热固性复合材料纤维缠绕工艺的关键技术

热固性复合材料纤维缠绕工艺的关键技术
玻璃纤维缠绕是玻璃钢结构生产中的一种重要的成型工艺。

由于这种工艺易于实现机械化、自动化，与其它成型工艺相比，劳动强度低，产品的质量稳定，成本低，因此得到了广泛的应用。

1、纤维缠绕工艺
纤维缠绕工艺一般可分为干法缠绕和湿法缠绕两类。

所谓干法缠绕，是将干纤维束缠绕在芯模上，然后喷涂树脂，并用压辊滚压浸透的工艺方法。

采用这种方法缠绕，设备清洁，可改善劳动条件，但对连续纤维的无捻性、浸透性要求较严，并需要充分滚压，否则容易发生干裂现象。

湿法缠绕是将浸胶后的玻璃纤维集束，在一定张力控制下直接缠绕在芯模上的工艺方法。

采用这种方法可使不同规格纤维有较强的适应性，无需滚压即可使纤维充分浸透。

使用这种方法生产的产品质量稳定，气密性能好。

但对缠绕过程的各个环节需要严格的人工维护，从而增加了劳动强度。

例如，导丝头、浸胶槽等装置在每次缠绕结束后必须认真刷洗，使其保持良好的清洁状态
无论采用上述哪一种缠绕工艺，选择纤维缠绕方向是十分重要的，因为纤维缠绕方向可以决定其结构在不同方向的强度比，可使玻璃钢结构获得合理的强度分配。

内压圆筒是一个典型的例子，采用接近缠绕角θ=55°，就可使结构在环向与轴向的强度比（2：1），恰好与实际受力状态一致。

缠绕制品多为圆柱体、球体等，本讲座以管、罐为例讨论纤维缠绕工艺。

2、缠绕成型工艺原理
2.1 缠绕规律的分类：
2.1.1环向缠绕
这是圆柱体圆周方向的缠绕。

缠绕时，芯模绕自己轴线作匀速转动，导丝头在平行于芯模轴线方向的筒身区间运动，芯模每转一周，导丝头移动一个纱片宽度，如此循环下去，直至纱片布满芯模圆筒段表面为止。

环向缠绕的特点是：缠绕只能在筒身段进行，不能缠封头（曲面体）。

邻近纱片之间相接而不相交。

纤维的缠绕角通常在85～90°之间。

为使纱片能一束挨一束地布满芯模表面，必须保证芯模旋转与导丝头平移，使这两个运动相互协调。

2.1.2 螺旋缠绕
芯模绕自己轴线匀速转动，导丝头按特定速度沿芯模轴线方向往复运动。

于是，在芯模的筒身和封头上就实现了螺旋缠绕，其缠绕角约为12-70°。

在螺旋缠绕中，纤维缠绕不仅在圆筒段进行，而且在封头(曲面体)上也可进行。

纤维从容器一端的极孔圆周上某点出发（或从圆筒体上），随后，按螺旋线轨迹经过圆筒段，进入另一端封头，如此循环下去，直至芯模表面均匀布满纤维止。

由此可见，纤维缠绕的轨迹是由圆筒段的螺旋线和封头上与极孔相切的空间曲线所组成。

在缠绕过程中，纱片若以右旋螺纹缠到芯模上，返回时，则以左旋螺纹缠到芯模上。

螺旋缠绕的特点是每条纤维都对应极孔圆周上的一个切点，相同方向邻近纱片之间相接而不相交，不同方向的纤维则相交。

这样，当纤维均匀缠满芯模表面时，就构成了双层纤维层。

2.1.3纵向缠绕
纵向缠绕又称平面缠绕，缠绕时导丝头在固定平面内做均匀圆周运动，芯模绕自己轴线慢速旋转，纵向缠绕一般用于小压力容器和球形等制品，本讲座不讨论次缠绕方法。

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2.2 缠绕规律
任何形式的缠绕，都是芯模与导丝头作相对运动完成的。

如果纤维是无规则地乱缠，势必出现纤维在芯模表面离缝或重迭，以及纤维滑线不稳定的现象。

显然，这是不能满足产品设计要求和使用要求的，因此，要求芯模与导丝头应按一定的规律运动，并满足如下两点要求：
⑴纤维既不重迭又不离缝，均匀连续缠满芯模表面。

⑵纤维在芯模表面位置稳定不打滑。

纤维在芯模表面满足上述条件的排布规律，以及为实现排布规律，导丝头与芯模的相对运动关系，这就是缠绕规律（亦叫线型）。

由于环向缠绕的规律比较简单，且在一定条件下，可以看作螺旋缠绕的特例。

缠绕规律是保证缠绕制品质量的重要前提，是产品设计的重要依据，同时又是缠绕设备运动机构设计的依据。

2.3 线型
线型是连续纤维在芯模表面上的排布方式，用切点法描述螺旋缠绕的线型时，主要是使线型与切点数和分布规律联系起来进行研究。

2.3.1 纤维在芯模表面均匀布满的条件
⑴一个完整循环的概念
螺旋缠绕时，由导丝头引入的纤维，自芯模上某点开始，导丝头经过若干次往返运动后，纤维又缠回到原来的起始点上。

这样一次布线称为“标准线”，完成一个标准线缠绕，或者说完成与初始切点重合的缠绕，我们称之为一个完整循环。

而标准线是反映缠绕规律的基本线型。

⑵一个完整循环缠绕的切点数及分布规律
单切点和多切点
完成一个完整循环缠绕有两种情况：第一种情况是与起始点位置相邻的切点在时序上也相邻，这种情况我们称之为单切点。

第二种情况是与起始切点位置相邻的切点在时序上不相邻。

也就是说在出现与起始点位置相邻的切点以前，极孔圆周上已有两个以上切点，这种情况称之为多切点。

由于芯模匀速转动，导丝头每次往返时间又相同，故在极孔圆周上的各切点等分基孔圆周。

当完成一个完整循环的切点数n=1和n=2时，极孔圆周上切点排布顺序是固定的。

当n≥3时，在与起始点位置紧挨的切点出现以前，在极孔圆周上已出现了n≥3个切点。

因而它们有不同的排布顺序。

由此可见，不同的线型其切点数及各切点的排布顺序也不同。

⑶纤维在芯模表面均匀布满的条件
由于芯模上的每一束纱片，都对应极孔圆周上的一个切点。

因此，若要实现在经过若干完整循环缠绕后，并且纱片能一片挨一片地均匀布满整个芯模表面，必须满足下列两条件：
①完成一个完整循环的各切点等分芯模转过的角度。

②相邻的两切点所对应的纱片在筒身段错开的距离等于一束纱片宽度。

3、缠绕工艺关键技术
缠绕工艺一般由下列各工序组成：胶液配制、纤维的烘干处理、芯模或内衬制造、浸胶、缠绕、固化、检验、修整、成品。

合理的选择缠绕工艺参数，是充分发挥原材料特性、制造高质量缠绕复合材料制品的重要条件。

影响缠绕复合材料制品性能的主要工艺参数有：玻璃
纤维的烘干和热处理、玻璃纤维的浸胶、缠绕速度、环境温度等。

这些因素彼此之间有机的联系在一起，孤立地研究某个参数是困难、无意义。

3.1玻璃纤维的烘干和热处理
玻璃纤维表面含有水分，不仅影响树脂基材与玻璃纤维之间的粘接性能，同时将引起应力腐蚀，使微裂纹等缺陷进一步扩展，从而引起制品的强度和耐老化性能下降。

因此玻璃纤维在使用前最好经过烘干处理，通常，无捻纱在60-80度烘干24小时。

3.2玻璃纤维浸胶含量
玻璃纤维浸胶含量的高低及其分布对玻璃钢制品性能影响很大，直接影响制品的重量及厚度；含胶量过高，玻璃钢制品的复合强度降低；含胶量过低、制品里的纤维空隙率增加、使制品的气密性、防老化性能及剪切强度下降，，同时也影响纤维强度的发挥，因此纤维浸胶过程必须严格控制；必须根据制品的具体要求决定含胶量。

缠绕玻璃钢的含胶量一般25%-30%（重量比）。

纤维含胶量是在纤维浸胶过程中进行控制的。

浸胶过程是将树脂胶液涂覆在增强纤维表面，之后胶液向增强纤维内部扩散和渗透，这两个阶段是同时进行的。

通常采用浸渍法和胶辊接触法。

浸渍法通过胶辊或刮刀的压力大小来控制含胶量。

胶辊接触法通过调节刮刀与胶辊的距离，以改变胶辊表面胶层的厚度来控制含胶量。

在浸胶过程中，纤维含胶量的影响很多，如：纤维规格、胶液粘度、缠绕张力、缠绕速度、刮胶机构、操作温度及胶槽面得高度。

其中胶液粘度、缠绕张力、缠绕速度、刮胶机构最重要。

不饱和树脂粘度一般控制在0.35-0.45Pa.s。

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3.3缠绕张力
缠绕张力是缠绕工艺的关键技术，张力大小、各束纤维间张力的均匀性，及各缠绕层之间的纤维张力的均匀性，对制品的质量影响极大。

3.3.1对制品机械性能的影响
玻璃钢制品的强度和疲劳性能与缠绕张力有密切关系。

张力小，制品强度偏低，内衬所受压缩应力较小，因而内衬在冲压时的变形较大，其疲劳性能就越低。

张力过大，则纤维磨损大，使纤维和制品的强度都下降。

过大的缠绕张力还可造成容器内衬失稳。

各束纤维之间张力的均匀性，对制品的质量影响极大，因纤维张紧程度不同，当承受载荷时，纤维就不可能同时承受力，导致各个击破，纤维强度的发挥和利用大受影响。

为了使玻璃钢缠绕制品各缠绕层不会由于缠绕张力作用导致产生内松外紧的现象，应有规律地使张力逐层递减，使内外层纤维的初始应力都相同，各层纤维能同时承受载荷。

3.3.2对制品密实度的影响
在缠绕张力T的作用下，将产生垂直于芯模表面的法向力N，其值有下式求得：N=
T---缠绕张力，r----芯模半径，α---缠绕角
由此看来，使制品致密的成型压力与缠绕张力成正比，与制品曲率半径成反比。

为了生产密实的产品，必须控制缠绕张力。

3.3.3对含胶量的影响
缠绕张力对纤维浸渍质量及制品含胶量的大小影响非常大。

随着缠绕张力的增大，含胶量降低。

在多层缠绕过程中，由于缠绕张力的径向分量---法向压力N的作用，外缠绕层将对内层施
加压力，胶液将有内层被挤向外层，因此胶液含量沿壁厚方向不均匀---内低外高的现象。

此外，在浸胶前施加张力，过大的张力将使胶液向增强纤维内部空隙扩散渗透增加困难，从而使纤维浸渍质量不好。

最佳缠绕张力并非一成不变的，它依模芯结构、增强纤维强度、胶液粘度及芯模是否加热等而定，一般其取值极限为1.1-4.4N/股。

3.3.4施加张力的有关问题
纤维张力可在纱轴或纱轴与芯模之间的某一部位施加，前者比较简单，但在纱团上施加全部缠绕张力会带来如下困难：对湿法缠绕来说，纤维的胶液浸渍情况不好。

而且在浸胶前施加张力，将使纤维磨损严重而降低其强度。

张力越大，纤维强度减低越多。

一般为，湿法缠绕宜在纤维浸胶后施加张力而干法缠绕宜在纱上施加张力。

3.4缠绕速度
缠绕速度通常是指纱的速度，应控制在一定范围，纱线速度过小，生产效率低；而纱线速度过大，会受到下列因素限制。

湿法缠绕，纱线速度受到纤维浸胶过程的限制。

而且当线速度很大时，芯模转速很高，有时出现树脂胶液在离心力作用下从缠绕结构中向外迁移和溅洒的可能。

纱线速度最大在1-1.5M/S左右。

干法缠绕，纱线速度主要应保证纤维浸透。

此外，纱速度ν纱、芯模速度ν芯及小车速度ν车所构成的速度矢量三角形中，小车速度ν车=ν纱.COSа是有限制的。

小车在行程两端点处加速度最大，因而惯性冲击必定很大，特别小车的重量较大时更是如此。

同时车速过大，易产生颠簸振动，影响缠绕质量及不安全。

3.5缠绕制品的固化
固化制度是保证缠绕制品充分固化的重要条件，直接影响缠绕制品的性能及质量，加热固化制度可提高化学反应速度，缩短固化时间，缩短生产周期、提高生产效率。

加热固化比常温固化的缠绕制品强度至少可提高20%-30%。

对于较厚的缠绕制品，需采用分层固化的缠绕工艺。

可以消去环向应力沿筒壁分布的高峰，就好像一个厚壁筒体变成几个紧套在一起的薄壁筒体，就可被套筒压缩产生的压应力抵消一部分。

可提高纤维初始张力，避免容器体积变形率增大，纤维疲劳强度下降。

可保证容器内、外质量的均匀性。

特别是湿法缠绕，由于缠绕张力的作用，胶液将由里向外迁移，，使树脂含量沿壁厚方向不均匀，并且内层树脂系统中的溶剂向外会发困难，易形成大量气泡。

3.6环境温度
树脂的粘度随着温度的降低而增大，为了保证胶纱在制件上的浸渍，要求缠绕制品的环境温度高于15度，用红外线加热缠绕制品的表面温度，控制在40-60度左右，这样可有效提高生产效率和质量。

3.7缠绕工艺的最新成就
纤维缠绕工艺随新材料应用领域的不断扩大和不断的推陈出新，有了飞速的发展并取得了新的成就。

主要体现在两个方面，一是设备的发展，二是原辅材料的发展，且两者相辅相成。

设备的发展主要在用计算机控制，设备的精度、浸刮胶方式、立体多轴缠绕，张力控制，正向着高自动化、高集成化、高产量的方向发展。

高性能的树脂基体及高强纤维都逐步应用到缠绕领域，这样促使缠绕工艺更有大的应用领域和前景。

参考文献：岳红军黄家康董永祺主编的复合材料成型技术。

化学工业出版社北京1991
环氧玻璃钢材料在纤维方向的拉伸疲劳性能比金属好。

环氧玻璃钢材料的疲劳强度为抗拉强度的60～90%，而金属的疲劳强度只为30～50%。

我国规定了行业标准，即JC692-1998《反渗透水处理装置用玻璃纤维增强塑料压力壳体》。

标准中对产品的外观、尺寸要求、材质性能、水压爆破压力等内容进行了规定，这些技术指标等效采用了美国ASME标准。

但当时考虑到国内整体技术水平，对产品的疲劳性能没有做出相应规定。