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关于玻璃钢膜壳生产工艺的探讨


    玻璃钢就是纤维增强热固性塑料,俗称玻璃钢。英文缩写为FRP。那么玻璃钢膜壳就是两端装有封头的圆形压力容器,在其内部装有不同规格型号的过滤用膜元件。现在市场上销售的玻璃钢膜壳基本上是采用螺旋缠绕工艺技术生产的,而只有大连宇星净水设备有限公司生产的玻璃钢膜壳是采用先进的拉绕工艺技术生产的。
    下面就以上陈述的两种玻璃钢膜壳生产工艺技术简单描述如下:首先我们介绍一下螺旋缠绕技术:螺旋缠绕技术即纤维束从一个水平移动的绕丝嘴缠绕到一个转动的芯模上。缠绕角由二者速度的比率来决定。绕丝嘴沿芯模水平方向往复运动,这样砂线就在芯模上形成一个均一厚度且各处缠绕角均为一常数 的菱形花样,相同方向邻近砂片之间相接而不相交,不同方向的纤维则相交。这样为纤维均匀缠满芯模表面时,在圆筒段就构成了两层纤维层。但是需要指示的是,在芯模两端会存在一定长度的纤维混乱区,在制作如玻璃钢膜壳这样的压力容器时,应将此段切除。而拉绕技术就是在拉挤技术的基础上又加入了环向缠绕技术。具体讲就是将纤维砂或其织物分不同层次铺放或缠绕到芯模上,然后通过牵引装置从成型模具中拉出制品。整个工艺过程是连续的,而且每层纤维砂只有相接没有交叉;同时制品的密度、厚度非常均匀,尺寸精度等以Φ102×3mm管为例,其厚度与内径偏均小于0.1mm。
    那么采用以上陈述的两种工艺技术生产玻璃钢膜壳有哪些相同点又有哪些差别呢?首先作为玻璃钢膜壳,它是一种筒形压力容器,因此其受力结构设计应按照薄壳理论等相关技术要求进行设计计算。玻璃钢膜壳总体上可分为三层结构,即内衬层、结构层和外保护层。各层功能不同,内衬层是致密的富树脂层主要起防腐、防渗作用;结构层是高纤维含量的承力层,其承受载荷引起的各种应力;外保护层则是为结构层玻璃钢的老化提供保护,同时又有外观装饰作用,作为玻璃钢膜壳,外观颜色基本上有三种,即白色、蓝色和黑色,以白色为主。
玻璃钢膜壳壳体体结构层的设计计算我们可以采用以下几个计算公式:
1、由内压引起的环向应力:
 
 
式中δoθ  ——环向应力;
               Pω  —— 工作压力(或设计工作压力)
D   —— 壳体内径;
t   —— 壳体壁厚。
 
2、由内压引起的轴向应力:
 
  式中δx   ——轴向应力;
               Pω  —— 工作压力(或设计工作压力)
D   —— 壳体内径;
t   —— 壳体壁厚。
 
    根据以上两个计算公式我们不难看到,玻璃钢膜壳壳体的环向应力为轴向应力的二倍,也就是说当采用螺旋缠绕工艺技术进行生产时,只要保证环向缠绕层厚度为纵向铺设层厚度的二倍即可。同时为了保证玻璃钢膜壳的抗疲劳性和6倍安全系数,壳体的环向许用应力应为:〔δy〕=δy/K
式中K为玻璃钢壳体的安全系数,通常取6~10。在进行玻璃钢膜壳设计计算时,我们就可以选用纤维材料的机械强度值,先确定环向许用应力,然后根据膜壳直径与设计工作压力来确定壳体的壁厚。
通过以上简单的描述我们就很容易看到,采用拉绕工艺技术比采用螺旋缠绕工艺技术生产玻璃钢膜壳具有以下几方面的优势:
    1、拉绕工艺是连续生产,可按需要加工各种长度的膜壳。
    2、内外表面都是光滑表面,无需象缠绕那样需要对外表面进行车削或磨削加工,这样不仅可以减少材料消耗,降低劳动强度,同时又可以减少对环境的污染。
    3、拉绕工艺很容易保证纤维排布的有序性,没有纤维相交的纤维混乱区,从而可以最大限度发挥增强纤维的性能,从而保证玻璃钢膜壳制品的性能的稳定性。
    4、拉绕工艺生产的玻璃钢膜壳具有很好的壁厚均匀度,平均偏差不大于0.1mm,从而可以保证加工多孔玻璃钢膜壳的尺寸精度。
    5、由于拉绕工艺的可设计性与可操作性更强,使得生产不同压力等级要求的玻璃钢膜壳变得更加简单。
    总而言之,通过以上两种玻璃钢膜壳生产工艺技术的简单介绍与对比,我们就不难看到,由于拉绕这种新工艺技术的先进性,必然会对玻璃钢膜壳的生产与发展起到积极的推动作用。但是在这里我们仍然需强调的是,不论哪种工艺生产的玻璃钢膜壳,它都是层结构。也就是说,选用好的纤维增强材料与好的基体树脂材料,对保证产品质量是至关重要的。因为这样层结构的特性,要想充分发挥每层增强纤维的性能,就是采用适合的基体树脂,这样才能充分浸润纤维,层与层之间的粘接强度才能高,才能更好地把膜壳受力均匀地分散与传递到每一层面,真正起到桥梁作用。因此,这是我们在探讨玻璃钢膜壳生产工艺技术时所必须强调的前提条件。
    随着科学技术的不断发展与进步,有关膜壳的生产一定还会有新的技术出现,玻璃钢材料也会被性能更加优异的其它高分子复合材料所取代,这是我们大家都希望看到的,也是时代发展的必然。
 
大连宇星净水设备有限公司
2009-11-24