第七章缠绕工艺及设备教学参考资料武汉理工大学精品课程
第七章 缠绕工艺及设备 教学参考资料 武汉理工大学精品课程
第七章缠绕工艺1概述一、基本概念将连续纤维经过浸胶后，按照一定规范缠绕到芯模上，然后在加热或常温下固化，制成一定形状制品的工艺方法中。二、纤维缠绕工艺的分类GRP缠绕工艺过程中，根据缠绕时树脂基体的物理化学状态的不同，生产上分为干法、湿法及半干法三种。（见P248，P9-1)三、纤维缠绕GRP的优点及局限性缠绕GRP与其它工艺方法生产的GRP制品相比，具有一些更特殊的优点。1.比强度高缠绕GRP容器与钢质容器相比，重量减轻40～60%。缠绕GRP的最大拉伸强度可达4000kg/cm以上。缠绕GRP高强度的原因主要有4点。①所用GF本身强度高采用无抢粗沙在接缠绕成型，减少了退并抢法等工艺，GF的强度损失大大减少。②缠绕GRP制品GF含量高，可高达80%③缠绕成型避免了布纹交织点或短GF末端的应力集中。④缠绕成型，其纤维方向可自由决定。通过缠绕规律的设计（选择GF的取向和数量）。该产品实现等强度结构。2.缠绕GRP质量高而稳定，且生产率高，便于大批量生产，日前缠绕工艺易实现机械化和自动化，是目前GRP制品各种成型方法中机械从自动化程度较高的一种。3.缠绕GRP所用增强材料，大多是连续纤维，无捻粗沙和无玮带等，大大降低了GRP的成本。缠绕GRP及缠绕工艺存在着局限性，具体有6点：
第七章 缠绕工艺 1 概述 一、基本概念 将连续纤维经过浸胶后，按照一定规范缠绕到芯模上，然后在加热或常温下 固化，制成一定形状制品的工艺方法中。 二、纤维缠绕工艺的分类 GRP 缠绕工艺过程中，根据缠绕时树脂基体的物理化学状态的不同，生产 上分为干法、湿法及半干法三种。 （见 P248，P9-1） 三、纤维缠绕 GRP 的优点及局限性 缠绕 GRP 与其它工艺方法生产的 GRP 制品相比，具有一些更特殊的优点。 1. 比强度高 缠绕 GRP 容器与钢质容器相比，重量减轻 40～60%。缠绕 GRP 的最大拉伸 强度可达 4000kg/cm 2以上。缠绕 GRP 高强度的原因主要有 4 点。 ①所用 GF 本身强度高 采用无捻粗沙在接缠绕成型，减少了退并捻法等工艺，GF 的强度损失大大 减少。 ②缠绕 GRP 制品 GF 含量高，可高达 80%。 ③缠绕成型避免了布纹交织点或短 GF 末端的应力集中。 ④缠绕成型，其纤维方向可自由决定。通过缠绕规律的设计（选择 GF 的取 向和数量）。该产品实现等强度结构。 2. 缠绕 GRP 质量高而稳定，且生产率高，便于大批量生产，日前缠绕工艺 易实现机械化和自动化，是目前 GRP 制品各种成型方法中机械从自动化程度较 高的一种。 3. 缠绕 GRP 所用增强材料，大多是连续纤维，无捻粗沙和无玮带等，大大 降低了 GRP 的成本。 缠绕 GRP 及缠绕工艺存在着局限性，具体有 6 点：
1.缠绕玻璃钢的弹性模量低；2.层间剪切强度低；3.纤维缠绕结构是各向异性，强度的方向性比较明显；4.缠绕GRP的延性小，消除开孔或开口周围应力集中的能力较小5.目前缠绕工艺通常只适用于制造元柱体，球体及某些正曲率回转体产品。6.纤维缠绕必须借助缠绕机才能实现。（详见P251）四、影响缠绕GRP性能的因素缠绕GRP产品的性能与其他GRP产品一样，首先取决于原材料的性能另外还取决于成型工艺及产品的结构设计，缠绕GRP产品由于其特点，后两点表现的尤为突出。1.原材料的影响2.产品结构设计所谓产品结构设计，即根据使用单位提出的各项要求，考虑GRP材料的特性和工艺特点，使材料发挥最大的能力。对于缠绕GRP制品，应首先计算出最大主应力，从而找出合理的纤维排布方向，并确定保证强度的最少纤维用量，及避免剪切应力等。3.生产工艺过程的影响保证缠绕GRP产品质量的具体工艺要求是：①保证GF按规定在制品各部位的均匀排布无滑移，并控制缠绕沙带宽度，防止制品因GF含量不足或排布不均匀而形成局部薄弱区域。确定合理的强力制度，保持纤维的初始应力相同，避免内松外紧。②树脂含量过多或过少以及分布不匀，都会上起不均匀的应力分布：树脂必须达到一定的固人程度，否则将严重降低。③在工艺过程中，要尽量减少气泡，降低气孔率，提高产品致密性。如在真空环境中缠绕，可清除全部气孔，改善GF/树脂的粘法性，可提高强度大约10%
1. 缠绕玻璃钢的弹性模量低； 2. 层间剪切强度低； 3. 纤维缠绕结构是各向异性，强度的方向性比较明显； 4. 缠绕 GRP 的延性小，消除开孔或开口周围应力集中的能力较小； 5. 目前缠绕工艺通常只适用于制造元柱体，球体及某些正曲率回转体产品。 6. 纤维缠绕必须借助缠绕机才能实现。 （详见 P251） 四、影响缠绕 GRP 性能的因素 缠绕 GRP 产品的性能与其他 GRP 产品一样，首先取决于原材料的性能， 另外还取决于成型工艺及产品的结构设计，缠绕 GRP 产品由于其特点，后两点 表现的尤为突出。 1. 原材料的影响 2. 产品结构设计 所谓产品结构设计，即根据使用单位提出的各项要求，考虑 GRP 材料的特 性和工艺特点，使材料发挥最大的能力。对于缠绕 GRP 制品，应首先计算出最 大主应力，从而找出合理的纤维排布方向，并确定保证强度的最少纤维用量，及 避免剪切应力等。 3. 生产工艺过程的影响 保证缠绕 GRP 产品质量的具体工艺要求是： ①保证 GF 按规定在制品各部位的均匀排布无滑移，并控制缠绕沙带宽度， 防止制品因 GF 含量不足或排布不均匀而形成局部薄弱区域。 确定合理的强力制度，保持纤维的初始应力相同，避免内松外紧。 ②树脂含量过多或过少以及分布不匀，都会上起不均匀的应力分布； 树脂必须达到一定的固人程度，否则将严重降低。 ③在工艺过程中，要尽量减少气泡，降低气孔率，提高产品致密性。如在真 空环境中缠绕，可清除全部气孔，改善 GF/树脂的粘法性，可提高强度大约 10%
以上。五、缠绕GRP的现状及今后的发展1.现在国际上缠绕工业状况明显分成两部分航空空间部分和民用部分。航空空间工业的特点是生产高性能，高精度的缠绕结构，如火箭发动机壳体等。为了提高性能，除常用的S-GF/环氧树脂外，BF、CF、新型耐热聚合物都正在研究和应用。为了提高精度，正在研制或使用高精度难的数控缠绕设备。民用部分近年来发展很快，其主要产品包括贮罐，管材，压力容器等（详见P250)2.纤维缠绕作为GRP生产中最新的工艺，目前正有许多问题尚须进一步研究和解决。2原材料的选择缠绕GRP所用原材料仍然是GF及其织物和粘接剂两大类，其选用原则分别为：1.玻璃纤维①具有较高的强度和弹性模量；②对粘接剂有较好的浸润性；③有良好的工艺性，在缠绕中不断投向一束GF中各股之间的张紧程度要求均匀等。2.粘接剂①粘接剂对GF具有良好的粘接力和浸润性②具有较高的机械强度和强模，延伸率应比GF略高③具有良好的工艺性；
以上。 五、缠绕 GRP 的现状及今后的发展 1. 现在国际上缠绕工业状况明显分成两部分 航空空间部分和民用部分。 航空空间工业的特点是生产高性能，高精度的缠绕结构，如火箭发动机壳体 等。 为了提高性能，除常用的 S-GF/环氧树脂外，BF、CF、新型耐热聚合物都 正在研究和应用。 为了提高精度，正在研制或使用高精度难的数控缠绕设备。 民用部分近年来发展很快，其主要产品包括贮罐，管材，压力容器等（详见 P250） 2. 纤维缠绕作为 GRP 生产中最新的工艺，目前正有许多问题尚须进一步研 究和解决。 2 原材料的选择 缠绕 GRP 所用原材料仍然是 GF 及其织物和粘接剂两大类，其选用原则分 别为： 1. 玻璃纤维 ①具有较高的强度和弹性模量； ②对粘接剂有较好的浸润性； ③有良好的工艺性，在缠绕中不断投向一束 GF 中各股之间的张紧程度要求 均匀等。 2. 粘接剂 ①粘接剂对 GF 具有良好的粘接力和浸润性； ②具有较高的机械强度和强模，延伸率应比 GF 略高； ③具有良好的工艺性；
④具有一定的耐温性和良好的耐老化性能。根据上述选材原则，缠绕工艺成型的主要原材料采用须浸渍GF无纬胶带（省略无纬带）它是采用GF无捻粗纱浸渍环氧或聚酯树脂经烘干处理制成的带子。因为无抢粗纱比加抢沙具有较高的强度80模量，但无抢粗纱的工艺性能较差，在缠绕中容易发生松散、起毛、张力控制困难等。将无抢粗纱采用环氧或聚酯树脂强浸渍后。提高了纤维束的抱合力，可以改善其工艺性能。下面我们主要介绍无纬带的生产情况。一、缠绕工艺中无纬胶带的特点：无纬带具有极高的单向强度，其制品拉伸以度高达10000kg/cm?以上，如采用S高经GF，经度可达13000kg/cm?以上，因此常用于缠绕强度，模量要求极高的高压容器，火箭发动机壳体等。二、制备无纬带用的原材料1. GF选用无碱无抢GF，支数和股数按产品要求而定。通常采用40s和80s无抢粗纱（单丝直径一强度一梳纱集束状态一利用率）GF在橡胶前后进行除湿处理或表面处理。2.树脂制造强浸渍无纬带目前主要采用环氧和聚酯树脂，下面介绍几种配方：①环氧一B②环氧一H③6207环氧④聚酯一B详见P254表9-2、9-3、9-4环氧一B（环氧一酚醛胶液的配方）二甲苯：乙醇（1：1）混合液环氧6341134或3201酚醛
④具有一定的耐温性和良好的耐老化性能。 根据上述选材原则，缠绕工艺成型的主要原材料采用须浸渍 GF无纬胶带（省 略无纬带） 它是采用 GF 无捻粗纱浸渍环氧或聚酯树脂经烘干处理制成的带子。 因为无捻粗纱比加捻沙具有较高的强度 80 模量，但无捻粗纱的工艺性能较 差，在缠绕中容易发生松散、起毛、张力控制困难等。将无捻粗纱采用环氧或聚 酯树脂强浸渍后。提高了纤维束的抱合力，可以改善其工艺性能。 下面我们主要介绍无纬带的生产情况。 一、缠绕工艺中无纬胶带的特点： 无纬带具有极高的单向强度，其制品拉伸以度高达 10000kg/cm2以上，如采 用 S 高经 GF，经度可达 13000kg/cm2 以上，因此常用于缠绕强度，模量要求极 高的高压容器，火箭发动机壳体等。 二、制备无纬带用的原材料 1. GF 选用无碱无捻 GF，支数和股数按产品要求而定。 通常采用 40s 和 80s 无捻粗纱 （单丝直径— 强度 — 梳纱集束状态 — 利用率） GF 在橡胶前后进行除湿处理或表面处理。 2. 树脂 制造强浸渍无纬带目前主要采用环氧和聚酯树脂，下面介绍几种配方： ①环氧—B ②环氧—H ③6207 环氧 ④聚酯—B 详见 P254 表 9-2、9-3、9-4 环氧—B（环氧—酚醛胶液的配方） 环氧 634 1134 或 3201 酚醛 二甲苯：乙醇（1：1）混合液