，另一种为缠绕纸带，其尺寸为优化计算的数值。3.2.2包覆内衬层复合缠绕纸管缠绕成型开始的第一个步骤就是包覆内衬纸，内衬纸在复合缠绕纸管生产过程中的作用有二，其一，完整包覆芯模，隔离芯模，保证胶s剂不会与芯模表面接触;其二，整张内衬纸包覆芯模，保证与芯模接触面的光滑度，在脱模时不会发生青壳纸皱褶堆积。包覆内衬层主要注意涂抹脱模剂和内衬层搭接形式两个方面。3.2.2.1涂抹脱模剂为了保证芯模能够顺利从复合缠绕纸管中脱除，在工艺设计中增加了在芯模表面涂抹脱模剂的工序。涂抹脱模剂时要注意，不但要均匀涂抹所有接触表面，而且要注意要适量，太少容易产生脱模困难或产品损坏，太多可能造成内衬层渗透影响复合缠绕纸管的质量。性能检测2.5.1.3极限剪切强度1.试验描述采用不同涂胶密度缠绕成型的标准试件，进行径向剪切试验，并对试验数据处理后获得图2.8曲线。涂胶密度从0.2g/cm2到1.0g/cm2变化过程当中，极限径向剪切强度随着涂胶密度的增大过程而较快增加，在涂胶密度在0.6g/cm2附近，极限径向剪切强度达到极值，随后缓慢下降并趋于稳定。

匸匚匸匚二极限轴向冲击■]45--40-35-图2.6涂胶密度对复合缠绕纸管极限压缩强度的影响——,——,0,20.40.60.81.0涂胶密度从0.2g/cm2从｝g/cm2^变化过程当中，极限压缩强度最初是随着涂胶密度的增大而增大，当涂胶密度超过0.6g/cm2时，极限压缩强度开始下降。2.试验分析分析试验现象，当涂胶密度较小时，纸带间的胶量不足以使纸带层间牢固粘结，可能存在气泡或脱层现象，致使复合缠绕纸管的极限压缩强度降低，当涂胶密度达到某一较优化的值时，纸带层间粘结牢固，使纸带和粘结剂有效融合，极限承受压缩能力最好，而当涂胶密度继续增大时，一方面会促使产生气泡等缺陷，降低复合缠绕纸管极限压缩强度，另一方面，随着复合缠绕纸管内所含胶液量的增大，提升了复合缠绕纸管强度中胶砧剂分量，而降低了作为增强材料纸带的强2.5.1.3极限剪切强度1.试验描述采用不同涂胶密度缠绕成型的标准试件，进行径向剪切试验，并对试验数据处理后获得图2.8曲线。涂胶密度从0.2g/cm2到1.0g/cm2变化过程当中，极限径向剪切强度随着涂胶密度的增大过程而较快增加，在涂胶密度在0.6g/cm2附近，极限径向剪切强度达到极值，随后缓慢下降并趋于稳定。

匸匚二极限轴向冲击■]45-1-匸匚二极限轴向冲击■]45-1-40-302515…0,20.40.60.81.0涂胶密度(g/cm2)图2.8涂胶密度对复合缠绕纸管极限剪切强度的影响2.试验分析当涂胶密度较小时，纸带间粘结效果不佳，层间缺陷显著存在，在承受径向剪切载荷时，产生层间分离，各缠绕纸带不能实现共同抗御径向剪切载荷，复合缠绕纸管在载荷施加点附近产生破坏;当涂胶密度达到某一值时，复合缠绕纸管的复合结合能力达到最佳效果，