連續(xù)纖維增強(qiáng)玻璃鋼球閥性能研究

摘要：介紹了由材料性能試驗獲取的連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能，包括沿各個不同方向的拉伸、壓縮、剪切、彎曲等性能參數(shù)，并依據(jù)這些性能參數(shù)，研究連續(xù)纖維增強(qiáng)玻璃鋼球閥的設(shè)計要點，導(dǎo)出其詳細(xì)設(shè)計公式。通過付材料組成及制備工藝進(jìn)行改進(jìn)，使得設(shè)計出的玻璃鋼球閥較國內(nèi)普通的玻璃鋼球閥力學(xué)性能更為。

關(guān)鍵詞：玻璃鋼球閥；連續(xù)玻璃纖維；力學(xué)性能

1 概述

長期以來，在化工、石油、醫(yī)藥和食品等工業(yè)部門中，控制、輸送介質(zhì)管路上的耐腐蝕閥門一般都采用不銹鋼、搪瓷、硅鐵、陶瓷和聚四氟乙烯等耐腐蝕材料，玻璃鋼是近 50 多年來發(fā)展迅速的一種復(fù)合材料。玻璃鋼是以玻璃纖維作增強(qiáng)材料、合成樹脂作粘結(jié)劑的增強(qiáng)塑料。隨著我國玻璃鋼事業(yè)的發(fā)展，作為塑料基的增強(qiáng)材料，已由玻璃纖維擴(kuò)大到碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、氧化鋁纖維和碳化硅纖維等。由于玻璃鋼相對其他材料具有更加優(yōu)良的耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕性，玻璃鋼制管道和閥門已得到廣泛應(yīng)用。一般的不銹鋼閥門在高溫鹽酸和酸堿交替條件下是不能使用的，在價格上玻璃鋼閥門只有相同尺寸不銹鋼閥門的 1/3 左右。

2 分析

目前國內(nèi)玻璃鋼球閥所用材料的基體樹脂大多采用改性酚醛樹脂，增強(qiáng)纖維一般都采用短切纖維。這樣的玻璃鋼球閥只能在 PN6 的工況下使用，大大限制了應(yīng)用范圍，使玻璃鋼優(yōu)良的耐腐蝕性能得不到允分發(fā)揮。為了滿足各行業(yè)日益增長的閥門使用需求和各種嚴(yán)酷苛刻使用環(huán)境的需要，必須對現(xiàn)有玻璃鋼閥門的材料及制作工藝進(jìn)行改進(jìn)，使其適用于更高壓力范圍。本文首先對連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)玻璃鋼的材料力學(xué)性能進(jìn)行試驗研究，在已知玻璃鋼材料性能參數(shù)的基礎(chǔ)上導(dǎo)出玻璃鋼球閥的設(shè)計要點。

3 球閥材料選用

目前國內(nèi)用于制造閥門的玻璃鋼基體材料主要以環(huán)氧和酚醛兩類樹脂（包括其改性品種，如：聚乙烯醇縮丁醛改性酚醛、二甲苯甲醛樹脂改性酚醛、環(huán)氧酚醛等）為主，聚醋玻璃鋼閥和改性峽喃樹脂玻璃鋼閥也有少量生產(chǎn)。作為增強(qiáng)材料的玻璃纖維也形式各異，但限于模壓成型工藝，主要采用短切纖維增強(qiáng)形式。短玻纖增強(qiáng)的復(fù)合材料性能不高，各種玻璃鋼閥的工作溫度上限一般為 120~140℃，工作壓力為 0.8~1.0MPa。這個工作壓力范圍僅相當(dāng)于低壓區(qū)的工作壓力范圍。

本文介紹的球閥用玻璃鋼是采用連續(xù)玻璃纖維布作增強(qiáng)體，用乙烯基醋樹脂（vinyl Ester Resins）作為基體材料的復(fù)合材料。連續(xù)玻璃纖維布增強(qiáng)的玻璃鋼具有抗沖擊強(qiáng)度好，蠕變小，耐熱性好，成型收縮小等優(yōu)點。與玻璃鋼管道應(yīng)用條件相類似，乙烯基樹脂的耐溫、耐腐蝕和加工性能好，常應(yīng)用于化工設(shè)備的防腐保護(hù)。而采用連續(xù)玻璃纖維布取代傳統(tǒng)的短切纖維作為增強(qiáng)材料可以大大提高玻璃鋼中玻璃纖維的百分含量和增強(qiáng)效果。玻璃纖維是玻璃鋼的主要承力部分，玻璃纖維含量的提高將意味著玻璃鋼整體力學(xué)性能的提升。

4 材料力學(xué)性能試驗

4.1 試驗材料

試驗用材料即復(fù)合材料厚板材由連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)乙烯基樹脂制成，纖維結(jié)構(gòu)形式與成型工藝過程與新型玻璃鋼球閥制作所采用的連續(xù)增強(qiáng)纖維結(jié)構(gòu)和成型工藝條件一致，纖維含量也相同。為了便于試驗確定面外（層間）加載條件下復(fù)合材料的性能，制作的原材料板材厚度為 60mm。

4.2 試驗過程

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求的試驗用試樣的尺寸，制作了 8 組（每組 5 個）試樣。

將試樣固定在 CSS 電子試驗機(jī)上，與負(fù)荷傳感器、控制器、功率放大器和計算機(jī)等連接共同工作。沿著面內(nèi)和面外兩個方向，分別切割 5 根試樣，共切割 10 根試樣。試驗在 25℃ 環(huán)境下進(jìn)行，每組試驗重復(fù)五次。

（l）拉伸試驗

試驗加載速度為 1mm/min，記錄相應(yīng)的位移一載荷曲線，連接感應(yīng)器，同時面內(nèi)拉伸使用 YJY-13B 引伸計記錄對應(yīng)的載荷一變形曲線。通過計算將記錄的載荷一變形曲線轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的應(yīng)力一應(yīng)變曲線，得到復(fù)合材料總體的拉伸彈性模量和拉伸強(qiáng)度。

（2）壓縮試驗

試驗加載速度為 0.5mm/min，同時記錄相應(yīng)的位移一載荷曲線。壓縮試驗加力端是一直徑為 80mm 的圓柱體，試樣置于圓柱體的中心，通過試驗機(jī)橫梁的上下移動實現(xiàn)對試樣加力。將記錄的載荷一變形曲線轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的應(yīng)力一應(yīng)變曲線后，得到復(fù)合材料的壓縮彈性模量和壓縮強(qiáng)度。

（3）彎曲試驗

試驗加載速度為 1mm/min，試樣作為層合梁，進(jìn)行橫向三點彎曲試驗，同時記錄相應(yīng)的中心位移一載荷曲線。通過計算將記錄的載荷一變形曲線轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的應(yīng)力一應(yīng)變曲線，得到復(fù)合材料的彎曲彈性模量和彎曲強(qiáng)度。

（4）剪切試驗

加載速度為 0.5mm/min，同時記錄相應(yīng)的位移一載荷曲線。通過計算將記錄的載荷一變形曲線轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的應(yīng)力一應(yīng)變曲線，得到復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度。

4.3 試驗結(jié)果

從試驗測得的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的面內(nèi)材料性能結(jié)果平均值可以看出，采用連續(xù)纖維增強(qiáng)的玻璃鋼的力學(xué)性能較用短切纖維增強(qiáng)的玻璃鋼有顯著的提升，面內(nèi)拉伸強(qiáng)度與短切纖維增強(qiáng)玻璃鋼拉伸強(qiáng)度相比，提高兩倍之多。這是由于作為玻璃鋼增強(qiáng)材料的纖維是玻璃鋼的主要承力部分，采用連續(xù)纖維增強(qiáng)以后，纖維的百分含量可高達(dá) 70 %，而短切纖維增強(qiáng)玻璃鋼的纖維含量僅有 40% 左右。當(dāng)然，玻璃鋼的力學(xué)性能還和其他因素有關(guān)，比如樹脂的種類等。

5 結(jié)語

通過改進(jìn)玻璃鋼的材料組成和制作工藝，提升了玻璃鋼的整體力學(xué)性能，克服了短切玻璃纖維增強(qiáng)玻璃鋼脆性大的缺點。經(jīng)殼體試驗，按 PN6 設(shè)計的玻璃鋼球閥至少可以在 PN25 的工況下安全使用。拓寬了玻璃鋼球閥的使用范圍，使玻璃鋼球閥的耐腐蝕性能得以充分發(fā)揮。