5　纤维缠绕成型

　　纤维缠绕成型可用于制造管材、筒体或球体，并常用来制造大型槽罐及管道，多用于耐压容器及化工防腐方面。一般纤维缠绕可达到较高的强度与质量比值，玻璃纤维含量可高达80％(质量分数)。经过计算，适当安排纤维缠绕结构，可使制品承受很高的内压力。
　　纤维缠绕成型用于聚酯制品时有湿法与干法两种，以湿法为主。玻璃纤维纱通过树脂浸渍槽浸渍树脂后，在一定张力下环绕一个旋转芯轴缠绕上去。纤维缠绕是通过一个沿轴向往复行走的喂纱头进行的。
　　对于大直径管道，芯轴可以分割，缠绕时先包一层脱模薄膜(如玻璃纸)，再行缠绕。芯轴内部还可以引入加热设施，如蒸汽加热和电加热等，加速固化。或者将缠绕完的结构连同芯轴一起送到固化炉中加热固化。
　　为提高防腐效果，可做防腐内衬。芯轴上可包一层表面毡，再包1～2层短切毡或织带，再进行纤维缠绕。先使层部分固化再缠绕以后各层，防止树脂向外挤出。
　　在制造管道及槽罐时，缠绕角的安排取决于制品性能的要求，可以从纵向缠绕变化到环向缠绕。纤维排列可以分层设计，准确布置，其示意见图14-24。整个缠绕变化过程可用计算机控制，也可通过齿轮组及电子伺服系统控制。

　　缠绕过程的基本原理是调节与控制转动芯轴的转速和送纱小车的行速，实现规定的缠绕角，同时又保证各循环缠绕的纱带能均匀密实地排列。在缠绕芯轴端部还要有一定的变角度包缠，对此可计算如下。
　　如图14-25所示，设α为缠绕角；γ为芯轴半径；L为缠绕区长度。当纤维缠绕到端部时，在芯轴上包缠角度为θ(度)。

　　当纤维缠到P点时，距端部L’。设芯轴自y轴旋转到P点位置时旋转角为φ，则有：

　　纤维在缠绕区全长上往复一次，即小车往复一次，芯轴旋转总角度(弧度)为：

　　如芯轴转速已定为n(r／min)，其角速度即为2πn。于是可得小车往复一个循环所需时间为：

　　式中T1――小车往复一次需时间；
　　　　D――芯轴直径。
　　小车行走速度必须适应上式中两部分不同的行走时间对应的行走长度的要求变换。
　　但按上式所计算得芯轴转速和小车行走时间的关系，还不能保证每层缠绕丝束带能均匀地邻靠排列，只能使各次缠绕重叠起来。为此必须将时间T1作规定的修正。
　　设缠绕纤维丝带的宽度为b，则使两次循环均匀邻靠排列的必要条件是使旋转角φ增加或减少△φ(见图14-25)即：

　　于是得：

　　小车往复一次所需时间应修正为：

　　上式即为圆筒形或管形物体的纤维缠绕公式，用以确定芯轴转速、缠绕直径、缠绕角、纤维纵向行速等参数。
　　缠绕管道时常用钢芯轴，直径较大的管道可用可收缩性芯模，此时芯模上沿径向开有长缝，通过液压机构使之张开或合拢，便于脱模。用钢芯轴兼作芯模时，要有微小锥度(在6m长度上有1～2mm即可)。为缠绕圆筒形罐体，可将芯模做成一端带底的圆筒形，底部用喷射或手糊成型，然后再缠绕筒体，在与底部连接处要加强，并可根据结构计算的要求使筒壁各处缠绕得不同厚度，以及直接缠绕得肋圈等。在制作球形或筒形制品时，可使用蜡、石膏等制成模具或做成组合并装式模具，树脂固化后，可将模具取出。总之，芯轴的选择取决于制品性能、生产周期长短以及芯轴的复用要求等。
　　除采用连续无捻粗纱缠绕以外，也可用带子或切开的窄毡或布进行缠绕。也可联合不同形式的纤维制品进行缠绕。
　　为了改进制品的耐化学性，可以采用热塑性树脂做成芯轴，或采用在芯轴上包橡胶内衬等办法。为加强这种内衬与聚酯的粘结性，可采用玻璃纤维部分辊压进内衬材料以及选用合适的黏合剂的办法。
　　纤维缠绕成型有很大的灵活性，可以通过设计来满足不同的使用要求。以下举几个成功的实例。
　　连续缠绕生产不定长管道的成型方法已有多种，图14-26为一种较大型管道的连续成型装置。转动芯轴一端固定安装在机架上，有连续缠绕的钢带形成活动内衬。两个表面毡架和两个纤维纱架上的毡和纱经过浸渍槽浸渍树脂后缠绕到芯轴上去。纤维材料可用连续纱、短切毡。其缠绕程序为：表面毡-短切毡连续纤维-表面毡-外包带或金属箔。缠绕层依次进行并顺序通过固化炉、磨光与切割机，即得产品。该装置可生产直径为1～3.5m的管道，长度可控制。产量可达10～25m／h。玻璃纤维含量15％～25％。

　　图14-27为一种连续纤维与短切纤维夹层缠绕以生产大直径管道的装置。装置上设树脂被覆、短切纤维沉积以及连续纤维缠绕3个机构，依次将树脂、短切纱及连续纤维缠绕上去。这种方法适用于制造静置的大直径耐腐蚀管道或容器筒体。
　　纤维缠绕制品除了做管道或容器、槽罐以外，还可做钢管的包覆层，防止外面腐蚀，如海洋采油及天然气生产台上提升钢管的保护层等。缠绕工艺中应考虑纤维增强树脂的膨胀系数低于钢芯管的问题并采取相应措施，否则会影响产品质量。例如树脂固化于120℃，在零下温度使用时，会产生接触界面的分离，使水分因虹吸作用而渗入钢管表面，保护层即失效。