探索缠绕成型工艺的实验研究

1.实验目的

（1）了解缠绕机的构造和各部分的作用。

（2）了解缠绕工艺的基本特点、规律和线型。

（3）掌握缠绕工艺参数对产品质量的影响，并能根据产品模型初步设置工艺参数。

（4）学会撰写缠绕工艺过程说明书，包括选择原料、确定配方、选择缠绕工艺参数、模具设计、缠绕成型工艺设计等。

2.实验原理

缠绕成型法是一种机械化程度比较高的复合材料成型工艺，最能体现复合材料的优点。缠绕法制得的产品强度高（可超过钛合金），这是因为在制造过程中可根据制品的受力情况，合理设计缠绕规律，所以该成型工艺适宜制造大型化工贮罐、铁路槽车以及受压容器等。

纤维缠绕成型工艺的过程是将经表面处理的连续玻璃纤维合股毛纱或玻璃织物浸渍在树脂胶液中，使树脂均匀覆盖在织物表面，然后将其按一定规律连续地缠绕在芯模（内衬）上，层叠成所需厚度，随后加热固化或常温固化，最后脱除芯模即得制品（若芯模为内衬，则不必脱除）。其工艺流程如图4-2所示。缠绕过程中使用的缠绕机和成型后制品如图4-3所示。

图4-2　缠绕成型工艺流程

图4-3　缠绕机和成型制品

缠绕工艺可分为湿法、干法和半干法。湿法是将无捻纤维浸渍树脂后直接缠绕在芯轴（内衬）上。湿法缠绕成型的优点为：①成本比干法缠绕低40%；②产品气密性好，这是因为缠绕张力使多余的树脂胶液将气泡挤出，并填满空隙；③纤维排列平行度好；④缠绕过程中，纤维上的树脂胶液可减少纤维磨损；⑤生产效率高（达200 m／min）。湿法缠绕成型的缺点为：①浪费树脂，操作环境差；②产品含胶量及质量不易控制；③可供湿法缠绕的树脂品种较少。

干法缠绕成型是将浸渍了树脂的纤维加热，使树脂预固化到B阶段，缠绕时在纤维未进入丝嘴之前，需将树脂加热软化至黏流状态后再缠绕到芯模上。干法工艺用在产品质量和品质要求十分严格的场合。干法缠绕工艺的最大特点是生产效率高，缠绕速度可达100～200 m／min。此外其优点还有缠绕机清洁、劳动卫生条件好、产品质量高等。其缺点是缠绕设备贵，需要增加预浸纱制造设备，故投资较大；此外，干法缠绕制品的层间剪切强度较低。

半干法缠绕是在纤维浸胶后到缠绕至芯模的过程中增加了一套烘干设备，将浸胶纤维中的溶剂除去。与干法相比，该工艺省去了预浸胶工序和相应设备；与湿法相比，可使制品中的气泡含量降低。

3.实验设备与原材料

1）实验设备及用品

缠绕实验机、芯模、浸胶槽、纤维支架、干燥箱。

2）原材料

（1）增强材料主要为无捻玻璃纤维纱。单纤维直径为6～8μm，股数为10～60不等。玻璃纤维纱或织物的表面通常经过80℃的脱蜡处理和化学偶联剂浸涂处理。最常用的偶联剂为KH-550等硅烷类偶联剂。

（2）树脂胶液的选择视制品应用环境而定。例如某种受压容器的树脂胶液由7份双酚A型环氧树脂（牌号为E-42或E-44）掺入3份616＃酚醛树脂（按纯树脂计）制成，用丙酮稀释，丙酮用量大约为树脂固体总量的30%。应根据使用环境、接触介质来选择经济、适用的树脂。

4.实验步骤

1）结构设计

（1）内衬层：管道的内衬层在管道防渗漏与耐腐蚀方面起着关键作用，它是一层富树脂层，树脂含量为90%左右，用10%的表面毡做加强材料，表面毡厚度为1.55～2.5 mm。

（2）结构层：该层为纤维缠绕层，它是产品强度与刚度的关键，树脂含量为30%左右。

（3）外保护层：该层是管道的最外层，完全由树脂组成，其作用是防止管道受环境中腐蚀性介质的侵蚀。另外，该层中加有抗老化剂，起抗老化及增加管道使用寿命的作用。(www.xing528.com)

2）胶液配制

按配方在常温下配制胶液，控制胶液黏度及浓度。

3）浸胶

浸胶过程一般在卧式浸胶槽中进行，浸渍完成后在130℃左右烘干，所得浸胶材料若不经干燥直接用来缠绕则为湿法缠绕，经干燥后再缠绕者则为干法缠绕。浸胶材料的含胶量为40%～50%，挥发分含量为5%～7%，可溶性物质含量小于1%，固化度大于99%。

4）缠绕成型

缠绕时温度一般为（60±5）℃，缠绕线速度约为25 m／min。缠绕时的张力对制品品质有明显影响，因此要严格控制，例如对120股纱的浸胶材料，其缠绕起始张力环向不低于98 N，纵向不低于78 N；每二层，环向递减9.8 N，纵向递减4.9 N。缠绕过程中，浸胶材料的排布轨迹应根据所制化工设备或其他制品的性能要求专门进行设计。

5）固化

缠绕完毕要进一步加热固化，具体加热温度随胶液种类不同而有所不同，例如对于双酚A环氧树脂／616＃酚醛树脂（7／3）混合胶液，其固化条件为：以0.5℃／min的升温速度升高至110℃，保温1 h，再以0.5℃／min的升温速度升高至160℃，保温5 h，最后自然冷却。

6）脱模及后处理

固化后冷却脱模，并对制品进行打磨等后处理工序。

5.实验结果

（1）将相关实验数据记录在表4-3中。

表4-3　缠绕成型工艺数据记录

（2）记录实验过程中出现的现象，并分析出现此类现象的原因。

（3）根据实验过程及产品品质建立缠绕成型参数与产品品质的基本构效关系，并提出改进的方法。

（4）从不同角度对缠绕成型制品拍照，并将照片展示在报告中。

6.思考题

（1）纤维缠绕成型工艺的特点是什么？

（2）纤维螺旋缠绕的主要技术参数有哪些？其主要影响是什么？

（3）纤维缠绕的模具一定是凸形的吗？凹形的模具是否能缠绕成型？请设想一下在凹形模具下缠绕纤维的方法。

（4）简要介绍一种你所了解的缠绕成型的复合材料制品，并搜集其工艺参数。