CN101325098A

CN101325098A - 碳纤维复合加强芯线缆

Info

Publication number: CN101325098A
Application number: CNA2007101108704A
Authority: CN
Inventors: 李玉国; 刘忠
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-06-12
Filing date: 2007-06-12
Publication date: 2008-12-17

Abstract

本发明涉及一种碳纤维复合加强芯线缆。其具有包括碳纤维、玻璃纤维和热固性环氧树脂的多层结构。相对于传统碳纤维或碳纤维复合材料，本发明具有强度高、使用范围广泛、加工容易等优点。本发明还涉及该线缆的制造方法。

Description

碳纤维复合加强芯线缆

发明领域

本发明涉及复合材料领域，特别是含有碳纤维的复合材料。

发明背景

碳纤维具有高强度、高模量、低密度等传统材料所不具备的有点。在现在高技术领域具有广泛的应用。碳纤维的不足是价格昂贵、容易产生脆性断裂、高温抗氧化性差等。这些限制了碳纤维的应用。因此，实际生产中应用更多的是碳纤维复合材料。但是传统的碳纤维复合材料价格仍然非常昂贵，加工过程也非常复杂，所以其应用范围往往仅限于航空、航天、军工等特殊领域。碳纤维的高强度、高模量、低密度等优点使其在普通民用工程领域具有潜在的广大的应用前景，例如用于桥梁复合拉索、远洋捕鱼线缆、电力线缆等。在这些领域的应用，出于经济上的考虑，传统碳纤维复合材料是不合适的。

因此人们一直在寻找一种成本低、加工工艺简单的实用的碳纤维复合材料。例如，2003年1月1日公开的中国专利申请02135239.9公开了一种铝基混合碳纤维复合材料线芯传输电缆。该电缆的线芯由多根铝或铝合金为基体材料，其上均匀分布着混合碳纤维，纤维所占体积比为50-60％，该铝基碳纤维复合材料线芯直接置于多层铝线的中心，形成铝基碳纤维复合材料线芯传输电缆。据称，该线缆导电性号、重量轻、强度高。但是以铝合金作为基体材料，其与碳纤维的相容性并不好，热膨胀系数也不匹配，所以在实际应用中还存在一定问题。

发明内容

本发明公开了一种成本低、加工工艺简单的实用的碳纤维复合加强芯线缆，包括：

沿轴向平行排列、均匀分布于第一环氧树脂固化物中的碳纤维的内层；

沿轴向平行排列、均匀分布于第二环氧树脂固化物中的玻璃纤维的外层；

其中碳纤维与玻璃纤维的纤维体积率为40-70％，所述碳纤维复合加强芯的拉伸强度为1000-3000MPa之问。

另一方面，本发明还公开了制造上述碳纤维复合加强芯线缆的方法，包括：

提供碳纤维和玻璃纤维；

引导碳纤维和玻璃纤维通过装有预定组成的树脂组合物的浸渍槽；

经预固化和固化两段操作使所述树脂组合物固化。

附图说明

图1是根据本发明的碳纤维复合加强芯线缆10的示意图。

图2是根据本发明的碳纤维复合加强芯线缆10横截面的示意图。

图3是根据本发明的碳纤维复合加强芯线缆10的制造工艺流程图。

具体实施方式

本发明的复合加强芯线缆使用相对较低弹性模量的玻璃纤维与相对较高弹性模量的碳纤维组合，以便结合两者的优点，获得拉伸强度和柔性的平衡，从而满足各种使用场合的不同需求。

本发明复合加强芯线缆采用热固性环氧树脂材料作为基体材料。环氧树脂材料与碳纤维、玻璃纤维相容性较好，可以获得更优异的复合材料性能；而且可供选择的商业环氧树脂材料种类繁多，可以满足各种各样的实践需求，实现不同的性能。

图1是根据本发明的碳纤维复合加强芯线缆10的示意图。图2是根据本发明的碳纤维复合加强芯线缆10的横截面示意图。碳纤维复合加强芯线缆10包括由碳纤维11和固化环氧树脂15构成的内层12和由玻璃纤维13和固化环氧树脂17构成的外层14。碳纤维11和玻璃纤维13沿轴向平行排列，均匀分布于固化环氧树脂15和17之中。

注意这里示出的仅是碳纤维复合加强芯线缆的简单结构示意图，本领域技术人员明白其实际结构可能包含更多的层。作为最终应用的产品，不排除在外层14之外还有其它结构层，例如作为电力线缆应用时，可以有缠绕的铝绞线。或者，作为桥梁拉索时，外面可以涂有保护涂层，并且由多根这样的加强芯线缆进行编制，形成缆绳。

碳纤维11均匀分布于固化环氧树脂15之中。图2示出的仅是示意性的分布图。实际的碳纤维复合加强芯线缆10中通常含有几百到几千个碳纤维细丝线(直径在5-30μm之间)，其均匀分布于环氧树脂中，其分布的图案可以在加工制造时进行调节，并不限于某一个具体的图案。或者，也可以使用几个到几十个碳纤维束(直径在数十微米到一毫米之间)，使其均匀分布于固化环氧树脂中。这同样适用于玻璃纤维13在环氧树脂17之中的分布。

另外，这里内层12和外层14的区分是为了描述的方便，是从两层材料组成的不同来区分的。实际产品中可能有这样明显不同的两层，也可能在外观上两层并无明显区别，而是看起来是一个均匀、单一的实心体。

碳纤维复合加强芯线缆10的横截面为圆形，其总直径一般在2-25mm之间，优选在5-15mm之间，更优选在6-10mm之间。内层12的直径与外层14的宽度(即总直径减去内层12的直径)之比一般在1∶5-5∶1之间，例如根据应用场合的不同在1∶3-3∶1之间，或1∶2-2∶1之间，或者是大约1∶1。

表示碳纤维、玻璃纤维与环氧树脂相对量之比的一个重要参数是纤维体积率，即纤维所占的体积与纤维与环氧树脂体积和之比。根据本发明的碳纤维复合加强芯线缆的纤维体积率在40-70％之间，优选50-60％之间。

根据应用场合不同，碳纤维复合加强芯线缆10的总长度可以在几十米到几十千米的范围，例如10米-10000米，例如100米-5000米。

这样的碳纤维复合加强芯线缆10的制造工艺将在下文详述。

影响碳纤维复合加强芯线缆10的性能的主要因素是各层材料的选择。碳纤维是一种公知的高强度纤维。商业上获得的碳纤维拉伸强度可达5000MPa左右，弹性模量约200GPa左右。商业上获得的玻璃纤维的拉伸强度通常为1000Mpa左右，弹性模量约为几十GPa。因此这种高强度碳纤维与低模量玻璃纤维的组合可以充分利用两者各自的优点，得到兼有高强度和较好的柔性的复合芯，这样既适用于高应力的应用场合，又便于卷曲盘绕，从而可以方便地储存和运输。

用于本发明的碳纤维可以直接从商业途径获得。例如日本东丽株式会社、日本GRAFIL公司、美国杜邦公司、美国Hexcel公司的碳纤维产品。这些商用碳纤维的拉伸强度通常在2000-6000MPa，优选选用拉伸强度高的产品，例如拉伸强度在5000MPa左右或更高的产品。

用于本发明的玻璃纤维可以直接从商业途径获得。例如美国PPG公司、中国玻纤股份有限公司等的产品。适用于本发明的玻璃纤维拉伸强度通常在大约1000-2000MPa之间。

显然，本领域技术人员可以根据实践要求和简单实验来从各种商用产品中筛选出适合本发明的碳纤维和玻璃纤维。另外，为了获得更优异的组合性能，本发明不排除在除了碳纤维碳纤维和玻璃纤维之外，复合加强芯线缆中还存在其它纤维，例如Kevlar纤维、玄武岩纤维、芳族聚酰胺、液晶纤维、高性能聚乙烯纤维等等。这些纤维也都可通过商业途径获得。

适用本发明的环氧树脂基体材料由环氧树脂低聚物或聚合物与适当的固化剂经固化反应而得到。

作为原料的环氧树脂低聚物或聚合物来源广泛，是常见的化工原料。可以选用脂环族环氧树脂、双酚A环氧树脂、氢化双酚A环氧树脂、双酚F环氧树脂、缩水甘油胺-醚型环氧树脂、双酚A酚醛型环氧树脂等等。可以从Dow化学公司、Ciba公司、Shell公司等获得各种型号和牌号的环氧树脂。作为环氧树脂固化剂，可以选择各种常见的环氧树脂固化剂，例如酸酐型固化剂、胺型固化剂，具体的例子如乙二胺、己二胺、二乙烯三胺、三乙胺、三乙醇胺、六次甲基四胺、顺丁烯二酸酐、邻苯二甲酸酐等等。具体的环氧树脂低聚物或聚合物、固化剂的选择依赖于应用环境的要求和碳纤维、玻璃纤维的选择。

值得注意的是，环氧树脂固化物15和17的组成可以相同，也可以不同。考虑到制造工艺简化的要求，优选的是环氧树脂固化物15和17具有相同的组成。

本领域技术人员明白，环氧树脂固化物15、17除了基本的环氧树脂低聚物或聚合物和固化剂之外，还可以含有各种添加剂以便改善最终产品的性能，例如增韧剂、增塑剂、表面活性剂、粘度调节剂、稀释剂、填料、偶联剂、溶剂等等。

下面具体描述本发明的碳纤维复合加强芯线缆10的制造工艺。

图3是发明的碳纤维复合加强芯线缆10的制造工艺流程示意图。

首先提供预定数量的碳纤维11和玻璃纤维13(步骤30)。然后，在步骤31对碳纤维11和玻璃纤维13进行预处理，例如通过预热去除水汽。然后在步骤32通过涂布或浸渍，将环氧树脂组合物均匀分布于纤维表面和纤维之间。接下来在步骤33进行预成型，即树脂的预固化。然后在步骤34进行树脂的固化成型，得到线缆粗产品；再可选地利用热处理等后续处理消除产品应力(步骤35)，最后进行产品收卷(步骤36)得到可储存运输的线缆盘。

碳纤维束和玻璃纤维束通常是在线轴上，在工艺开始时通过一个牵引装置拉动各线轴上的多个纤维束，穿过一个有预定图案的引导件(引导件的图案决定了各纤维束在最终产品中的分布图案)依次进行各个工艺步骤。首先是通过一个预热炉进行预热，以便烘干去除水汽。预热温度可以为50-150℃。然后预热的纤维束被牵引通过一个浸渍槽。取决于环氧树脂固化物15、17的组成是否相同，可以使用一个或两个浸渍槽。浸渍槽内装有由环氧树脂低聚物或聚合物以及固化剂、增韧剂等组成的树脂组合物。本领域技术人员明白，除了浸渍之外，还可以采用喷涂等手段将树脂组合物施加到纤维束之上。接下来进行树脂组合物的快速预固化，这可以通过热固化或辐射固化进行。例如，热固化可以通过90-150℃的高温进行，辐射固化可以通过紫外光辐照进行。接下来是产品的固化，这可通过例如150-250℃的高温加热来进行。如果需要，还可以在制造工艺中引入后固化工艺。之后，将固化后的产品牵引收卷即可完成碳纤维复合加强芯线缆的制造。如果需要，还可以在收卷之前进行冷却或消除产品应力等操作。

根据本发明的碳纤维复合芯的拉伸强度在大约1000-3000MPa之间，优选大约1500-2500MPa之间，弹性模量在大约50-200GPa之间，工作温度在大约-40-250℃之间，且热膨胀系数在大约0-5×10^-6m/m/℃之间。

这种高的拉伸强度使其适合作为桥梁复合拉索、缆车空中线索、远洋捕鱼线缆等承力绳索。另外，它的工作温度范围光、热膨胀系数较低，适合作为电力线缆、通讯线缆等，尤其是适合远程大功率输电。

下面结合具体实施例对本发明进行更详细的描述。这里的实施例仅是作为解释说明只用，而并非用于限定本发明的保护范围。

实施例一

碳纤维是购自日本东丽公司的T700碳纤维，玻璃纤维为中国玻纤提供的连续玻璃纤维纱。树脂组合物包含70％DOW化学公司的331J双酚A环氧树脂和30％的Ciba公司的Araldite 720，固化剂采用二乙胺基丙烷(相对于树脂组合物总量约6％)。

利用上述原料采用前文所述工艺来制造碳纤维复合加强芯线缆。工艺中，预热温度为80℃，预固化温度为120℃，固化温度为180℃。所得复合加强芯线缆的纤维体积率为50％，碳纤维内层直径4mm，总直径为8mm，拉伸强度为1540MPa，弹性模量165GPa，线膨胀系数为1.9×10^-6m/m/℃。

上述碳纤维复合加强芯线缆可以进一步编织处理，用于船舶缆绳、桥梁拉索等。

实施例二

碳纤维是购自日本东丽公司的T700碳纤维，玻璃纤维为中国玻纤提供的连续玻璃纤维纱。采用Ciba公司的Araldite 720作为环氧树脂低聚物，固化剂采用邻苯二甲酸酐(相对于树脂组合物总量约15％)。

利用上述原料采用前文所述工艺来制造碳纤维复合加强芯线缆。工艺中，预热温度为80℃，预固化温度为100℃，固化温度为150℃。所得复合加强芯线缆的纤维体积率为60％，碳纤维内层直径5mm，外层直径为7.75mm，拉伸强度为2120MPa，弹性模量115GPa，线膨胀系数为1.6×10^-6m/m/℃。

实施例三

采用实施例二制备的碳纤维复合加强芯线缆来替换传统铝导体钢增强电缆的钢芯，即在实施例二制备的加强芯线缆上缠绕双层梯形铝绞线。该线缆经3公里实验线路检验，证实可以在230kV下稳定传输1000A电流，而没有明显的由于热效应而导致的线缆下垂现象。与传输同样电流的铝导体钢增强电缆相比，其重量大约减少了30％。另外，实施例三的电缆还可以稳定传输更大的电流，可以达到1200A。而传统的铝导体钢增强电缆在这样大的电流下，其下垂程度已超过安全标准。

上述实施例证明了本发明的碳纤维复合增强芯具有拉伸强度高、制造工艺简单、应用范围广等优点。但是本发明并不局限与此，本领域技术人员在本说明书的教导下，显然可以调整产品配方和工艺参数，从而制造出适合其它领域应用的线缆产品。这些都在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种碳纤维复合加强芯线缆，包括：

其中碳纤维与玻璃纤维的纤维体积率为40-70％，所述碳纤维复合加强芯的拉伸强度为1000-3000MPa之间。

2.如权利要求1所述的碳纤维复合加强芯线缆，其中第一环氧树脂固化物与第二环氧树脂固化物组成相同。

3.如权利要求1所述的碳纤维复合加强芯线缆，其还包括选自Kevlar纤维、玄武岩纤维、芳族聚酰胺、液晶纤维、高性能聚乙烯纤维的其它纤维。

4.如权利要求1所述的碳纤维复合加强芯线缆，其纤维体积率为50-60％。

5.如权利要求1所述的碳纤维复合加强芯线缆，其拉伸强度为1500-2500MPa之间。

6.如权利要求1所述的碳纤维复合加强芯线缆，其中所述第一、第二环氧树脂固化物由包括环氧树脂低聚物或聚合物和固化剂的树脂组合物固化而得到。

7.如权利要求1所述的碳纤维复合加强芯线缆，其直径为2-25mm之间。

8.如权利要求1所述的碳纤维复合加强芯线缆，其内层直径与外层宽度之比一般在1∶5-5∶1之间。

9.制造如权利要求1所述的碳纤维复合加强芯线缆的方法，包括：

提供碳纤维和玻璃纤维；

引导碳纤维和玻璃纤维通过装有预定组成的环氧树脂组合物的浸渍槽；经预固化和固化两段操作使所述树脂组合物固化。

10.如权利要求9所述方法，还包括在固化之后进行的后固化工艺。