缠绕成形工艺

时间：2022-11-05 百科知识版权反馈

【摘要】：就全世界而言，缠绕成形工艺生产的复合材料制品，已占世界复合材料总产量的8%左右。根据纤维缠绕成形时，树脂基体的物理化学状态不同，缠绕成形工艺可分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。缠绕成形适应性小，不能缠任意结构形式的制品，特别是表面有凹陷的制品，因为缠绕时，纤维不能紧贴芯模表面而架空；缠绕成形需要有缠绕机，芯模，固化加热炉，脱模机及熟练的技术工人，需要的投资大，技术要求高。

15.3.6　缠绕成形工艺

自1946年美国发明用连续纤维缠绕成形压力容器方法以来，缠绕成形工艺得到不断的完善和发展。就全世界而言，缠绕成形工艺生产的复合材料制品，已占世界复合材料总产量的8%左右。我国在1962～1963年研究出纤维缠绕的规律，设计出可缠制各种压力容器的链条式缠绕机，拉开了我国缠绕成形技术发展的序幕。此后，由德国引进大型数控缠绕机，生产火箭发动机壳体和6m长、2m直径的玻璃钢贮罐。进入20世纪80年代，先后从意大利、美国、日本等国引进了自动化程度较高的微机控制缠绕机，可以生产直径4m、长15m以内的管、罐。引进的现场缠绕机，经研究改造后，可以缠20m直径的立式贮罐。与此同时，我国自行设计制造的机械式缠绕机，微机控制自动化程度很高的大型缠绕机和连续缠管机都相继问世，其技术水平在某些方面超过国外进口设备，现已进入国际市场。

15.3.6.1　分类和特点

1）缠绕成形工艺分类

根据纤维缠绕成形时，树脂基体的物理化学状态不同，缠绕成形工艺可分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。

（1）干法缠绕。干法缠绕是采用经过预浸胶处理（树脂处于B阶段）的预浸纱或带，在缠绕机上经加热软化至黏流态后缠绕到芯模上。由于预浸纱（或带）是专业生产，能严格控制树脂含量（精确到2%以内）和预浸纱质量。因此，干法缠绕能够准确地控制产品质量。

（2）湿法缠绕。湿法缠绕是将纤维集束（纱式带）浸胶后，在张力控制下直接缠绕到芯模上。湿法缠绕的优点为：成本比干法缠绕低10%；产品气密性好，因为缠绕张力使多余的树脂胶液将气泡挤出，并填满空隙；纤维排列平行度好；湿法缠绕时，纤维上的树脂胶液，可减少纤维磨损；生产效率高（达200m/min）。

（3）半干法缠绕。半干法缠绕是在纤维浸胶和缠绕之间，增加一套烘干设备，将浸胶纱中的溶剂除去。与干法相比，省去了预浸胶工序和设备；与湿法相比，可使制品中的气泡含量降低。

三种缠绕方法，以湿法缠绕应用最普遍；干法缠绕仅用于高性能、高精度尖端技术领域。

2）纤维缠绕成形特点

（1）优点。能够按产品的受力状况设计缠绕方式，使能充分发挥纤维的强度，比强度高。一般来讲，纤维缠绕压力容器与同体积，同压力的钢质容器相比，重量可减轻40%～60%，可靠性高。纤维缠绕制品易实现机械化和自动化生产，工艺条件确定后，缠绕成型的产品质量稳定，精确；生产效率高。采用机械化或自动化生产，需要的操作工人少，缠绕速度快（240m/min），故劳动生产率高、成本低。在同一产品上，可合理配选若干种材料（包括树脂、纤维和内衬），使其再复合，达到最佳的技术经济效果。

（2）缺点。缠绕成形适应性小，不能缠任意结构形式的制品，特别是表面有凹陷的制品，因为缠绕时，纤维不能紧贴芯模表面而架空；缠绕成形需要有缠绕机，芯模，固化加热炉，脱模机及熟练的技术工人，需要的投资大，技术要求高。因此，只有大批量生产时才能降低成本，才能获得较高的技术经济效益。

15.3.6.2　生产准备

1）原材料

（1）增强材料。缠绕成形用的增强材料，主要是各种纤维纱：如无碱玻璃纤维纱，中碱玻璃纤维纱，碳纤维纱，高强玻纤纱，芳纶纤维纱及表面毡等。选择增强材料时，应注意以下问题：

—性能和价格。碳纤维、芳纶纤维等高强度、高模量玻璃纤维，其性能优异，强度大、刚性好、质量小，但这些纤维价格贵，常用于航空、航天及体育用品等方面。一般民用产品则多采用普通玻璃纤维。为了充分发挥不同增强材料的特性和降低成本，也可以采用两种以上纤维进行缠绕。如螺旋缠绕采用碳纤维，环向缠绕采用玻璃纤维，这样可以提高缠绕制品的纵向刚度，同时也能降低成本。

—满足制品的性能要求。无碱纤维耐水性及电性能好，适用于电器和绝缘制品。中碱纤维价格比无碱纤维价格便宜30%以上，耐酸性能优越，应大力推广。

—浸透性和粘接性。不论是碳纤维，芳纶纤维或玻璃纤维，用于缠绕成形时，都应进行表面处理，保证与树脂有较好的浸透性和粘接性。

—张力。无捻粗纱各股纱的张力均匀，不起毛，不断头，成带性好。

（2）树脂基体。树脂基体是指树脂和固化剂组成的胶液体系。缠绕制品的耐热性，耐化学腐蚀性及耐自然老化性主要取决于树脂性能，同时，其对工艺性、力学性能也有很大影响。

缠绕成形常用树脂主要是不饱和聚酯树脂，有时也用环氧树脂和双马来酰亚胺树脂等。选择树脂时，除满足使用情况的物理化学性能外，还要注意工艺性要求。具体要求为：

—适用期要长，为了保证能顺利地完成缠绕过程，胶液的凝胶时间应大于4h；

—树脂胶液的流动性是保证纤维被浸透，含胶量均匀和纱片中气泡被排出的必要条件，缠绕成形胶液的黏度，应控制在0.35～1.0Pa·s；

—树脂基体的断裂伸长率应和增强材料相匹配，不能太小；

—树脂胶液在缠绕过程中毒性要小，固化后的收缩率要低；

—来源充足，价格便宜。对于一般民用制品如管、罐等，多采用不饱和聚酯树脂。对力学性能的压缩强度和层间剪切强度要求高的缠绕制品，则可选用环氧树脂。航天航空制品多采用具有高断裂韧性与耐湿性能好的双马来酰亚胺树脂。

（3）填料。填料种类很多，加入后能改善树脂基体的某些功能，如提高耐磨性，增加阻燃性和降低收缩率等。在胶液中加入空心玻璃微珠，可提高制品的刚性，减小密度和降低成本等。在生产大口径地埋管道时，常加入30%石英砂，借以提高产品的刚性和降低成本。为了提高填料和树脂之间的粘接强度，填料要保证清洁并进行表面活化处理。

2）芯模和内衬

（1）芯模。成形中空制品的内模称芯模。一般情况下，缠绕制品固化后芯模要从制品内脱出。

芯模设计的基本要求：

—要有足够的强度和刚度，能够承受制品成形加工过程中施加于芯模的各种载荷；

—能满足制品形状和尺寸精度要求，如形状尺寸、同心度、椭圆度、表面光洁度等；

—保证产品固化后，能顺利从制品中脱出；

—制造简单，造价便宜，取材方便。

芯模材料。缠绕成形芯模材料分两类：

①熔、溶性芯模材料：石蜡；水溶性聚乙烯醇型砂等。这几种材料可用浇铸法制成空心或实心芯模，制品缠绕成形后，从开口处通入热水或高压蒸汽，使其溶、熔，从制品中流出，流出的熔体，冷却后可重复使用。

②组装式芯模材料：组装式芯模材料常用的有铝、钢、夹层结构、木材及石膏等。

金属芯模一般设计成可拆式结构，制品固化后，从开口处将芯模拆散取出，重复使用。钢、铝和夹层结构芯模，可重复使用，适合于批量产品生产。

石膏、木材材料来源广，价格低，制造和脱模比较方便。石膏芯模是一次性使用，不能回收。小型产品可用实心芯模，大型制品则与木材等制成组装空心芯模。