酚醛缠绕成型模塑料的性能及工艺

缠绕成型工艺是在各种缠绕机上把连续纤维浸渍树脂后的模塑料在张力作用下按一定的缠绕规律缠绕到芯模上，缠制成组织致密一定形状的预成型体，然后通过加热或室温下固化成缠绕制品的成型方法。

缠绕制品玻璃纤维含量高（最高可达80%（质量分数）），制品强度高，可制得各相强度相同和相异的制品。制品性能可设计性强，制品内表面光滑，质量好，生产效率高，可用于大量生产。制作圆柱体、圆筒体、球体、锥体及正曲率回转体型的中空制品，尤其用于制作大型容器有优异的工艺性，如火箭发动机的壳体、枪炮管、管道、三维弯管、储罐和压力容器等，广泛用于航空航天、军工、化工、油田和石化等工业部门。

1.缠绕成型模塑料

缠绕成型模塑料由树脂、增强材料、填料及助剂组成，有不同配方用于制作各种尺寸形状、性能及用途的制品。

（1）常用树脂 常用树脂有环氧树脂、不饱和聚酯及酚醛树脂。酚醛树脂主要用环氧改性酚醛树脂和616酚醛树脂（耐热性和工艺性好）。环氧树脂用于高性能制品，不饱和聚酯用于民用制品，酚醛树脂用于军用耐热、耐烧蚀、耐高温气体冲刷制品。

（2）增强材料 增强材料有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高相对分子质量PE纤维和金属纤维及各种纤维的织物。通常以玻璃纤维为主，用于制作火箭发动机壳体和炮管等。有时也采用碳纤维或芳纶纤维与玻璃纤维组成的混杂纤维。增强材料的形式有纤维、有捻或无捻粗纱、纤维带和窗纱等。

1）有捻纱缠绕工艺性好，使用时不易起毛和断头，但制作工序多，纤维强度损失大。无捻纱缠绕工艺性差，但成本低，强度损失小。纱股数一般为20～40股（同一支数的纤维，股数多少对强度影响不大）。

2）玻璃布带一般为宽3cm、厚0.2cm的带料，用于缠制维体类、管道制品，其纵向强度一般比纤维缠制品低。用纱或纤维缠制的压力容器具有较高的环向强度和耐爆破压力。

（3）内衬 对内压容器而言，为防止其压力作用下发生渗漏现象，在制品内壁需设置内衬（内衬强度高时也可用内衬作绕制芯模）。这种内衬应具有气密性好、耐腐蚀、抗疲劳、加工性好（如焊接性）等性能。常用内衬材料为厚1.5mm左右的铝、不锈钢或钛合金薄料，也有采用橡胶或塑料等材料的。采用焊接等工艺制成壳体，包括筒身、封头、接嘴、接尾等组成部分。

2.缠绕工艺

不同配方缠绕材料、不同形状及性能的缠绕制品应采用不同的设备和工艺，这里只能介绍其共性的工艺特点。

（1）确定浸渍方式 按缠绕树脂的物性及制品特点，缠绕成型可分为干绕法和湿绕法。

干绕法是用浸渍树脂的纤维（带）半成品直接缠绕制品的方法。湿绕法是用纤维（带）边浸渍树脂边缠绕制品的方法。干缠绕法的优点是可作粘结剂的树脂品种多，易控制含胶量，材料性能稳定，易控制制品质量，纤维浸渍过程和缠绕成型分开进行，缠绕效率高，工作环境好，制品承受热负荷性能好。湿绕法可省掉半成品加工过程，节省工序，较经济，制品承受力学负荷性能好。但选用哪种方法还与制品结构有关，如绕制锥形制品干绕法易操作，而绕制圆筒形制品或碳纤维增强料（脆性大）用湿绕法有利。湿绕法可适用于各种用途纤维的制品。两种方法各有利弊，需根据具体情况酌情选用。

（2）设备及芯模 按不同制品需选用相应的缠绕设备及芯模。

1）不同功能的缠绕成型设备形式很多，如摇臂式、滚转式、电缆式、球形容器缠绕机、内侧缠绕机、斜面缠绕机、程序控制缠绕机和弯管缠绕机等，但无论哪种形式的缠绕机，其主要结构都由缠绕机构、浸胶装置、张力装置、加热固化装置和纱架装置等组成。其中，缠绕机构包括芯模安装架及驱动系统、纤维（带）供给机构（缠丝嘴）及驱动机构，张力装置是提供缠绕纤维（带）绕制张力的装置，其原理图如图11-8所示。

2）芯模是缠绕成型用的模具，是决定制品尺寸、形状的必用工具，要求有较高强度，尺寸形状准确，表面光滑，易脱模，可拆卸，能承受固化温度和缠绕时的包紧力，且成本要低。

芯模的结构可分为下列几种：

①不可卸式金属芯模，即用钢、铝和铸铁等材料采用浇注、焊接等工艺，加工成空心壳体，缠成制品后与制品成一体，成为制品结构中的一部分。这种结构常用于要承受内压的压力容器，芯模直接作为承压防漏的内衬。

②可拆卸式金属芯模，它是指芯模壳体采用可熔材料或拼合结构，用螺钉等组合成整体，待制品缠绕、固化后即可拆卸成若干块散件或熔化芯模后，可从制品板孔（或预留孔）取出。

③可敲碎式芯模，采用石膏、石膏/砂、石蜡或陶土等材料制作芯模，待缠绕固化后用机械或水冲等方法将芯模敲碎或溶解，从而取出芯模碎料。

④橡胶袋芯模。对小型制品或球形制品可用橡胶袋作芯模，缠制时充入压缩空气作为芯模，制品固化后放气即可取出橡胶袋。

图11-8 纤维缠绕成型原理

⑤组合芯模，是指用金属材料与石膏、橡胶等材料组合制作芯模，制品固化后即可敲碎或拆卸芯模。

无论采用什么样的结构，芯模结构及材料与湿式或干式缠制工艺有关。干式缠绕工艺需对芯模加热，故芯模中需埋设加热装置（如蒸汽管、电阻元件和热油管等）。(www.xing528.com)

湿式工艺芯模常用低熔点合金、低熔点盐或可溶性石膏，用空壳铸造法成型。

干式工艺芯模常用材料有低熔点合金、可溶性石膏、蜡模（蜂蜡和石蜡混合物）等，用浇注工艺制作芯模，并在浇注前预先埋入加热管或加热元件，待制品固化后熔（溶）芯模，取出加热元件可供下次使用。

（3）缠绕成型工艺 缠绕成型工艺大致可包括缠绕、固化、热处理、密封处理和表面修饰等工序，如图11-9所示。

图11-9 湿法、干法缠绕工艺流程

a）湿法缠绕工艺流程 b）干法缠绕工艺流程

注：第二次缠绕和固化仅用于厚壁制品。

缠绕是指浸渍纤维或织物在缠绕机张力机构控制下，以一定的张力按一定的缠绕规律将浸渍物料逐层绕在芯模上，直至绕成组织致密符合制品尺寸形状的壳体制品的工序。

绕制前需清理芯模表面，涂刷脱模剂（硅酯等），芯模上安装内衬后将芯模安装于缠绕机上，对干绕法芯模需进预热即可待绕。

在绕制过程中，通常芯模作回转运动，绕丝嘴沿芯模轴线做相对运动，两者以不同速率运动纤维即可在芯模上绕出不同轨迹，使纤维（带）进行有规律排序的缠绕加工。缠绕工序的主要工艺参数包括绕制方法和缠绕张力。

1）绕制方法。纤维（带）必须有规律地绕制在芯模上，才可能使纤维不发生“打滑”组成均匀的纤维层，保证制品的强度等性能。常见的缠绕形式有三种，如图11-10所示。

①纵向平面缠绕。图11-10a所示为纵向平面缠绕，绕制时绕丝头沿某一平面做圆周运动，每转一周芯模绕自己轴线转过一个角度，其值是与一条纱带宽度相对应的角度，如此循环直至芯模表面均匀绕满纤维布即可完成加工。这种方法适用于加工球形、扁圆形和短粗筒形制品。

②环向平面缠绕，图11-10b所示为纤维按细密间距螺旋线环向排列的结构，绕制时芯模缓慢匀速转动，绕丝头沿芯模轴线做缓慢的往返移动，芯模转一周，绕丝头移动一条纱带宽的距离，如此循环直至绕叠到规定层厚即可完成加工。由于绕制时纤维仅沿轴向受张力，所以这种结构制品可承受的周向应力大，常用作压力容器制品。

③螺旋缠绕，由图11-10c可知，这种方法是芯模自转，绕丝头沿芯模长度做大距离轴向移动而形成的缠绕轨迹，绕制时纤维从容器一端的板孔圆周上某点出发，与板孔圆周相切，沿封头曲面和圆筒面绕到另一端的封头，与该端板孔圆周相切再绕回来。一个循环中纱带以左右螺旋轨迹缠绕在芯模上，可绕制成封头与圆筒为一体的封闭容器。同时，每条纱带都对应板孔圆周上的一个切点，故相同方向的相邻纱带平行排列不相交，与不同方向的纱带则相交。由此当纱带均匀绕满芯模表面时可组成双层纤维层，提高制品强度。

图11-10 三种绕制方法示意图

a）纵向平面缠绕 b）环向平面缠绕 c）螺旋缠绕 1—螺旋缠绕纤维 2—切点 3—极孔圆 4—封头曲线 5—筒身段

随着缠绕设备发展，目前还开发了一些特殊的缠绕工艺，如数百根纤维可同时缠绕的环形纤维缠绕系统等。各种缠绕方法各有特点，需按制品力学性能及结构选择。

2）缠绕张力。缠绕时纤维和织物都在一定张力作用下绕到芯模上，从而可使纤维层致密粘叠，另一方面可对纤维施加预应力，增加制品周向抗张强度。张力由缠绕机张力装置传送，且可随机调节大小，要求纤维所受张力均匀，纤维不发皱，不曲折和磨损，不损伤纤维强度，而且还要考虑到随着纤维层增厚逐渐减小，以免外层纤维压缩内层纤维，导致内层纤维松弛，丧失承受负载能力。张力的大小还与树脂中纤维含量有关，纤维含量高的张力大，但张力过大、过小都会导致制品周向拉伸强度下降。

（4）制品固化 各种缠绕制品都需进行加热固化，固化温度一般为90～170℃，随树脂配方而定。固化处理可在绕制过程中同时进行，即边绕制边固化，也可待绕制完成后再进行固化。一般采用在绕芯模周围设置红外加热装置等方法加热固化。也可在芯模内加热固化，大型或厚壁制品常用此法。

对纤维缠绕制品目前常采用加压加热固化（特别是环氧树脂制品），压力为0.3～7MPa。小型制品常用模压加热法等。对大型制品，如直径为4～14m的储罐、火箭发动机壳体等需采用特殊的加压方法，如将制品与芯模用橡胶袋封闭包装后沉入深海中利用水压加压及芯模加热进行加压固化（称为深水浸没法）。或在双层橡胶袋外捆绕钢束，再在向橡胶袋内充入高压水，芯模加热进行加压固化等。

（5）粘接封头及密封处理 对无法同时进行封头和筒体绕制的制品，两者要分开绕制，然后利用粘结剂粘接即可（在缠绕时或缠绕后都可进粘接），但必须设计好粘接接口形式，一般采用搭接结构，保证剪切强度。

对气密性要求较高的制品常需密封处理，即当制品加工完成后，装入压力容器中注入低粘度、长寿命、浸润性好的树脂溶液，密封后施加较高的压力并保持适当时间，待树脂浸注制品后取出制品，经低温固化即可得到不透气的制品。

（6）制品热处理 为了使制品充分固化，通常绕制后的制品还要进行热处理。处理时将制品与芯模一起立放在固化罐中，制品边缓慢旋转边加热固化，保证制品均匀受热，待固化冷却后即可取出脱模。