碳纤维管道成型工艺介绍

碳纤维管道成型工艺介绍

缠绕是碳纤维管道生产的一种重要成型工艺，由于该法易于实现机械化、自动化，与其他成型工艺方法相比，劳动条件好，劳动强度低落，且产品质量稳定，生产成本低，故应用十分广泛。碳纤维缠绕工艺是利用湿法缠绕，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膜上的工艺方法。

缠绕时要使碳纤维位置稳定、不打滑，并均匀连续地布满芯模表面，相邻纤维既不重叠又不离缝，这就要求碳纤维按一定规律排布，这一规律称为“缠绕规律”。碳纤维从芯模上某一点开始，绕过芯模再回到此起始点，在芯模上形成一条不重复的缠绕绕型称为标准线，缠绕规律不同，其标准线也不同，缠绕规律由芯模与绕丝头之间相对运动关系决定。缠绕线型的正确设计是保证碳纤维缠绕产品质量的重要前提，管道的使用情况不同，其缠绕线型也不同，缠绕线型可分为：环向缠绕、纵向平面缠绕和螺旋缠绕三种。把这三种缠绕分布用不同的缠绕层上，以提高碳纤维管道的纵向及环向综合拉伸强度。

一、环向缠绕

缠绕时，芯模绕自身轴线作匀速转动，绕丝头沿芯模筒体轴线方向匀速移动，芯模每转一周，绕丝头移动一个纱布宽度，如此循环下去直至纱布带均匀地布满芯模筒体段表面为止。环向纤绕的缠绕角通常在85~900之间，实现环向缠绕的缠绕运动速比可以定义为单位时间内芯模的转数与绕丝头移动距离之比。

二、纵向平面缠绕

纵向缠绕时绕丝头在固定平面内作匀速圆周运动，芯模绕自身的轴线慢速运转，绕丝头每转一圈，芯模旋转一个微小的角度，反映在芯模表面上是一个纱布的宽度。

三、螺旋缠绕

螺旋缠绕的基本运动是：芯模绕轴线匀速转动，绕丝头沿芯模轴线方向作间歇往复运动。

四、缠绕工艺设计内容

（1）根据产品使用和设计要求、技术质量指标，进行结构造型、缠绕线型和芯模设计。

（2）选择原材料。

（3）根据产品强度要求、原材料性能及缠绕线型进行缠绕层数设计。

（4）根据选定的原材料和工艺方法，制定工艺流程及工艺参数。

（5）根据缠绕线型选定缠绕设备，或为缠绕设备设计提供参数。

（6）芯模设计。

五、缠绕工艺参数

缠绕工艺过程一般由下列式序组成：芯模或内衬制造、胶液配制、纤维烘烤、浸胶、缠绕、固化、检测等。

选择合理的缠绕工艺参数是充分发挥原材料特性，制造高质量碳纤维缠绕制品的重要条件，所以是非常重要的。

1、浸胶与胶液含量

胶液含量的高低，变化及分布对碳纤维缠绕制品性能影响很大：一是直接影响对制品质量和厚度的控制，二是从强度，含胶量过高，使制品复合强度降低。含胶量过低，制品孔隙增加，使制品气密性、耐老化性能及剪切性能降低，同时也影响碳纤维强度的发挥。因此，必须严格控制胶液含量，含量的大小须根据制品的使用要求要求而定。影响含胶量的因素很多，主要是胶液粘度、刮胶机构效能，缠绕张力等。

2、纤维烘烤

由于碳纤维使用的浸润剂通常都是水溶液，以及存储不当也会吸附大量水份，碳纤维表面的这些过量游离水份不仅影响树脂基体与碳纤维的粘合，同时将引起应力腐蚀，并使微裂纹等缺陷进一步扩展，从而使制品强度和耐老化性能下降。因此，碳纤维在使用前需经烘干处理。碳纤维烘干制度视碳纤维含量和纱管大小而定。

3、缠绕张力

在碳纤维缠绕过程中，碳纤维所受的张紧力称缠绕张力。张力大小、各条碳纤维间张力的均匀性，以及各缠绕层碳纤维张力的均匀性，对制品质量影响极大。大量试验结果表晨，碳纤维缠绕制品的强度和疲劳性能与缠绕张力有密切关系，制品含胶量大及均匀性与缠绕张力的关系非常大。

在张力施加过程，最佳缠绕张力并不是固定的，它依芯模（内衬）结构增强材料强度，胶液粘度及芯模是否加热等具体情况而定。湿法缠绕宜在碳纤维浸胶后施加张力。

4、固化制度

碳纤维管道的固化一般分为常温固化和加热固化两种，这主要取决于树脂系统。加热固化制度主要包括加热的温度范围、升温速度、恒温温度及保温时间。固化制度是保证制品充分固化的重要条件，对制品的物化性能和机械性能有着重大影响，加热固化与常温固化相比，可使制品强度至少提高20%~25%，同时可缩短生产周期，提高生产效率。

固化制度的确定主要依据树脂系统性和制品的物化性能，此外尚需考虑制品结构、形状、尺寸及生产率等因素。要求高温使用的制品就应有较高的固化度，要求强度低的制品有适宜的固化度即可。若兼顾制品的腐蚀性、耐老化性时，固化程度也不应太低。恒温温度值取决于树脂系统，主要由DTA或DSC测定的树脂放热曲线来确定。保温时间则取决于二个方面：一是树脂聚合反应所需时间，二是传热时，即通过传热导使制品内部达到恒温温度所需的时间。总之，确定固化制度应使树脂达到需要固化度，并使制品各部分固化收缩均匀平衡，避免由内应力引起的变形、分层和开裂。现有两种工艺制度，一是两步法，即缠绕和固化分开进行；二是一步法，即缠绕和固化一次完成，固化在缠绕的过程中通过加热芯轴实现。

六、管道缠绕成型的一般工艺程序

（1）原材料准备；

（2）内衬层成型；

⑴清理钢芯模表面的各种异物。

⑵直管道表面缠聚酯薄模脱模剂。非直管部分涂石腊和聚乙烯醇脱模剂。

⑶根据设计要求，缠表面毡、喷涂树脂、缠短切毡、喷树脂、固化。

（3）缠绕加强层

⑴可采用缠绕角54.750的单一螺旋向缠绕，这样可使制品环向应力和轴向应力比等于2。

⑵采用组合缠绕成型，即把低螺旋角和环向缠绕组合在一起，在这一绕型中，低螺旋角缠绕主要承受轴向压力，环向缠绕就要承受环向压力。这一缠绕比单一螺旋缠绕更有效。

⑶缠绕角和缠绕层数要要求设计要求进行。

⑷缠绕后固化，固化时芯模需旋转或缠绕固化一次进行。

（4）脱模：采用液压装置。

（5）管道连接。

连接方式有带橡胶密封圈的承插式、承插粘接，法兰连接、螺纹连接。

螺纹制造一般是公螺纹直接压铸而成，母螺纹环绕模压而成。

（6）产品检验

根据用户及使用环境要求对管道进行常规压力抽检试验，试验压力为工作压力的1.5倍

批量生产的每批管道都要进行内衬破裂和管道爆破抽检试验，试验压力分别为工作压力的4至5倍。