(復(fù)合材料紙管)

第第頁共22頁2.金屬基體金屬基體材料主要應(yīng)用于耐高溫或者其他特殊需要的工況，其具有耐300°C以上高溫、表面抗侵蝕、導(dǎo)電導(dǎo)熱、不透氣等諸多優(yōu)點(diǎn)。這類基體主要包括鋁、鋁合金、鎳、鎂、銅、欽合金等，通常應(yīng)用較多的是鋁，有碳纖維鋁基、氧化鋁品須鎳基、硼纖維鋁基等復(fù)合材料。第三章方形紙管工藝在全球節(jié)能、環(huán)保、低碳的背景下，廣州海方紙制品科技有限公司花了8年時(shí)間研發(fā)的方形紙管設(shè)備，終于在2011年拿到了國家專利發(fā)明證書；隨著這一技術(shù)在不同行業(yè)的廣泛運(yùn)用，方形紙管的優(yōu)越性能在不同領(lǐng)域開始顯露鋒芒。3.1方形紙管托盤托盤是用于集裝、堆放、搬運(yùn)和運(yùn)輸，放置作為單元負(fù)荷的貨物和制品的水平平臺裝置。由于托盤能提高工廠工作效率，降低人工成本，越來越多的企業(yè)采用托盤作為其物流倉儲(chǔ)設(shè)備。在20世紀(jì)80年代以前幾乎是木質(zhì)托盤一統(tǒng)天下（每只木制托盤耗用0.05m3木材）。隨著人們社會(huì)環(huán)保意識增強(qiáng)，節(jié)能、環(huán)保、低碳成為新的主流發(fā)展方向，其他材質(zhì)的托盤相繼問世，比如紙漿模塑托盤、紙托盤、塑料托盤、填充塑料托盤、金屬托盤等；方形紙管托盤作為托盤領(lǐng)域中一種全新創(chuàng)新技術(shù)，憑借其質(zhì)輕、防潮、硬度高、承載力強(qiáng)、而且環(huán)保免檢等優(yōu)勢，開始大規(guī)模進(jìn)軍托盤業(yè)。托盤市場已有紙托盤，方形紙管托盤與傳統(tǒng)紙托盤都是紙制品出身，這兩者而言，方形紙管的優(yōu)勢體現(xiàn)在哪里呢？3.1.1工藝與裝配傳統(tǒng)紙托盤工藝包含兩種技術(shù)：蜂窩技術(shù)與瓦楞技術(shù)。瓦楞紙是由多層波浪形芯紙夾層（俗稱“坑張”或“瓦楞紙”及多層紙板（俗稱“牛皮咭”構(gòu)成，從結(jié)構(gòu)力學(xué)的角度來分析，瓦楞紙板的這種典型結(jié)構(gòu)使它具有很強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度，能抵受搬運(yùn)過程中的碰撞和摔跌，在制作托盤的過程中，一條托盤的腿，至少需要經(jīng)過多道環(huán)節(jié)的沾粘才能完成，其復(fù)雜的工藝與裝配流程，限制了其發(fā)展的速度，蜂窩技術(shù)在工藝與裝配過程與瓦楞技術(shù)存在同一問題。而方形紙管托盤，作為其承重的托盤腿，亦或是承重的托盤面，其原材料都是由設(shè)備一道完成，可以做到量產(chǎn)。3.1.2抗潮與承重傳統(tǒng)瓦楞與蜂窩技術(shù)的紙托盤，由于其材料結(jié)構(gòu)暴露在空氣中，容易受陰雨等南方天氣影響，吸收潮氣，其承重力隨之都會(huì)受到嚴(yán)重影響。方形紙管技術(shù)最大的特性在于其特殊的框架結(jié)構(gòu)，所用紙張經(jīng)設(shè)備高壓壓制形成無縫隙的方形紙管，不容易受天氣影響吸收空氣中潮氣，從結(jié)構(gòu)學(xué)的角度，框架結(jié)構(gòu)在承重力上是很容易實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的載荷，只要改變紙張克數(shù)要求即可實(shí)現(xiàn)與木的載荷一致。市場上塑料托盤、木托盤、紙托盤、金屬托盤各占據(jù)一方市場，方形紙管托盤與塑料、金屬、木托盤對比優(yōu)勢見下表。對叱項(xiàng)方管紙托盤木托盤金屬托盤覲料托盤徑?是木電量的］/|較輕承重力昴強(qiáng)if回收不'I"lift'I"Iftif"lift環(huán)保環(huán)保環(huán)保環(huán)保實(shí)恵粒高.囚檢疫需檢外形羌觀一般易銹蝕壬觀需睪黨煎兎檢覓檢由于方形紙管托盤具備了傳統(tǒng)紙托盤的質(zhì)輕、環(huán)保、韌性好等特點(diǎn)，又能達(dá)到木托盤和塑料托盤的防潮、硬度高、承載力強(qiáng)的要求，按同樣品質(zhì)要求的托盤材料對比，價(jià)格上方形紙管托盤比木質(zhì)與塑料制品有優(yōu)勢，特別適合出口型企業(yè)及在航空貨運(yùn)時(shí)使用。3.2方形紙管包裝箱及承重箱3.2.1結(jié)構(gòu)方形紙管用在包裝材料上分兩種結(jié)構(gòu)：（1）在一定規(guī)格范圍內(nèi)的產(chǎn)品，可直接用方形紙管原材料作為外包裝，兩端用相同材料或吸塑制品作封蓋進(jìn)行包裝。該材料包裝優(yōu)勢有：工藝與裝配過程簡單，一道工序即可完成一個(gè)漂亮的箱體，可量產(chǎn)；框架結(jié)構(gòu)防震、強(qiáng)度硬，抗壓；與其他技術(shù)的紙箱比，紙的韌性既可以保護(hù)產(chǎn)品不受沖擊，抗震，高強(qiáng)度的框架結(jié)構(gòu)又保護(hù)了產(chǎn)品內(nèi)部不會(huì)受到擠壓破壞，外部也不會(huì)因?yàn)檫\(yùn)輸途中與其他產(chǎn)品的擠壓導(dǎo)致外觀變形；比如包裝軸承、鋼球、通訊器材等重型產(chǎn)品，易碎的如紅酒、LED等。（2）承重型箱體。用方形紙管與塑料注塑接頭件結(jié)合，方形紙管成為大箱體的框架結(jié)構(gòu)，接頭件連接紙管，可配板材、蜂窩紙、瓦楞紙等材料作面板，該結(jié)構(gòu)優(yōu)勢是客戶可自行組裝，安裝簡單快捷，可在現(xiàn)場與生產(chǎn)同步完成，箱體重量輕，可增加產(chǎn)品運(yùn)輸數(shù)量，降低運(yùn)輸成本。特別適用于需要使用大木箱完成運(yùn)輸?shù)钠髽I(yè)。比如大型戶外廣告牌、太陽能玻璃等重型產(chǎn)品。3.2.2箱體特點(diǎn)無毒、無味、防潮、重量輕、耐用、可堆疊、外觀可根據(jù)客戶需求印刷企業(yè)LOGO等華麗圖文色彩。323箱體性能具備質(zhì)輕、抗壓，抗震，承載強(qiáng)度大，拉伸、壓縮、色彩豐富、可根據(jù)用戶需求訂做各種規(guī)格、尺寸，外形美觀大方。適用于五金、電子、重型機(jī)械零配件、太陽能、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)。一般根據(jù)客戶提供的尺寸設(shè)計(jì)制作，做到最合理裝載，并可多箱重疊，有效利用廠房空間，增大零部件儲(chǔ)存量，節(jié)約生產(chǎn)成本。方形紙管作為一種全新變革的材料，由于其結(jié)構(gòu)特殊，硬度高，承載強(qiáng)，有韌性，又環(huán)保，其運(yùn)用范圍不僅僅局限在工業(yè)包裝領(lǐng)域。目前有部分商城、家庭已開始用方形紙管做家具、裝飾空間，SGS對該材料進(jìn)行了檢測，符合歐美國家環(huán)保要求；隨著方形紙管在相關(guān)領(lǐng)域的深入發(fā)展，相信創(chuàng)建一個(gè)環(huán)保與色彩并存的家園，不再是一個(gè)遙遠(yuǎn)的夢想。第四章紙管成型工藝方法的設(shè)計(jì)及選擇從設(shè)計(jì)特點(diǎn)出發(fā)我選擇先制紙管再加復(fù)合材料，從承壓、復(fù)合牢固、價(jià)廉出發(fā)我選擇纏繞工藝設(shè)計(jì)生產(chǎn)復(fù)合紙管。纏繞工藝的分類纏繞成型工藝是將浸過膠液的連續(xù)纖維材料通常是布帶或預(yù)浸紗按照某種規(guī)律纏繞到芯模上，然后經(jīng)過固化、脫模，最終獲得的纏繞制品。根據(jù)纏繞時(shí)基體材料所處的物理化學(xué)狀態(tài)的情況不同，纏繞成型工藝可劃分為干法纏繞、濕法纏繞及半干法纏繞三種.1?干法纏繞干法纏繞是用經(jīng)過預(yù)浸膠處理過的預(yù)浸紗或布帶，在纏繞過程中，經(jīng)過加熱使膠液軟化至粘流狀態(tài)后纏繞到芯模上。由于預(yù)浸紗或布帶是專業(yè)生產(chǎn)，能夠嚴(yán)格控制基體材料的含量，通常精確控制在2%以內(nèi)。因此，干法纏繞工藝能夠較好地控制產(chǎn)品質(zhì)量。干法纏繞的最大特點(diǎn)就是生產(chǎn)效率高，其纏繞速度可高達(dá)100-200m/mino其次干法纏繞還有纏繞機(jī)清潔，工作環(huán)境衛(wèi)生條件好，產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。但是，干法纏繞也有其不可克服的缺點(diǎn)，其一是纏繞設(shè)備昂貴，投資大，其二是干法纏繞成型制品的層間剪切強(qiáng)度低。濕法纏繞濕法纏繞是將纖維或布帶經(jīng)浸膠后，在張力控制下直接纏繞到芯模上，然后再經(jīng)過后期固化成型。濕法纏繞的優(yōu)點(diǎn)為:①設(shè)備占用少，成本比干法纏繞低40%左右:②產(chǎn)品氣密性好，究其原因是因?yàn)槔p繞張力使基體材料中的氣泡排出，而且基體材料能夠充分填滿孔隙，產(chǎn)品密實(shí)度高:③濕法纏繞時(shí)，纖維上的基體材料?？蓽p少纖維磨損:⑤濕法纏繞工藝生產(chǎn)效率較高。濕法纏繞的缺點(diǎn)為:①樹脂膠液浪費(fèi)較大大，生產(chǎn)環(huán)境相對較差;②制品中的含膠量及成品質(zhì)量不易控制;③可用來濕法纏繞的基體材料的品種較少。半干法纏繞半干法纏繞是吸取干法纏繞和濕法纏繞的優(yōu)點(diǎn)，折'一戶的一種纏繞工藝。其與濕法工藝相比，在纖維或布帶浸膠到纏繞到芯模的中間增加一套烘干設(shè)備，將纖維或布帶膠液中的溶劑基木去除掉。與干法纏繞相比，半干法纏繞不依賴一整套復(fù)雜的纖維或布帶預(yù)浸漬的工藝設(shè)備。1.1.2纏繞技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀纖維纏繞成型工藝技術(shù)可追溯到20世紀(jì)40年代二戰(zhàn)時(shí)期的美國Manhattan原子能工程，該工程部需要重量輕的FRP（FiberReinforcedPlastic勸｝1強(qiáng)帶。RichardE.Young首先考慮以高強(qiáng)度的玻璃鋼（FRP）來代替金屬，并最先形成了把纖維纏繞在芯模上的纏繞原始概念。同時(shí)設(shè)計(jì)制造了第一臺著名的山舊馬達(dá)和齒輪組成的簡易纖維纏繞機(jī)，隨后纏繞了第一個(gè)復(fù)合材料火箭動(dòng)機(jī)殼體，以及用于防化學(xué)腐蝕的首條玻璃鋼管道并投入使用。上世紀(jì)50年代，纖維纏繞技術(shù)已能生產(chǎn)各種尺寸的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，廣泛用于火箭、戰(zhàn)略導(dǎo)彈等尖端軍用產(chǎn)品上。上世紀(jì)60-70年代，纏繞制品應(yīng)用領(lǐng)域己從軍事部門擴(kuò)展到化工、污水處理、石油及風(fēng)能系統(tǒng)等重要的民用部門，已可纏繞巨大體積的復(fù)合材料產(chǎn)品，如直徑為26英尺，長為126英尺的風(fēng)車葉片:直徑1Om,容積達(dá)1OOOm3的巨型儲(chǔ)罐。該時(shí)期的纖維纏繞技術(shù)進(jìn)入了騰飛階段。上世紀(jì)80年代，由于世界性的軍備競賽，雖然纖維纏繞制品仍集中應(yīng)用于航空、航天和國防項(xiàng)目之中，但應(yīng)用領(lǐng)域已擴(kuò)展到民用工業(yè)，豐富了民用產(chǎn)品的種類，如用于供水系統(tǒng)的高壓管道，用于消防的壓力容器及潛水裝置等。到目前為止，絕大部分纖維纏繞機(jī)是簡單的二軸聯(lián)動(dòng)纏繞機(jī)和三軸聯(lián)動(dòng)纏繞機(jī)，而且80年代以前的纏繞機(jī)都是機(jī)械控制的，首臺計(jì)算機(jī)控制的纖維纏繞機(jī)誕生于這個(gè)時(shí)期。計(jì)算機(jī)控制纏繞機(jī)的研制成功使得生產(chǎn)纖維鋪設(shè)十分精確的復(fù)合材料產(chǎn)品成為可能，從而可以生產(chǎn)出高性能、低成本、重量輕的優(yōu)質(zhì)纏繞部件。另外擴(kuò)大了可纏繞部件的種類，從簡單的直管到一些形狀復(fù)雜的部件。綜上所述，無論是國外還是國內(nèi)，其對纏繞技術(shù)的研究，主要都是基于寬度小（相對于成型直徑來說）且強(qiáng)度和韌度較好的纖維為成型材料，而對于寬度大（相對于成型直徑來說）且強(qiáng)度及韌度較差的紙帶作為增強(qiáng)材料，實(shí)現(xiàn)高精度、-高強(qiáng)度的纏繞成型研究，尚屬空白。因此，進(jìn)行復(fù)合纏繞紙管成型的機(jī)理研究、工藝分析與優(yōu)化及關(guān)鍵控制技術(shù)的研究是十分必要的。2.2纏繞成型工藝的選擇復(fù)合纏繞紙管的纏繞成型工藝主要取決于復(fù)合纏繞紙管的使用工況，換句話說，也就是復(fù)合纏繞紙管的使用需求。首先必須具有足夠的強(qiáng)度及韌性，其次，復(fù)合纏繞紙管在加工、裝配、運(yùn)輸傳輸過程中，要承受承受軸向載荷、徑向載荷、徑向的沖擊載荷以及由于墩鉆帶來的巨大的軸向沖擊力，最后，成型工藝選擇時(shí)還應(yīng)考慮到設(shè)備的投入成本等。綜合上述分析，選擇濕法纏繞成型工藝作為復(fù)合纏繞紙管的成型工藝。紙管表面防水(防油)處理的設(shè)計(jì)紙管的防水防油技術(shù)現(xiàn)在主要有兩種方式：1、給只管表面直接以噴涂、滾涂、刷涂的方式涂抹防水防油試劑。2、給紙管表面添加耐水耐油的復(fù)合材料水性防水光油介紹：水性防水光宇光油也稱為分散型上光劑，具有無色、無味、透明感強(qiáng)且無毒、無有機(jī)揮發(fā)物(VOC)、成本低、材料來源廣、有良好的光澤性、耐折性、耐磨性和耐化學(xué)藥品性等特點(diǎn)，是其他溶劑型上光油所無法比擬的。另外，若再加上其它主劑和助劑，還可提高水性防水光油的光澤性、耐折性、耐磨性和耐化學(xué)藥品性。由于水性上光油以水為稀釋劑，使用少量易揮發(fā)的乙醇為輔助溶液，沒有有毒有害揮發(fā)，經(jīng)濟(jì)衛(wèi)生，在操作中可消除對人體的危害及給環(huán)境帶來的污染，有利于安全生產(chǎn)和改善職工勞動(dòng)條件，非常符合環(huán)保要求，特別在食品、香煙、藥品等包裝上使用非常合適。水性防水光油主要由主劑、溶劑、輔助劑三大類組成。水性防水光油的主劑是成膜樹脂，是上光劑的成膜物質(zhì)，通常是合水性光油成樹脂，它影響和支配著深層的各種物理性能和膜層的上光品質(zhì)、如光澤性、附著性、干燥性等。水性成膜樹脂品種很多，但目前國內(nèi)外使用較為普遍的是丙烯酸體系的共聚樹脂。水性丙烯酸共聚樹脂的性能取決于單體的組成、單體的合成和合成工藝。水性丙烯酸共聚樹脂具有成膜性好、光澤度好、透明度高、干燥迅速、耐磨、耐水等一系列優(yōu)良性能，大量地應(yīng)用在水性上光劑和水性上光涂料中。水性防水光油性能特點(diǎn)：澳達(dá)牌水性防水光油為水溶性環(huán)保非離子型其抗酸、抗堿、耐硬水、水溶性強(qiáng)、乳液穩(wěn)定；水性防水光油應(yīng)用于紙制品表面具有優(yōu)異的成膜性、超強(qiáng)防水、光亮、附著力強(qiáng)等功效，且不影響二次印刷，涂布等操作。水性防水光油適用范圍：廣泛應(yīng)用于各類啤酒箱、冷凍箱、蜂窩瓦愣紙箱、紙卡板。耐水耐油材料簡介：防油防水整理劑HS1100是以納米含氟高分子材料為主要成分的拒水拒油整理劑，適用于天然纖維、化學(xué)纖維，及混紡織物的三防整理。處理后的織物具有優(yōu)異的防水、防油、防污的效果；同時(shí)賦予織物豐厚的手感，使織物遠(yuǎn)離各種有害細(xì)菌及污染°HS1100一般采用于浸軋一一焙烘工藝，對織物的手感與色澤影響低；且對人體安全，對皮膚無刺激、透氣舒適；耐水洗和干洗。目前廣泛應(yīng)用于雨具、風(fēng)衣、油田工作服、臺布、帆布、帳篷及包裝用布等。多家權(quán)威檢測機(jī)構(gòu)一致證明：HS1100整理后的織物拒水性可達(dá)到90分以上；拒油性可達(dá)到4級；無芳香胺殘留物；無PFOS和APEO；PF0A的含量Vlppm。綜合我們所做的課題選擇第二種給紙管表面添加耐水耐油的復(fù)合材料。第四章樣品制備及性能檢測3.2纏繞成型中主要生產(chǎn)工序分析纏繞成型是復(fù)合纏繞紙管加工中最為重要的核心環(huán)節(jié)。在此對對其主要生產(chǎn)工序進(jìn)行分析，包括裁紙、包覆內(nèi)襯層、環(huán)向交又纏繞紙帶、固化及脫模等工序。生產(chǎn)工序中的關(guān)鍵步驟3.2.1裁紙青殼紙作為復(fù)合纏繞紙管的增強(qiáng)材料必須有相應(yīng)的尺寸，在復(fù)合纏繞紙管的成型過程中需要兩種形狀的原材料，一種是內(nèi)襯紙的矩形紙，另一種為纏繞紙帶，其尺寸為優(yōu)化計(jì)算的數(shù)值。3.2.2包覆內(nèi)襯層復(fù)合纏繞紙管纏繞成型開始的第一個(gè)步驟就是包覆內(nèi)襯紙，內(nèi)襯紙?jiān)趶?fù)合纏繞紙管生產(chǎn)過程中的作用有二，其一，完整包覆芯模，隔離芯模，保證膠s劑不會(huì)與芯模表面接觸;其二，整張內(nèi)襯紙包覆芯模，保證與芯模接觸面的光滑度，在脫模時(shí)不會(huì)發(fā)生青殼紙皺褶堆積。包覆內(nèi)襯層主要注意涂抹脫模劑和內(nèi)襯層搭接形式兩個(gè)方面。3.2.2.1涂抹脫模劑為了保證芯模能夠順利從復(fù)合纏繞紙管中脫除，在工藝設(shè)計(jì)中增加了在芯模表面涂抹脫模劑的工序。涂抹脫模劑時(shí)要注意，不但要均勻涂抹所有接觸表面，而且要注意要適量，太少容易產(chǎn)生脫模困難或產(chǎn)品損壞，太多可能造成內(nèi)襯層滲透影響復(fù)合纏繞紙管的質(zhì)量。性能檢測2.5.1.3極限剪切強(qiáng)度1.試驗(yàn)描述采用不同涂膠密度纏繞成型的標(biāo)準(zhǔn)試件，進(jìn)行徑向剪切試驗(yàn)，并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后獲得圖2.8曲線。涂膠密度從0.2g/cm2到1.0g/cm2變化過程當(dāng)中，極限徑向剪切強(qiáng)度隨著涂膠密度的增大過程而較快增加，在涂膠密度在0.6g/cm2附近，極限徑向剪切強(qiáng)度達(dá)到極值，隨后緩慢下降并趨于穩(wěn)定。

匸匚匸匚二極限軸向沖擊■]45--40-35-圖2.6涂膠密度對復(fù)合纏繞紙管極限壓縮強(qiáng)度的影響——,——,0,20.40.60.81.0涂膠密度從0.2g/cm2從｝g/cm2^變化過程當(dāng)中，極限壓縮強(qiáng)度最初是隨著涂膠密度的增大而增大，當(dāng)涂膠密度超過0.6g/cm2時(shí)，極限壓縮強(qiáng)度開始下降。2.試驗(yàn)分析分析試驗(yàn)現(xiàn)象，當(dāng)涂膠密度較小時(shí)，紙帶間的膠量不足以使紙帶層間牢固粘結(jié)，可能存在氣泡或脫層現(xiàn)象，致使復(fù)合纏繞紙管的極限壓縮強(qiáng)度降低，當(dāng)涂膠密度達(dá)到某一較優(yōu)化的值時(shí)，紙帶層間粘結(jié)牢固，使紙帶和粘結(jié)劑有效融合，極限承受壓縮能力最好，而當(dāng)涂膠密度繼續(xù)增大時(shí)，一方面會(huì)促使產(chǎn)生氣泡等缺陷，降低復(fù)合纏繞紙管極限壓縮強(qiáng)度，另一方面，隨著復(fù)合纏繞紙管內(nèi)所含膠液量的增大，提升了復(fù)合纏繞紙管強(qiáng)度中膠砧劑分量，而降低了作為增強(qiáng)材料紙帶的強(qiáng)2.5.1.3極限剪切強(qiáng)度1.試驗(yàn)描述采用不同涂膠密度纏繞成型的標(biāo)準(zhǔn)試件，進(jìn)行徑向剪切試驗(yàn)，并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后獲得圖2.8曲線。涂膠密度從0.2g/cm2到1.0g/cm2變化過程當(dāng)中，極限徑向剪切強(qiáng)度隨著涂膠密度的增大過程而較快增加，在涂膠密度在0.6g/cm2附近，極限徑向剪切強(qiáng)度達(dá)到極值，隨后緩慢下降并趨于穩(wěn)定。

匸匚二極限軸向沖擊■]45-1-匸匚二極限軸向沖擊■]45-1-40-302515…0,20.40.60.81.0涂膠密度(g/cm2)圖2.8涂膠密度對復(fù)合纏繞紙管極限剪切強(qiáng)度的影響2.試驗(yàn)分析當(dāng)涂膠密度較小時(shí)，紙帶間粘結(jié)效果不佳，層間缺陷顯著存在，在承受徑向剪切載荷時(shí)，產(chǎn)生層間分離，各纏繞紙帶不能實(shí)現(xiàn)共同抗御徑向剪切載荷，復(fù)合纏繞紙管在載荷施加點(diǎn)附近產(chǎn)生破壞;當(dāng)涂膠密度達(dá)到某一值時(shí)，復(fù)合纏繞紙管的復(fù)合結(jié)合能力達(dá)到最佳效果，