连续纤维增强玻璃钢球阀性能研究

摘要：介绍了由材料性能试验获取的连续玻璃纤维增强复合材料的力学性能，包括沿各个不同方向的拉伸、压缩、剪切、弯曲等性能参数，并依据这些性能参数，研究连续纤维增强玻璃钢球阀的设计要点，导出其详细设计公式。通过付材料组成及制备工艺进行改进，使得设计出的玻璃钢球阀较国内普通的玻璃钢球阀力学性能更为优秀。

关键词：玻璃钢球阀；连续玻璃纤维；力学性能

1 概述

长期以来，在化工、石油、医药和食品等工业部门中，控制、输送介质管路上的耐腐蚀阀门一般都采用不锈钢、搪瓷、硅铁、陶瓷和聚四氟乙烯等耐腐蚀材料，玻璃钢是近 50 多年来发展迅速的一种复合材料。玻璃钢是以玻璃纤维作增强材料、合成树脂作粘结剂的增强塑料。随着我国玻璃钢事业的发展，作为塑料基的增强材料，已由玻璃纤维扩大到碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、氧化铝纤维和碳化硅纤维等。由于玻璃钢相对其他材料具有更加优良的耐化学介质腐蚀性，玻璃钢制管道和阀门已得到广泛应用。一般的不锈钢阀门在高温盐酸和酸碱交替条件下是不能使用的，在价格上玻璃钢阀门只有相同尺寸不锈钢阀门的 1/3 左右。

2 分析

目前国内玻璃钢球阀所用材料的基体树脂大多采用改性酚醛树脂，增强纤维一般都采用短切纤维。这样的玻璃钢球阀只能在 PN6 的工况下使用，大大限制了应用范围，使玻璃钢优良的耐腐蚀性能得不到允分发挥。为了满足各行业日益增长的阀门使用需求和各种严酷苛刻使用环境的需要，必须对现有玻璃钢阀门的材料及制作工艺进行改进，使其适用于更高压力范围。本文首先对连续玻璃纤维增强玻璃钢的材料力学性能进行试验研究，在已知玻璃钢材料性能参数的基础上导出玻璃钢球阀的设计要点。

3 球阀材料选用

目前国内用于制造阀门的玻璃钢基体材料主要以环氧和酚醛两类树脂（包括其改性品种，如：聚乙烯醇缩丁醛改性酚醛、二甲苯甲醛树脂改性酚醛、环氧酚醛等）为主，聚醋玻璃钢阀和改性峡喃树脂玻璃钢阀也有少量生产。作为增强材料的玻璃纤维也形式各异，但限于模压成型工艺，主要采用短切纤维增强形式。短玻纤增强的复合材料性能不高，各种玻璃钢阀的工作温度上限一般为 120~140℃，工作压力为 0.8~1.0MPa。这个工作压力范围仅相当于低压区的工作压力范围。

本文介绍的球阀用玻璃钢是采用连续玻璃纤维布作增强体，用乙烯基醋树脂（vinyl Ester Resins）作为基体材料的复合材料。连续玻璃纤维布增强的玻璃钢具有抗冲击强度好，蠕变小，耐热性好，成型收缩小等优点。与玻璃钢管道应用条件相类似，乙烯基树脂的耐温、耐腐蚀和加工性能好，常应用于化工设备的防腐保护。而采用连续玻璃纤维布取代传统的短切纤维作为增强材料可以大大提高玻璃钢中玻璃纤维的百分含量和增强效果。玻璃纤维是玻璃钢的主要承力部分，玻璃纤维含量的提高将意味着玻璃钢整体力学性能的提升。

4 材料力学性能试验

4.1 试验材料

试验用材料即复合材料厚板材由连续玻璃纤维增强乙烯基树脂制成，纤维结构形式与成型工艺过程与新型玻璃钢球阀制作所采用的连续增强纤维结构和成型工艺条件一致，纤维含量也相同。为了便于试验确定面外（层间）加载条件下复合材料的性能，制作的原材料板材厚度为 60mm。

4.2 试验过程

根据标准要求的试验用试样的尺寸，制作了 8 组（每组 5 个）试样。

将试样固定在 CSS 电子万能试验机上，与负荷传感器、控制器、功率放大器和计算机等连接共同工作。沿着面内和面外两个方向，分别切割 5 根试样，共切割 10 根试样。试验在 25℃ 环境下进行，每组试验重复五次。

（l）拉伸试验

试验加载速度为 1mm/min，记录相应的位移一载荷曲线，连接感应器，同时面内拉伸使用 YJY-13B 引伸计记录对应的载荷一变形曲线。通过计算将记录的载荷一变形曲线转化为相应的应力一应变曲线，得到复合材料总体的拉伸弹性模量和拉伸强度。

（2）压缩试验

试验加载速度为 0.5mm/min，同时记录相应的位移一载荷曲线。压缩试验加力端是一直径为 80mm 的圆柱体，试样置于圆柱体的中心，通过试验机横梁的上下移动实现对试样加力。将记录的载荷一变形曲线转化为相应的应力一应变曲线后，得到复合材料的压缩弹性模量和压缩强度。

（3）弯曲试验

试验加载速度为 1mm/min，试样作为层合梁，进行横向三点弯曲试验，同时记录相应的中心位移一载荷曲线。通过计算将记录的载荷一变形曲线转化为相应的应力一应变曲线，得到复合材料的弯曲弹性模量和弯曲强度。

（4）剪切试验

加载速度为 0.5mm/min，同时记录相应的位移一载荷曲线。通过计算将记录的载荷一变形曲线转化为相应的应力一应变曲线，得到复合材料的剪切强度。

4.3 试验结果

从试验测得的连续纤维增强复合材料的面内材料性能结果平均值可以看出，采用连续纤维增强的玻璃钢的力学性能较用短切纤维增强的玻璃钢有显著的提升，面内拉伸强度与短切纤维增强玻璃钢拉伸强度相比，提高两倍之多。这是由于作为玻璃钢增强材料的纤维是玻璃钢的主要承力部分，采用连续纤维增强以后，纤维的百分含量可高达 70 %，而短切纤维增强玻璃钢的纤维含量仅有 40% 左右。当然，玻璃钢的力学性能还和其他因素有关，比如树脂的种类等。

5 结语

通过改进玻璃钢的材料组成和制作工艺，提升了玻璃钢的整体力学性能，克服了短切玻璃纤维增强玻璃钢脆性大的缺点。经壳体试验，按 PN6 设计的玻璃钢球阀至少可以在 PN25 的工况下安全使用。拓宽了玻璃钢球阀的使用范围，使玻璃钢球阀的耐腐蚀性能得以充分发挥。