树脂基复合材料湿法缠绕成型工艺分析

3. 湿法缠绕用树脂基体的研究
　 　 对于湿法缠绕成型用基体树脂，除要求能提供优秀的热机电性能外，还要求其在工作温度下具有较低的初始粘度以及在该温度下保持较长时间(即适用期)的低粘度状态。常用的基体树脂主要有不饱和聚酯及环氧树脂等。

　 　 不饱和聚酯的突出优点是粘度低、价格便宜，但其凝胶速度较快、固化产物综合性能不高，主要应用于要求不高的民用低压结构材料领域。目前湿法缠绕用不饱和聚酯研究的主要方向是高性能化、延长并使其凝胶时间可控化。周文英等人开发出了一种不饱和聚酯体系，用于环保水处理容器湿法缠绕成型。

NOL环实验及容器疲劳、爆破试验表明，该配方体系粘度低而缠绕工艺性能优异、韧性好、与玻璃纤维界面粘接效果好、纤维强度转化率在80%以上，伸用其缠绕成型的水处理容器力学性能不低于原环树脂体系，然而成本是原体系的一半。

　 　 由于良好的粘接性、耐化学腐蚀性及低收缩性等性能，环氧树脂在先进复合材料领域获得了广泛的应用。但相对于不饱和聚酯而言，环氧树脂具有价格昂贵、粘度较大等缺点。在作为湿法缠绕用树脂基体时，目前的研究主要是在不过度降低树脂的热机电性能的基础上，改善其湿法工艺性，即通过选择适当的稀释剂来降低体系的粘度;通过选择适当的固化剂和促进剂降低体系的固化温度、延长体系的适用期。张春华等人以环氧树脂TDE一85为主体树脂、采用一种自制的改性芳香胺为固化剂制得一种低粘度树脂体系。25℃粘度仅为0.41Pa.s，8h后粘度低于0.6Pa.s，表明该体系的适用期较长。以90℃/2h+120℃/lh+160℃/3h的固化制度固化后的浇注体拉伸强度达97MPa，拉伸模量达3.8GPa，断裂延伸率达4.3%。通过湿法缠绕Φ150mm小容器研究了该树脂基体和T-700碳纤维的浸润性。结果显示，纤维强度转化率高达86.5%，压力容器特性系数(PV/WC)值高达39. 8km.

　 　 王斌等人对湿法缠绕用环氧树脂配方进行了一系列的研究。针对芳纶纤维，通过复配不同的稀释剂和固化剂制得一系列的湿法配方。选用HR18A进行了湿法缠绕工艺性的初步研究，结果表明，芳纶NOL环剪切强度约51-55MPa，强度转化率在87%以上，Φ150mm小容器PV/Wc值达36.3km。针对车用天然气全复合材料高压气瓶的应用特点，以环氧树脂E-51为主体树脂、具有韧性的DDM为固化剂，通过添加活性稀释剂和自制促进剂制得一种中温固化环氧配方HE2。该树脂体系初始粘度为0.72 Pa. s，10h后粘度仅增加至2.32 Pa.s，表明体系有较长的适用期。

 

为满足固体火箭发动机壳体对树脂基体高韧性和高耐热性的要求，陈平等人以T-51TDE-85为主体树脂，通过向体系中添加耐高温组分改性双马来酰亚胺共聚物和经增韧剂改性DDM固化剂，分别制得耐高温湿法缠绕用树脂配方和高韧性湿法缠绕用环氧配方。以高韧性配方为基体、T-700碳纤维为增强材料湿法缠绕Φ150mm了小容器。试验结果表明，碳纤维的强度转化率高达89.4%，PV/Wc值高达40.1 km，说明该基体与T-700碳纤维有良好的相容性。
 

4. 湿法缠绕成型工艺的研究
　 　 湿法缠绕用增强材料和树脂基体是湿法缠绕成型顺利进行的必要物质条件，但制品的性能和材料性能的充分发挥很大程度上决定于缠绕工艺的执行状况。与干法成型相比，湿法缠绕成型最大的困难在于含胶量和胶液均匀分布的精确控制。在湿法缠绕工艺中影响含胶量的因素有很多，如缠绕张力、树脂粘度以及刮胶系统等。这些因素之间互相影响，从而决定了湿法缠绕工艺控制的难度。目前，对于湿法缠绕工艺的系统研究尚较少见诸报道，而湿法缠绕成型的应用主要在要求不高的民用建材、管道等领域。任鹏刚等人将纤维湿法缠绕技术应用于复合材料空心绝缘子的成型，对其进行了湿法成型工艺的初步研究。结果表明，纤维湿法缠绕优于真空浸渍的布带缠绕成型方法，可获得密实性、防水扩散性较好的材料。

　 　 刘炳禹等人在碳纤维复合材料锥形壳体的成型中初步探讨了湿法缠绕成型工艺，较的缠绕张力有利于纱带充分浸渍液,并挤出富余胶液而使材料更加密实但张力过大使纱带在传递过程中发生磨损.含胶量呈逐渐减少趋势。研究认为这是因为纱带缠绕到芯模上后，在张力作用下纱带上的胶液向外迁移造成的。

　 　 湿法缠绕中缠绕张力是很重要的工艺参数。较大的缠绕张力有利于纱带充分浸渍胶液，并挤出富余胶液而使材料更加密实。但张力过大会使纱带在传递过程中发生磨损，而不利于纤维强度的发挥，同时也会造成过度挤胶是制品含胶量过低。陈世乐等人研究了T-700和T-800碳纤维湿法缠绕中张力对强度发挥的影响，发现高模质量T-800脆性较大、抗磨能力较差，比T-700更易在缠绕过程中磨损。纤维缠绕中发生的纤维磨损是影响纤维强度转换的重要因素，因此降低缠绕张力在一定程度上可提高纤维发挥强度。但张力减小到一定程度时会降低层间剪切强度，从而也不利于纤维强度的整体发挥。湿法缠绕碳纤维张力范围一般为纤维断裂强力的3一8%。对T-800而言，上限应小于4%，即T-800碳纤维的张力应选择在40一48N每团之间，T-700可高于50N每团。

 5. 结论与展望
　 　 目前常用的增强材料均可用于湿法缠绕成型,而新出现的超强有机纤维，如超高分子量聚乙烯纤维、PBO纤维等，由于表面惰性较大，欲用于湿法缠绕成型尚需进一步的研究。适用的树脂基体种类较少是限制湿法缠绕获得进一步应用的主要限制因素之一，目前已研制出了一些性能优异的环氧和非环氧湿法缠绕用配方。今后的研究方向应着力于解决配方中低温可固化和常温适用期之间的矛盾，在降低体系固化温度的同时延长体系的适用期。湿法缠绕工艺是影响制品性能的重要因素之一。针对于此，今后的研究重点应集中于胶液粘度、缠绕张力以及挤胶状况对含胶量的影响，做到在缠绕工艺中使树脂粘度可调，并精确量化缠绕张力与含胶量以及制品性能之间的关系。

　 　 缠绕成型已经成为复合材料制造工艺中最重要的手段之一相对于预浸带干法成型而言，湿法缠绕成型不需要事先制备和冷藏预浸带，所需设备简单，制造工序得到简化，因此可有效降低复合材料的制造成本。鉴于日益激烈的市场竞争及不断增加的成本压力，湿法缠绕成型必将会得到较大的发展，尤其在目前干法缠绕成型占据统治地位的航空航天等先进复合材料领域，湿法缠绕成型有可能取代干法成型。