纖維纏繞成型工藝是在纖維張力和預定成型控制條件下，將浸過樹脂膠液的連續纖維（或布、預浸紗）按照一定的規律纏繞到芯模或內襯上，然后經固化、脫模、獲得一定形狀的制品。
一、概述
（1）纖維纏繞成型工藝及分類 根據纖維纏繞成型時樹脂基體的物理化學狀態不同，分為干法纏繞、濕法纏繞和半干法纏繞三種，其工藝流程如下：
①干法纏繞 干法纏繞是采用經過預浸膠處理（樹脂處于B階段）的預浸紗或帶，在纏繞機上經加熱軟化至黏流態后纏繞到芯摸上。由于預浸紗（或帶）是專業生產，能嚴格控制樹脂含量—（精確到2%以內）和預浸紗質量。因此，干法纏繞能夠準確地控制產品質量。
 干法纏繞工藝的最大特點是生產效率高，纏繞速度可達100～200m/min，纏繞機清潔，勞動衛生條件好，產品質量高。其缺點是纏繞設備貴，需要增加預浸紗制造設備，故投資較大，此外，干法纏繞制品的層間剪切強度較低。
②濕法纏繞 濕法纏繞是將纖維集束（紗式帶）浸膠后，在張力控制下直接纏繞到芯模上。濕法纏繞的優點為：a.成本比干法纏繞低40%；b.產品氣密性好，因為纏繞張力使多余的樹脂膠液將氣泡擠出，并填滿空隙；c.纖維排列平行度好；d.濕法纏繞時，纖維上的樹脂膠液，可減少纖維磨損；e.生產效率高（達200m/min）。
濕法纏繞的缺點為：a.樹脂浪費大，操作環境差；b.含膠量及成品質量不易控制；c.可供濕法纏繞的樹脂品種較少。
③半干法纏繞 半干法纏繞是纖維浸膠后，到纏繞至模芯的途中，增加一套烘干設備，將浸膠紗中的溶劑除去。與干法相比，省去了預浸膠工序和設備；與濕法相比，可使制品中的氣泡含量降低。
三種纏繞方法中，以濕法纏繞應用最普遍，干法纏繞僅用于高性能、高精度的尖端技術領域。
（2）纖維纏繞成型的特點
①纖維纏繞成型的優點 a.能夠按產品的受力狀況設計纏繞規律，能充分發揮纖維的強度；b.比強度高，一般來講，纖維纏繞壓力容器與同體積、同壓力的鋼質容器相比，質量可減輕40%～60%；c.可靠性高，纖維纏繞制品易實現機械化和自動化生產，工藝條件確定后，纏出來的產品質量穩定，精確；d.生產效率高，采用機械化或自動化生產，需要操作工人少，纏繞速度快（240m/min），故勞動生產率高；e.成本低，在同一產品上，可合理配選若干種材料（包括樹脂、纖維和內襯），使其再復合，達到最佳的技術經濟效果。
②纏繞成型的缺點 a.纏繞成型適應性小，不能纏任意結構形式的制品，特別是表面有凹的制品，因為纏繞時，纖維不能緊貼芯模表面而架空；b.纏繞成型需要有纏繞機，芯模，固化加熱爐，脫模機及熟練的技術工人，需要的投資大，技術要求高，因此，只有大批量生產時才能降低成本，才能獲得較高的技術經濟效益。
（3）纏繞成型技術的發展現狀
①纏繞成型技術發展現狀 自1946年美國發明用連續纖維纏繞成型壓力容器方法以來，纏繞成型工藝得到不斷的完善和發展。就全世界而言，纏繞成型工藝生產的復合材料制品，已占世界復合材料總產量的8%左右。我國在1962～1963年總結出纖維纏繞規律，設計出可纏制各種壓力容器的鏈條式纏繞機，揭開了我國纏繞成型’技術的歷史。此后，由德國引進大型數控纏繞機，生產火箭發動機殼體和6m長、2m直徑的玻璃鋼貯罐。進入20世紀80年代，先后從意大利、美國、日本等引進了自動化程度較高的微機控制纏繞機，可以生產直徑4m、長15m以內的管、罐，引進的現場纏繞機，經研究改造后，可以纏20m直徑的立式貯罐。與此同時，我國自行設計制造的機械式纏繞機，微機控制自動化程度很高的大型纏繞機和連續纏管機都相繼問世，其技術水平在某些地方超過國外進口設備，現已進入國際市場。
②纖維纏繞制品開發應用 纖維纏繞制品的開發應用，分為軍工和民用兩個方面。
a.軍工和空間技術應用 應用于軍工和空間技術方面的復合材料纏繞制品，要求精密、可靠、質量輕及經濟等，纖維纏繞制品在航空、航天及軍工方面的應用實例有：固體火箭發動機殼體；固體火箭發動機燒蝕襯套；火箭發射筒；魚雷儀器艙；飛機機頭雷達罩；氧氣瓶（機載）；直升機的旋翼；高速分離器轉筒；天線桿、點火器，波導管；導彈連接裙；航天飛機的機械臂等。
在這些產品中，最具代表性的是火箭發動機殼體，例如美國北極星A導彈一、二級發動機殼體，我國長征二號火箭發動機殼體，均用纖維纏繞玻璃鋼取代合金鋼，質量減輕45%，射程由1600km增加到4000km，生產周期縮短了1/3，成本大幅降低，僅為鈦合金的1/10。
b.民品方面應用 在民晶方面，纖維纏繞制品的優點，主要表現在輕質高強、防腐、耐久、實用、經濟等方面，已開發應用的產品有：高壓氣瓶（煤氣、氧氣）；輸水工程，防腐管道及配件；各種尺寸和性能貯罐；電機綁環及護環；風機葉片；跳高運動員用的撐桿、船桅桿，電線桿；貯能飛輪；汽車板簧及傳動軸；紡織機劍桿，繞絲筒；羽毛球及網球球拍；防波浮筒；磁選機筒等。
最具代表性的民用纏繞制品是玻璃鋼管、罐。它具有一系列優點：耐化學腐蝕；摩擦阻力小，可降低能耗30%左右；質量輕，為同口徑鋼管質量的1/3～1/5；能生產2～4m大口徑管（而球墨鑄鐵管的最大口徑為1m）；施工安裝費用比鋼管低15%～50%；中國生產的直徑15～20m，容積1000m3以上的大型立式貯罐，已在工程實際應用，性能良好。
二、原材料及芯模
（1）原材料 纏繞成型的原材料主要是纖維增強材料、樹脂和填料。
①增強材料纏繞成型用的增強材料，主要是各種纖維紗：如無堿玻璃纖維紗，中堿玻璃纖維紗，碳纖維紗，高強玻璃纖維紗，芳綸纖維紗及表面氈等。
選擇增強材料時，應注意以下問題。
a.性能和價格 碳纖維、芳綸纖維，高強度、高模量玻璃纖維，其性能優異，強度大、剛性好，碳纖維和芳綸纖維的質量小，但這些纖維價格貴，常用于航空、航天及體育用品等方面。一般民用產品則多采用普通玻璃纖維。為了充分發揮不同增強材料的特性和降低成本，也可以采用兩種以上纖維進行纏繞。如螺旋纏繞采用碳纖維，環向纏繞采用玻璃纖維，這樣可以提高纏繞制品的縱向剛度，同時也能降低成本。
b.滿足制品的性能要求 無堿纖維耐水性、電性能好，適用于電器、絕緣制品。中堿纖維價格比無堿纖維價格便宜30%以上，耐酸性能優越，應大力推廣。
c.浸透性和粘接性 不論是碳纖維、芳綸纖維或玻璃纖維，用于纏繞成型時，都應進行表面處理，保證與樹脂有較好的浸透性和粘接性。
d.張力 無捻粗紗各股紗的張力均勻，不起毛，不斷頭，成帶性好。
②樹脂基體 樹脂基體是指樹脂和固化劑組成的膠液體系。纏繞制品的耐熱性，耐化學腐蝕性及耐自然老化性主要取決于樹脂性能，同時對工藝性、力學性能也有很大影響。
其基本要求如下：
a.適用期要長，為了保證能順利的完成纏繞過程，膠液的凝膠時間應大于4h；
b.樹脂膠液的流動性是保證纖維被浸透，含膠量均勻和紗片中氣泡被排出的必要條件，纏繞成型膠液的黏度應控制在0.35～1.0Pa·s；
c.樹脂基體的斷裂伸長率應和增強材料相匹配，不能太小；
d.樹脂膠液在纏繞過程中毒性要小，固化后的收縮率要低；
e.來源充足，價格便宜。
③填料 種類很多，加入后能改善樹脂基體的某些功能，如提高耐磨性，增加阻燃性和降低收縮率等。在膠液中加入空心玻璃微珠，可提高制品的剛性，減小密度和降低成本等。在生產大口徑地埋管道時，常加入30%石英砂，借以提高產品的剛性和降低成本。
為了提高填料和樹脂之間的粘接強度，填料要保證清潔和表面活性處理。
（2）芯模 成型中空制品的內模稱芯模。一般情況下，纏繞制品固化后，芯模要從制品內脫出。
①芯模設計的基本要求
a.要有足夠的強度和剛度，能夠承受制品成型加工過程中施加于芯模的各種載荷，如自重、制品重，纏繞張力，固化應力，二次加工時的切削力等；
b.能滿足制品形狀和尺寸精度要求，如形狀尺寸，同心度、橢圓度、錐度（脫模），表面光潔度和平整度等；
c.保證產品固化后，能順利從制品中脫出；
d.制造簡單，造價便宜，取材方便。
②芯模材料 纏繞成型芯模材料分兩類：（a）熔、溶性材料；（b）組裝式材料。
a.熔、溶性芯模材料石蠟、水溶性聚乙烯醇型砂、低熔點金屬等，這類材料可用澆鑄法制成空心或實心芯模，制品纏繞成型后，從開口處通人熱水或高壓蒸汽，使其溶、熔，從制品中流出，流出的溶體，冷卻后重復使用。
b.組裝式芯模材料和內襯材料組裝式芯模材料常用的有鋁、鋼、夾層結構、木材及石膏等。
（a）金屬芯模一般設計成可拆式結構，制品固化后，從開口處將芯模拆散取出，重復使用。鋼、鋁和夾層結構芯模，可重復使用，適合于批量產品生產。
（b）石膏、木材材料來源廣，價格低，制造和脫模比較方便。石膏芯模是一次性使用，不能回收。小型產品可用實心芯模，大型制品，則與木材等制成組裝空心芯模。
（c）內襯材料是制品中的組成部分，固化后不從制品中取出，內襯材料的作用主要是防腐和密封，當然也可以起到芯模作用，屬于這類材料的有橡膠、塑料、不銹鋼和鋁合金等。
③芯模結構形式
a.石膏隔板式組合結構芯模石膏芯模是一次性使用品，它由金屬芯軸、石膏封頭、石膏隔板、鋁管及石膏面層組成，也可以用鋁金屬型塊組合封頭代替石膏封頭（見圖3-8）。這種芯模的特點為：制作簡單，成本低，拆除方便，這種芯模最適用于精度要求高的大、中型單件或少件制品，其尺寸精度可達1mm以內。
 b.管道芯模 分為整體式和開縮式兩種，整體式芯模（見圖3-9），適用于直徑小于800mm的玻璃鋼管生產，整體式芯模是用鋼板卷焊而成，也可以用無縫鋼管加工制造。為了脫模方便，整體式芯模表面要經過打磨、拋光，芯模沿長度方向要在大于1/1000錐度。
大于800mm直徑的管芯模，采用開縮式芯模如圖3-10所示，芯模殼體由經過酸洗的優質鋼板卷成，表面經過拋光、打磨，具有高精度和高光潔度。芯模中心軸，沿軸長度方向，每隔一定距離有一組可伸縮式輻條機構支撐的輪狀環，用于支撐芯模外殼。脫模時，通過液壓機械裝置，使芯模收縮從固化制品中脫下來。再用時，將芯模恢復到原始尺寸。為了提高生產效率，減少纏繞過程中裝、卸管芯模的時間，在纏管機上增設多軸芯模裝置（見圖3-11），它是一個圓盤回轉架，架上可同時裝3～6根相同或不同直徑的芯模。回轉架使每根芯模依次置于纏繞工位進行纏繞，在回轉架底座旁邊有一個液壓動力升降機，將纏好的管正確的放在脫模機上脫模。這種裝置能提高生產率3～6倍。
  c.貯罐芯模 一般由封頭和罐身組成。可分別制成封頭和罐身構件，然后再膠粘成整體。通常罐身用纏繞成型，封頭用手糊或噴射成型。也可以將預制的封頭和罐身粘成芯模，然后再整體纏繞。
④內襯 纏繞制品氣密性差，因此在生產高壓容器或航空氧氣瓶時，必須要用致密材料做內襯來保證。
a.內襯材料的要求 （a）內襯材料的致密性要高，不透水，不透氣，密度盡量小；（b）根據容器的使用條件，內襯材料應具有防腐蝕或耐高溫低溫性能等；（c）與纏繞結構層有相同的斷裂延伸率和膨脹系數，能共同承受載荷；（d）能與纏繞結構層牢固地粘接在一起，耐疲勞、不分層；（e）材料易獲得，價格便宜。
目前用作內襯的材料有鋁、不銹鋼、橡膠和塑料等。
b.常用的幾種內襯材料
（a）鋁、不銹鋼內襯。鋁內襯氣密性高，纏繞過程中能夠起到芯模作用，成型后鋁內襯不再由制品中取出。鋁內襯在纏繞和固化過程中變形小與纏繞玻璃鋼的結構層相容性好，已成功用于各種高壓氣瓶生產，能保證制品耐疲勞壽命2000次以上。鋁內襯的缺點是焊接技術要求高、制造復雜、不耐腐蝕等，不銹鋼內襯耐腐蝕，但密度大，兩種金屬內襯制造都比較復雜。
（b）塑料、橡膠內襯。這類材料內襯氣密性好，耐化學腐蝕，制造工藝簡單，成本低，有彈性等。橡膠內襯屬彈性材料，無剛度，不能滿足纏繞成型過程中的芯模承載作用，必須加支承結構。塑料內襯材料有尼龍6、ABS、聚氯乙烯、聚乙烯等，這類材料氣密性好，耐化學腐蝕，制造簡單，有一定的強度和剛性，可起到內襯和芯模作用，成本低。其缺點是耐溫（高、低溫）性差，選用時必須考慮到制品固化溫度和塑料內襯相適應。 環氧樹脂 - m.ytfilter.com -(責任編輯：admin) |