纤维缠绕工艺浸胶技术研究进展_郁成岩
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
图 1 手糊成型工艺示意图
1946年 , 美国发明了用连续纤维缠绕成型压力 容器的方法 [ 1] 。纤维缠绕工艺由此问世 , 该法是复 合材料制品成型常用的工艺方法 , 它比金属成型工 艺简单 , 可设计性强 [ 2] , 因而应用十分广泛 , 如制造 固体火箭发动机壳体 、雷达罩 、直升飞机叶片 、管道 和各种压力容器等[ 3] 。 所谓纤维缠绕工艺是指采用 连续纤维 (带 )经过树脂浸胶或采用预浸纤维 (带 ), 按照一定的规律在张力控制下缠绕到芯模上 , 然后 在加热或常温下固化 , 制成一定形状的制品的一种 工艺 。 纤维缠绕成型工艺的出现 , 也带动了浸胶技 术的一系列改革 。
2 纤维缠绕浸胶技术的介绍
浸胶是纤维缠绕工艺的重要环节 , 决定了缠绕 纱的浸透程度 、 纤维强度和含胶量 , 其中含胶量对 缠绕制品性能的影响很大 。 主要表现在 [ 4] :①影响 制品的质量和厚度 ;②含胶量过高 , 制品强度降低 , 成型和固化时流胶严重 ;③含胶量过低 , 制品孔隙率 增加 , 密实性 、防老化性 、剪切强度均下降 。 因而浸 胶过程重点是要保证含胶量的准确 , 通过调节浸渍 温度和时间 、改变纱束疏密和出纱速度 、控制缠绕张 力 、刮胶等多种手段可使缠绕制品的含胶量达到理 想值 。
. 半干法缠绕的浸胶技术 半干法缠 绕的浸胶技 术与湿法 缠绕的大 致相
同 , 只是在纤维浸胶到缠绕至芯模的途中增加了一 套烘干设备 , 将纱带胶液中的溶剂基本上清除掉并 达到 一定程度 的凝胶 , 如图 9所 示[ 12] 。 与干 法相
2010年第 5期
玻 璃 钢 /复 合 材 料
87
比 , 省却了预浸胶工序和设备 ;与湿法相比 , 可使制 品中的气泡 、空隙含量降低 。
根据缠绕 时树脂基体 所处的化 学物理状 态不 同 , 缠绕工艺可分为干法 、湿法及半干法 。 不同的缠 绕工艺 , 其对应的浸胶技术也不尽相同 。 下面就介 绍几种不同缠绕工艺下目前常用的浸胶方法 [ 5] 。
. 干法缠绕用预浸带的浸胶技术 干法缠绕工艺是指缠绕时采用预浸带直接缠绕
在芯模上 , 或在缠绕机上对预浸带加热软化再缠绕 在芯模上 。缠绕机上不设置浸胶槽 , 没有浸胶过程 。 浸胶工艺在缠绕前进行 , 在单独的预浸带生产线上 完成 , 因此研究干法缠绕中的浸胶技术主要是研究 制备预浸带过程中的浸胶技术 。
图 3 热熔浸渍工艺装置示意图
与热熔法相似 , 胶膜法是将单向张紧的纱束整 齐排铺后 , 夹于胶膜之间 , Baidu Nhomakorabea夹芯状 , 再通过热压辊
1-放卷 ;2-分布器 ;3-流化的空气 ;4-干空气 ; 5-多孔板 ;6-载体;7-炉 ;8-收卷
图 5 粉末静电法工艺装置示意图
粉末悬浮法通常又分为水悬浮和气悬浮两种 。 前者是在水中悬浮的树脂颗粒黏附到连续运动的纤
FRP/CM 2010.No.5
图 8 胶辊接触法浸胶工艺图
除了挤胶辊 、刮胶刀和胶液温度等影响含胶量 的主要因素外 , 该装置两侧的可调式胶辊可改变纤 维与浸胶辊的接触包角 a(纤维与浸胶辊接触弧长 所对的圆心角 a), 接触包角的变化也会对含胶量有 影响 。接触包角越大 , 纤维与浸胶辊的接触面积和 接触压力越大 , 纤维张力也越大 , 从而有效地影响湿 法缠绕制品的含胶量 。
84
纤维缠绕工艺浸胶技术研究进展
2010年 9月
纤维缠绕工艺浸胶技术研究进展
郁成岩 , 李辅安 , 王晓洁 , 周东伟
(西安航天复合材料研究所 , 西安 710025) 摘要 :本文对干法 、湿法和半干法三种纤维缠绕工艺各自的浸胶技术做了重点 介绍 , 分析了其技术的特 点和存在的 不足 。 综述了国内外纤维缠 绕工艺浸胶技术的现状和研究进展 , 并对未来纤维缠 绕工艺浸胶技术的发展提出展望 。 关键词 :纤维缠绕工艺 ;浸胶技术 中图分类号 :TU372. 1 文献标识码 :A 文章编号 :1003 -0999(2010)05 -0084 -05
FRP/CM 2010.No.5
2010年第 5期
玻 璃 钢 /复 合 材 料
85
的纱束从纱架引出 , 连续平行地进入装有树脂溶液 的胶槽内浸渍 , 再经高温炉烘干 , 铺垫隔离纸 , 同时 靠热压辊压实 , 最后收卷储存 , 即得成卷的预浸带 , 可用作商业买卖 。 也有预浸带无需铺垫隔离纸 , 成 卷后直接用于缠绕 , 实现即浸即用地不间断生产 。
1 前 言
自复合材料出现以来 , 相应的浸胶技术也随之 诞生 。 早在 20世纪 40年代 , 美国就以手糊工艺制 造出了军用雷达罩和飞机油箱 。所谓手糊工艺是指 手工或在机械辅助下将增强材料和热固性树脂铺覆 在模具上 , 树脂固化形成复合材料的一种成型方法 , 如图 1 所示。 它也是世界上最早最简单的浸胶 技术 。
图 4 胶膜浸渍工艺装置示意图
这两种干法浸胶工艺解决了那些树脂体系不溶 于普通低沸点溶剂的预浸带制备问题 。
(3)粉末工艺法 粉末法主要用于制备热塑性树脂和高熔点难溶 解的树脂的预浸带 , 它又分为粉末静电法和粉末悬 浮法 。 粉末静电法是在连续纤维表面沉积带电树脂粉 末 , 用辐射加热的方法使聚合物粉末永久地黏附在 纤维表面上 。 其浸胶过程如图 5所示 。此法不会引 起纤维 /树脂界面应力 , 也不会因聚合物在高温下持 续时间过程而导致性能退化 。 粉末静电法需事先将 高聚物研磨成非常细微的颗粒 , 其典型的粒子大小 是 240μm、110μm和 80μm。 采用超 细微颗粒 的粉 末 , 可获得柔软的预浸带 。
. 湿法缠绕的浸胶技术 湿法缠绕工艺是采用液态树脂体系 , 将纤维经
集束 、浸胶后 , 在张力控制下直接缠绕在芯模上 , 然 后再固化成型 。 其流程如图 6所示 [ 10] 。
图 7 直浸法浸胶工艺图
触法是将浸胶辊半浸入胶液中 , 裸露在胶液外的辊 表面与纤维接触 。 浸胶辊通过旋转使其辊表面沾上 胶液 , 连续地给纤维浸胶 , 其工艺过程如图 8 所示 。 纤维不直接 浸入胶槽可以使 纤维更均匀地 浸渍胶 液 , 避免过分地吃胶 。
10所示 [ 16] 。将树脂胶液置于密闭贮胶器中 , 通过带 有流量控制阀的输胶管输入浸胶器 , 浸胶器的浸液 通道是出口处向上倾斜的 , 且浸液通道宽度正好能 保证纤维束只与胶液接触 , 不与其他固体部件接触 平直通过 , 纤维束通过浸胶器时进行浸胶 , 浸胶器中 多余的胶液自动流入下方的集胶器中得以收集 。 整 个过程没有胶辊和刮刀的参与 , 这样从根本上消除 了现有浸胶技术中纤维与胶辊和刮刀接触时造成的 黏附损伤 , 并且易于控制胶液浓度和浸渍纤维束的 含胶量 , 尤其适用于高模量碳纤维缠绕工艺中的浸 胶过程 。
图 9 半干法浸胶工艺示意图
3 纤维缠绕浸胶技术的进展
. 国内浸胶技术的发展 我国早在 1962 ～ 1963年就掌握了纤维缠绕成
型技术 , 可缠制各种压力式容器 [ 13] 。但当时浸胶技 术比较落后 , 上胶与刮胶过程大多以手工操作为主 。 近年来 , 随着科学技术的不断发展 , 纤维缠绕工艺得 到了不断完善 , 相应的浸胶技术也有了长足的进步 。
FRP/CM 2010.No.5
86
纤维缠绕工艺浸胶技术研究进展
2010年 9月
维上 , 后者是细度为 10 ～ 20μm的聚合物颗粒在流 化床中悬浮 , 聚合物颗粒附着在连续的纤维上 , 随即 带上护管 , 使粉末不再脱离纤维表面 。
用上述几种浸胶工艺制备的预浸带能严格地控
制质量和含胶量 (精确到 2wt%以内 ), 使干法缠绕 制品的性能大大提高 , 适合于航空航天所要求的高 性能产品的制造 。 但投资较大 , 增加的预浸带制造 设备造价高 。此外 , 干法缠绕制品的层间剪切强度 也较低 [ 9] 。
表 1 三种缠绕工艺浸胶技术的比较
项 目
干法
湿法
预浸湿法
缠绕场所清洁状态 最好
最差
类似于干法
增强材料规格
较严 任何规格
任何规格
树脂含量控制
最好
最难
贮存条件
必须冷藏
无
仅次于干法 , 粘度少许变化
仅次于干法 , 贮存期较短
制造成本
最高
最低
略高于湿法
应用领域
航空航天 广泛应用
类似于干法
现有的浸胶技术一般采用浸胶辊和刮胶刀来实 现浸胶和含胶量的控制 , 但这样由于胶液黏附作用 , 容易造成大量的纤维损伤 , 出现起毛现象 。而非接 触的无辊浸胶技术的出现 [ 15] , 从根本上消除了纤维 与胶辊 、刮刀接触时造成的黏附损伤 。其原理如图
上述两种湿法缠绕的浸胶技术虽然操作简便 、 工装简单 、成本低 、生产效率高 , 但是由于纤维浸胶 后立即缠绕 , 在缠绕过程中对制品含胶量不易控制 和检验 , 同时制品中易形成气泡 、空隙等缺陷 。设备 上大量的刮胶刀和胶辊装置容易损伤纤维 , 出现起 毛现 象 。 树 脂 浪 费 大 , 操 作 环 境 差 , 不 易 实 现 自 动化 。
图 2 溶液浸渍工艺装置示意图
由于在浸胶过程中采用了树脂溶液浸渍纤维 , 所以该法属湿法浸渍工艺 , 其制备在卧式或立式浸 胶机上均可连续进行 。 为获得质量合格的预浸带 , 必须严格控制环境温度 、胶液浓度 、滚筒缝隙 、出纱 速度和收卷张力 [ 7] 等 。
(2)热熔浸渍法和胶膜碾压法 与溶液法不同 , 热熔法和胶膜法都属于干法工 艺 , 浸胶过程中不使用溶剂 , 因而生产环境无污染 , 也不易引起火灾 , 还能节约溶剂 。 制得的预浸带挥 发分含量低 , 制备的复合材料空隙率低 。 热熔法借助加热从漏槽中流出的熔融树脂体系 刮涂于隔离纸载体上 , 随后转移到经排纱整经的平 行纱束上 , 同时纱束的另一面贴附上一层隔离纸 , 然 后三层成一夹芯 , 经热压辊压 实后 , 使树 脂浸润纤 维 , 最后压实收卷 。 其浸胶过程如图 3所示 。热熔 浸渍法可以免去溶液 浸渍法中溶剂 带来的诸多不 便 , 可较为精确地控制树脂基体的含量 , 而且外观质 量较好 [ 8] 。
图 6 湿法缠绕成型工艺流程图
由于湿法缠绕工艺不采用预浸带技术 , 也没有 预固化过程 , 因而制品的含胶量是在浸胶和缠绕过 程中进行控制 。 浸胶技术的优劣直接影响缠绕制品 的好坏 。湿法缠绕工艺的浸胶通常采用直浸法和胶 辊接触法[ 11] 。
(1)直浸法 直浸法是目前湿法缠绕工艺中设备最简单 , 应 用范围最广泛的一种浸胶技术 。该法是将纱团引出 的一束或多束单向张紧的纤维连续直接进入胶槽浸 渍胶液 , 然后通过挤胶辊的挤压使胶液均匀 , 再利用 刮胶刀刮去多余的胶液 , 即得到直接用于湿法缠绕 的浸过胶的纤维 。其工艺过程如图 7所示 。 整个浸 胶过程中 , 挤胶辊压力的大小 、刮胶刀与纱带的距离 和胶液的温度是影响含胶量的主要因素 。 (2)胶辊接触法 胶辊接触法是由 直浸法经 过一定改 进演变而 来 , 它的浸胶装置比直浸法稍微复杂一些 。胶辊接
挤压 , 使纤维浸嵌于树脂膜内 , 最后加附隔离纸载体 压实 , 即可收卷 。 其浸胶过程如图 4 所示 。 一般来 说 , 胶膜法可制备含胶量很低的预浸带 , 产品中树脂 分布均匀 。 但胶膜 法对树脂体系的 工艺性要 求较 高 , 树脂应具有优良的成膜性 , 适度的柔性 、黏性和 较长的储存时间 。通常 , 添加一定量的热塑性树脂 或较高相对分子量的线型热固性树脂可以有效提高 成膜性和柔性 , 同时也提高了固化树脂的韧性 。
预浸带的制备方法按树脂浸渍纤维的方法不同
可大致分为 :①溶液浸渍法 ;②热熔浸渍法和胶膜碾 压法 ;③粉末工艺法等 。
(1)溶液浸渍法 溶液法是目前制备干法缠绕成型用预浸带的最 常用的方法 , 其基本过程如图 2 所示[ 6] 。 单向张紧
收稿日期 : 2009-10-10 作者简介 :郁成岩 (1985-), 男, 硕士研究生 , 主要从事聚合物基复合材料方面的研究 。
21世纪初 , 用于纤维缠绕的一项新的浸胶技术 预浸湿法 [ 14] (又称 湿重卷 法 , wetrerolled)逐 渐兴 起 。这种方法是在综合干法和湿法优点的基础上发 展起来的 。 缠绕前需先制备预浸带 , 但与干法预浸 带不同 , 基体状态始终与浸胶工艺完成时相同 , 在冷 冻贮藏期间 , 粘度基本上不增加 , 不存在熟化阶段 。 此外 , 该预浸技术在预浸过程中无溶剂 , 无需溶剂回 收处理系统 , 因此 , 可明显降低生产成本 , 是一种低 成本制造技术 。 干法 、湿法与预浸湿法的优缺点比 较见表 1。
1946年 , 美国发明了用连续纤维缠绕成型压力 容器的方法 [ 1] 。纤维缠绕工艺由此问世 , 该法是复 合材料制品成型常用的工艺方法 , 它比金属成型工 艺简单 , 可设计性强 [ 2] , 因而应用十分广泛 , 如制造 固体火箭发动机壳体 、雷达罩 、直升飞机叶片 、管道 和各种压力容器等[ 3] 。 所谓纤维缠绕工艺是指采用 连续纤维 (带 )经过树脂浸胶或采用预浸纤维 (带 ), 按照一定的规律在张力控制下缠绕到芯模上 , 然后 在加热或常温下固化 , 制成一定形状的制品的一种 工艺 。 纤维缠绕成型工艺的出现 , 也带动了浸胶技 术的一系列改革 。
2 纤维缠绕浸胶技术的介绍
浸胶是纤维缠绕工艺的重要环节 , 决定了缠绕 纱的浸透程度 、 纤维强度和含胶量 , 其中含胶量对 缠绕制品性能的影响很大 。 主要表现在 [ 4] :①影响 制品的质量和厚度 ;②含胶量过高 , 制品强度降低 , 成型和固化时流胶严重 ;③含胶量过低 , 制品孔隙率 增加 , 密实性 、防老化性 、剪切强度均下降 。 因而浸 胶过程重点是要保证含胶量的准确 , 通过调节浸渍 温度和时间 、改变纱束疏密和出纱速度 、控制缠绕张 力 、刮胶等多种手段可使缠绕制品的含胶量达到理 想值 。
. 半干法缠绕的浸胶技术 半干法缠 绕的浸胶技 术与湿法 缠绕的大 致相
同 , 只是在纤维浸胶到缠绕至芯模的途中增加了一 套烘干设备 , 将纱带胶液中的溶剂基本上清除掉并 达到 一定程度 的凝胶 , 如图 9所 示[ 12] 。 与干 法相
2010年第 5期
玻 璃 钢 /复 合 材 料
87
比 , 省却了预浸胶工序和设备 ;与湿法相比 , 可使制 品中的气泡 、空隙含量降低 。
根据缠绕 时树脂基体 所处的化 学物理状 态不 同 , 缠绕工艺可分为干法 、湿法及半干法 。 不同的缠 绕工艺 , 其对应的浸胶技术也不尽相同 。 下面就介 绍几种不同缠绕工艺下目前常用的浸胶方法 [ 5] 。
. 干法缠绕用预浸带的浸胶技术 干法缠绕工艺是指缠绕时采用预浸带直接缠绕
在芯模上 , 或在缠绕机上对预浸带加热软化再缠绕 在芯模上 。缠绕机上不设置浸胶槽 , 没有浸胶过程 。 浸胶工艺在缠绕前进行 , 在单独的预浸带生产线上 完成 , 因此研究干法缠绕中的浸胶技术主要是研究 制备预浸带过程中的浸胶技术 。
图 3 热熔浸渍工艺装置示意图
与热熔法相似 , 胶膜法是将单向张紧的纱束整 齐排铺后 , 夹于胶膜之间 , Baidu Nhomakorabea夹芯状 , 再通过热压辊
1-放卷 ;2-分布器 ;3-流化的空气 ;4-干空气 ; 5-多孔板 ;6-载体;7-炉 ;8-收卷
图 5 粉末静电法工艺装置示意图
粉末悬浮法通常又分为水悬浮和气悬浮两种 。 前者是在水中悬浮的树脂颗粒黏附到连续运动的纤
FRP/CM 2010.No.5
图 8 胶辊接触法浸胶工艺图
除了挤胶辊 、刮胶刀和胶液温度等影响含胶量 的主要因素外 , 该装置两侧的可调式胶辊可改变纤 维与浸胶辊的接触包角 a(纤维与浸胶辊接触弧长 所对的圆心角 a), 接触包角的变化也会对含胶量有 影响 。接触包角越大 , 纤维与浸胶辊的接触面积和 接触压力越大 , 纤维张力也越大 , 从而有效地影响湿 法缠绕制品的含胶量 。
84
纤维缠绕工艺浸胶技术研究进展
2010年 9月
纤维缠绕工艺浸胶技术研究进展
郁成岩 , 李辅安 , 王晓洁 , 周东伟
(西安航天复合材料研究所 , 西安 710025) 摘要 :本文对干法 、湿法和半干法三种纤维缠绕工艺各自的浸胶技术做了重点 介绍 , 分析了其技术的特 点和存在的 不足 。 综述了国内外纤维缠 绕工艺浸胶技术的现状和研究进展 , 并对未来纤维缠 绕工艺浸胶技术的发展提出展望 。 关键词 :纤维缠绕工艺 ;浸胶技术 中图分类号 :TU372. 1 文献标识码 :A 文章编号 :1003 -0999(2010)05 -0084 -05
FRP/CM 2010.No.5
2010年第 5期
玻 璃 钢 /复 合 材 料
85
的纱束从纱架引出 , 连续平行地进入装有树脂溶液 的胶槽内浸渍 , 再经高温炉烘干 , 铺垫隔离纸 , 同时 靠热压辊压实 , 最后收卷储存 , 即得成卷的预浸带 , 可用作商业买卖 。 也有预浸带无需铺垫隔离纸 , 成 卷后直接用于缠绕 , 实现即浸即用地不间断生产 。
1 前 言
自复合材料出现以来 , 相应的浸胶技术也随之 诞生 。 早在 20世纪 40年代 , 美国就以手糊工艺制 造出了军用雷达罩和飞机油箱 。所谓手糊工艺是指 手工或在机械辅助下将增强材料和热固性树脂铺覆 在模具上 , 树脂固化形成复合材料的一种成型方法 , 如图 1 所示。 它也是世界上最早最简单的浸胶 技术 。
图 4 胶膜浸渍工艺装置示意图
这两种干法浸胶工艺解决了那些树脂体系不溶 于普通低沸点溶剂的预浸带制备问题 。
(3)粉末工艺法 粉末法主要用于制备热塑性树脂和高熔点难溶 解的树脂的预浸带 , 它又分为粉末静电法和粉末悬 浮法 。 粉末静电法是在连续纤维表面沉积带电树脂粉 末 , 用辐射加热的方法使聚合物粉末永久地黏附在 纤维表面上 。 其浸胶过程如图 5所示 。此法不会引 起纤维 /树脂界面应力 , 也不会因聚合物在高温下持 续时间过程而导致性能退化 。 粉末静电法需事先将 高聚物研磨成非常细微的颗粒 , 其典型的粒子大小 是 240μm、110μm和 80μm。 采用超 细微颗粒 的粉 末 , 可获得柔软的预浸带 。
. 湿法缠绕的浸胶技术 湿法缠绕工艺是采用液态树脂体系 , 将纤维经
集束 、浸胶后 , 在张力控制下直接缠绕在芯模上 , 然 后再固化成型 。 其流程如图 6所示 [ 10] 。
图 7 直浸法浸胶工艺图
触法是将浸胶辊半浸入胶液中 , 裸露在胶液外的辊 表面与纤维接触 。 浸胶辊通过旋转使其辊表面沾上 胶液 , 连续地给纤维浸胶 , 其工艺过程如图 8 所示 。 纤维不直接 浸入胶槽可以使 纤维更均匀地 浸渍胶 液 , 避免过分地吃胶 。
10所示 [ 16] 。将树脂胶液置于密闭贮胶器中 , 通过带 有流量控制阀的输胶管输入浸胶器 , 浸胶器的浸液 通道是出口处向上倾斜的 , 且浸液通道宽度正好能 保证纤维束只与胶液接触 , 不与其他固体部件接触 平直通过 , 纤维束通过浸胶器时进行浸胶 , 浸胶器中 多余的胶液自动流入下方的集胶器中得以收集 。 整 个过程没有胶辊和刮刀的参与 , 这样从根本上消除 了现有浸胶技术中纤维与胶辊和刮刀接触时造成的 黏附损伤 , 并且易于控制胶液浓度和浸渍纤维束的 含胶量 , 尤其适用于高模量碳纤维缠绕工艺中的浸 胶过程 。
图 9 半干法浸胶工艺示意图
3 纤维缠绕浸胶技术的进展
. 国内浸胶技术的发展 我国早在 1962 ～ 1963年就掌握了纤维缠绕成
型技术 , 可缠制各种压力式容器 [ 13] 。但当时浸胶技 术比较落后 , 上胶与刮胶过程大多以手工操作为主 。 近年来 , 随着科学技术的不断发展 , 纤维缠绕工艺得 到了不断完善 , 相应的浸胶技术也有了长足的进步 。
FRP/CM 2010.No.5
86
纤维缠绕工艺浸胶技术研究进展
2010年 9月
维上 , 后者是细度为 10 ～ 20μm的聚合物颗粒在流 化床中悬浮 , 聚合物颗粒附着在连续的纤维上 , 随即 带上护管 , 使粉末不再脱离纤维表面 。
用上述几种浸胶工艺制备的预浸带能严格地控
制质量和含胶量 (精确到 2wt%以内 ), 使干法缠绕 制品的性能大大提高 , 适合于航空航天所要求的高 性能产品的制造 。 但投资较大 , 增加的预浸带制造 设备造价高 。此外 , 干法缠绕制品的层间剪切强度 也较低 [ 9] 。
表 1 三种缠绕工艺浸胶技术的比较
项 目
干法
湿法
预浸湿法
缠绕场所清洁状态 最好
最差
类似于干法
增强材料规格
较严 任何规格
任何规格
树脂含量控制
最好
最难
贮存条件
必须冷藏
无
仅次于干法 , 粘度少许变化
仅次于干法 , 贮存期较短
制造成本
最高
最低
略高于湿法
应用领域
航空航天 广泛应用
类似于干法
现有的浸胶技术一般采用浸胶辊和刮胶刀来实 现浸胶和含胶量的控制 , 但这样由于胶液黏附作用 , 容易造成大量的纤维损伤 , 出现起毛现象 。而非接 触的无辊浸胶技术的出现 [ 15] , 从根本上消除了纤维 与胶辊 、刮刀接触时造成的黏附损伤 。其原理如图
上述两种湿法缠绕的浸胶技术虽然操作简便 、 工装简单 、成本低 、生产效率高 , 但是由于纤维浸胶 后立即缠绕 , 在缠绕过程中对制品含胶量不易控制 和检验 , 同时制品中易形成气泡 、空隙等缺陷 。设备 上大量的刮胶刀和胶辊装置容易损伤纤维 , 出现起 毛现 象 。 树 脂 浪 费 大 , 操 作 环 境 差 , 不 易 实 现 自 动化 。
图 2 溶液浸渍工艺装置示意图
由于在浸胶过程中采用了树脂溶液浸渍纤维 , 所以该法属湿法浸渍工艺 , 其制备在卧式或立式浸 胶机上均可连续进行 。 为获得质量合格的预浸带 , 必须严格控制环境温度 、胶液浓度 、滚筒缝隙 、出纱 速度和收卷张力 [ 7] 等 。
(2)热熔浸渍法和胶膜碾压法 与溶液法不同 , 热熔法和胶膜法都属于干法工 艺 , 浸胶过程中不使用溶剂 , 因而生产环境无污染 , 也不易引起火灾 , 还能节约溶剂 。 制得的预浸带挥 发分含量低 , 制备的复合材料空隙率低 。 热熔法借助加热从漏槽中流出的熔融树脂体系 刮涂于隔离纸载体上 , 随后转移到经排纱整经的平 行纱束上 , 同时纱束的另一面贴附上一层隔离纸 , 然 后三层成一夹芯 , 经热压辊压 实后 , 使树 脂浸润纤 维 , 最后压实收卷 。 其浸胶过程如图 3所示 。热熔 浸渍法可以免去溶液 浸渍法中溶剂 带来的诸多不 便 , 可较为精确地控制树脂基体的含量 , 而且外观质 量较好 [ 8] 。
图 6 湿法缠绕成型工艺流程图
由于湿法缠绕工艺不采用预浸带技术 , 也没有 预固化过程 , 因而制品的含胶量是在浸胶和缠绕过 程中进行控制 。 浸胶技术的优劣直接影响缠绕制品 的好坏 。湿法缠绕工艺的浸胶通常采用直浸法和胶 辊接触法[ 11] 。
(1)直浸法 直浸法是目前湿法缠绕工艺中设备最简单 , 应 用范围最广泛的一种浸胶技术 。该法是将纱团引出 的一束或多束单向张紧的纤维连续直接进入胶槽浸 渍胶液 , 然后通过挤胶辊的挤压使胶液均匀 , 再利用 刮胶刀刮去多余的胶液 , 即得到直接用于湿法缠绕 的浸过胶的纤维 。其工艺过程如图 7所示 。 整个浸 胶过程中 , 挤胶辊压力的大小 、刮胶刀与纱带的距离 和胶液的温度是影响含胶量的主要因素 。 (2)胶辊接触法 胶辊接触法是由 直浸法经 过一定改 进演变而 来 , 它的浸胶装置比直浸法稍微复杂一些 。胶辊接
挤压 , 使纤维浸嵌于树脂膜内 , 最后加附隔离纸载体 压实 , 即可收卷 。 其浸胶过程如图 4 所示 。 一般来 说 , 胶膜法可制备含胶量很低的预浸带 , 产品中树脂 分布均匀 。 但胶膜 法对树脂体系的 工艺性要 求较 高 , 树脂应具有优良的成膜性 , 适度的柔性 、黏性和 较长的储存时间 。通常 , 添加一定量的热塑性树脂 或较高相对分子量的线型热固性树脂可以有效提高 成膜性和柔性 , 同时也提高了固化树脂的韧性 。
预浸带的制备方法按树脂浸渍纤维的方法不同
可大致分为 :①溶液浸渍法 ;②热熔浸渍法和胶膜碾 压法 ;③粉末工艺法等 。
(1)溶液浸渍法 溶液法是目前制备干法缠绕成型用预浸带的最 常用的方法 , 其基本过程如图 2 所示[ 6] 。 单向张紧
收稿日期 : 2009-10-10 作者简介 :郁成岩 (1985-), 男, 硕士研究生 , 主要从事聚合物基复合材料方面的研究 。
21世纪初 , 用于纤维缠绕的一项新的浸胶技术 预浸湿法 [ 14] (又称 湿重卷 法 , wetrerolled)逐 渐兴 起 。这种方法是在综合干法和湿法优点的基础上发 展起来的 。 缠绕前需先制备预浸带 , 但与干法预浸 带不同 , 基体状态始终与浸胶工艺完成时相同 , 在冷 冻贮藏期间 , 粘度基本上不增加 , 不存在熟化阶段 。 此外 , 该预浸技术在预浸过程中无溶剂 , 无需溶剂回 收处理系统 , 因此 , 可明显降低生产成本 , 是一种低 成本制造技术 。 干法 、湿法与预浸湿法的优缺点比 较见表 1。