高愛娟，軒立新，耿曉峰（中國航空工業(yè)集團(tuán)公司濟(jì)南特種結(jié)構(gòu)研究所，高性能電磁窗航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250023）

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一種水處理濾沙罐復(fù)合材料纖維纏繞工藝設(shè)計(jì)

高愛娟，軒立新，耿曉峰
（中國航空工業(yè)集團(tuán)公司濟(jì)南特種結(jié)構(gòu)研究所，高性能電磁窗航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250023）

摘要：在分析水處理濾沙罐復(fù)合材料纏繞原理的基礎(chǔ)上，建立了罐體的纏繞模型，確定了纖維纏繞角度和方法，通過分次固化工藝、表面鋪貼收縮膜、螺旋纏繞和環(huán)向纏繞相結(jié)合的方式對水處理濾沙罐進(jìn)行纏繞制造。打壓試驗(yàn)表明，纏繞的罐體強(qiáng)度滿足要求。

關(guān)鍵詞：水處理濾沙罐；纏繞；工藝設(shè)計(jì)

隨著水處理行業(yè)的蓬勃發(fā)展，環(huán)保型玻璃鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)水處理容器用途日益廣泛［1-2］。在生產(chǎn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料產(chǎn)品的技術(shù)中，纏繞技術(shù)是最早開發(fā)且使用最廣泛的加工技術(shù)，亦是重要的生產(chǎn)技術(shù)之一［3］。環(huán)保型水處理濾沙罐（以下簡稱水處理罐）采用高強(qiáng)度玻璃纖維和高性能樹脂纏繞而成，因而具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐老化等諸多優(yōu)點(diǎn)。水處理罐的成型過程使用自動化控制，纏繞過程纖維損傷少［4］，可根據(jù)設(shè)計(jì)要求按罐體的受力狀態(tài)纏繞纖維，所以產(chǎn)品又具有成型效率快、比剛度和比強(qiáng)度高［5-6］的特點(diǎn)。筆者探討了水處理罐制造的工藝參數(shù)控制，通過CADWIND軟件編寫了罐的纏繞程序，實(shí)現(xiàn)了水處理罐復(fù)合材料的纏繞。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

196#不飽和聚酯樹脂：濟(jì)南中源化工有限公司；

過氧化甲乙酮：濟(jì)南市天橋區(qū)科華樹脂應(yīng)用技術(shù)開發(fā)中心；

環(huán)烷酸鈷：天津阿克蘇諾貝爾過氧化物有限公司；

無堿玻璃纖維纏繞紗：陜西興平玻璃纖維總廠。

1.2 儀器設(shè)備

纖維纏繞設(shè)備：FWA V/5/1型，市售。

1.3 試樣制備

（1）膠液配置。

將196#樹脂、過氧化甲乙酮（固化劑）、環(huán)烷酸鈷（促進(jìn)劑）按100/（2～3）/0.5的質(zhì)量比配置膠液。

（2）凝膠期控制。

纏繞不飽和樹脂的凝膠期控制調(diào)整很關(guān)鍵［7］。196#不飽和聚酯在30℃下凝膠期約為30 min，對于纖維纏繞，凝膠期短則無法保證纏繞的正常順利進(jìn)行。不飽和聚酯為自由基共聚反應(yīng)，其固化速度受溫度影響極大。溫度每上升10℃，反應(yīng)速度加快2～3倍。為保證纏繞的順利進(jìn)行，樹脂的凝膠時(shí)間至少需要60 min，對應(yīng)的溫度約20℃，因此纏繞時(shí)需將環(huán)境溫度控制在20℃左右。

（3）水處理濾沙罐纏繞工藝方法。

使用纏繞機(jī)，將無捻玻璃纖維浸漬在浸膠槽后，用刮刀去除纖維中多余的樹脂，通過計(jì)算機(jī)控制纖維的張力、纏繞方式、纏繞角度和速度，將浸膠后的纖維纏繞在聚氯乙烯（PVC）的芯模上，當(dāng)纏繞達(dá)到規(guī)定厚度后，在室溫下進(jìn)行固化，最后脫模修整得到制品，工藝流程見圖1。

圖1 水處理罐制造工藝流程圖

2 結(jié)果與討論

2.1 纏繞程序的設(shè)計(jì)

（1）纏繞罐體模型建立。

根據(jù)水處理罐的二維圖使用CAD技術(shù)測量對稱罐體以旋轉(zhuǎn)軸為中心各個分塊位置的半徑和旋轉(zhuǎn)軸方向的坐標(biāo)值，見圖2。由CADWIND建立的罐體數(shù)模見圖3。

圖2 水處理罐的二維圖

圖3 水處理罐的模型

（2）纖維纏繞角度確定。

在實(shí)際纏繞工藝中，纖維纏繞的角度與纏繞的前進(jìn)量對纏繞制件質(zhì)量影響極大，是纏繞工藝設(shè)計(jì)中兩個重要的參數(shù)［8］。如果確定了纏繞芯模的直徑，纏繞過程中纖維的初始纏繞角度一旦確定，則纖維的最大展紗寬度也就確定了，根據(jù)多次試驗(yàn)結(jié)果，確定了水處理罐初始纏繞角度采用經(jīng)典的容器纏繞角度即54.7°，纏繞角度隨著罐體外形的變化而變化，見圖4，覆蓋的程度接近100%。模擬模型見圖5。

圖4 水處理罐的纏繞角度

圖5 水處理罐的纏繞模擬模型

（3）纏繞方法確定。

無特殊用途容器一般只采用螺旋方式纏繞即可，但對于用于水處理的纏繞容器來說，如果容器內(nèi)部壓力達(dá)到材料的容限值時(shí)，容器中間段厚度偏薄處的纏繞罐體就容易出現(xiàn)樹脂環(huán)向開裂的現(xiàn)象，多次使用，纏繞罐體的破壞就從此處的材料層開始。

根據(jù)理論分析，玻璃纖維增強(qiáng)不飽和樹脂纏繞的罐體，當(dāng)罐內(nèi)壓力增加到一定值時(shí)，中間段的纏繞層易發(fā)生應(yīng)變集中。當(dāng)樹脂的微觀應(yīng)變超過應(yīng)變極限時(shí)，應(yīng)變集中系數(shù)最大位置上的樹脂發(fā)生斷裂現(xiàn)象［9］。由于罐體長徑比較小，采用螺旋纏繞時(shí)在罐體中間部分纖維稀疏，筒身中間段為應(yīng)變集中期，因此需與環(huán)向纏繞相結(jié)合才能滿足罐體使用要求。

2.2 水處理罐的質(zhì)量分析

通過CADWIND軟件模擬罐體纏繞的整個過程，見圖6，軟件中黃色（圖中為白色）區(qū)代表纏繞質(zhì)量差，有架橋風(fēng)險(xiǎn)。可看出罐體纏繞有多個地方存在分層架橋的風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過對已固化水處理罐進(jìn)行環(huán)向切割，目測檢查證實(shí)了實(shí)際纏繞的罐體的確有明顯的局部分層，是由于纖維與纖維之間架橋引起的。為解決架橋現(xiàn)象，工藝采取將纖維的tex數(shù)變小、纏繞程序的布寬變窄等措施可顯著提高罐體的質(zhì)量。

圖6 水處理罐質(zhì)量模擬示意圖

2.3 水處理罐的固化

水處理罐能否充分固化，直接影響罐的性能及質(zhì)量。由于罐的厚度較厚，為5～9 mm，如果采用一次固化工藝，第一靠近罐體表面膠液內(nèi)溶劑揮發(fā)困難，導(dǎo)致靠近罐體表面的膠液纖維層易形成大量氣泡；第二如果內(nèi)部樹脂固化散發(fā)熱量未及時(shí)去除，易造成燒芯現(xiàn)象。為解決上述問題，水處理罐采用了分次固化的工藝。另外，由于纖維張力的作用，膠液將由罐體里面向外面遷移，樹脂含量在壁厚方向分布不均勻，可采用表面鋪貼收縮膜后再進(jìn)行固化的方式進(jìn)行。實(shí)際制造的水處理罐見圖7。

圖7 水處理罐產(chǎn)品

3 結(jié)論

采用CADWIND軟件編寫纏繞程序，實(shí)現(xiàn)了纖維纏繞水處理濾沙罐復(fù)合材料的工藝設(shè)計(jì)，通過分次固化工藝、表面鋪貼收縮膜、螺旋纏繞和環(huán)向纏繞相結(jié)合的方式對水處理罐進(jìn)行纏繞制造。最終制造的水處理濾沙罐通過打壓0.9 MPa的試驗(yàn)，證明纏繞罐體的強(qiáng)度滿足要求。

參 考 文 獻(xiàn)

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聯(lián)系人：高愛娟，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楹娇諒?fù)合材料成型技術(shù)

Process Design of Fiber Winding in a Filter Sand Tank for Water Treatment

Gao Aijuan ， Xuan Lixin， Geng Xiaofeng
（Research Institute for Special Structures of Aeronautical Composites， AVIC， The Aeronautical Science Key Lab for High Performance Electromagnetic Windows， Jinan 250023， China）

Abstract：Based on analyzing the principle of water treatment filter sand tank composite winding，the tank winding model was established， and the fiber winding angle and method were determined.The tank was manufactured through draded curing，surface spreading and shrink film，spiral winding and hoop winding.Pressure testing showed that the strength of the winding tank could meet the requirement.

Keywords：water treatment filter sand tank；winding；process design

中圖分類號：TQ323

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-3539（2016）01-0072-03

doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2016.01.016

收稿日期：2015-10-19