CN101533682B - 非金属复合材料芯线及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非金属复合材料芯线及其制造方法，具体地说是一种输配电线路架空导线用非金属复合材料芯线及制造技术。按照本发明提供的技术方案，所述非金属复合材料芯线包括内部芯件、中间涂层构件及外部涂层构件；其特征是：内部芯件包含若干玻璃纤维束；中间涂层构件包含若干碳纤维束，所述中间涂层构件包覆在所述内部芯件外；外部涂层构件包含若干无硼E级玻璃纤维束，所述外部涂层构件包覆在所述中间涂层构件外；在外部涂层构件的外面有保护层。利用这种方法可以生产出具有线膨胀系数小、重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀、韧性较好等特点的非金属复合材料芯线。

Description

非金属复合材料芯线及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种非金属复合材料芯线及其制造方法，具体地说是一种输配电线路架空导线用非金属复合材料芯线及制造技术。

背景技术

随着国民经济的高速发展，对电力的需求量与日俱增，对输变电导线的性能要求也随之提高，新型电力传输导线陆续地得到了安装。此外，为了增加载流量，也开始对部分电力线路进行线路替换-更换成载流量更高的传输导线。常用的输送导线是普通的钢芯铝绞线，铝线起导电作用，而钢芯起承载负荷作用，导线的性能受其构成材料性能的影响，限制导线载流能力的提升。尽管载流量可通过增加钢芯周围所缠绕的铝线面积来提高，但铝面积的增加会导致导线重量的增加，就需要加固或更换现有的支撑杆塔。除此之外，钢芯在一定的气候及运行条件下容易出现较大的弧垂，在污染潮湿环境中易出现腐蚀。

为了解决这些难题，需设计一种具有高载流、高强度、低线损、重量轻、线膨胀系数小、表面光滑、风阻系数小、耐腐蚀的架空导线，已有了也有一些解决方案。例如中国专利申请：200710110870.4；02135239.9中都有相应的描述。前述各解决方案的详细情况在此作为一整体，以供参考。在这些解决方案中，也可适用于替换钢芯加强件的复合材料芯棒，该芯棒的内层是由一种碳纤维和固化环氧树脂制成，外层是由一种玻璃纤维和固化环氧树脂制成。这些纤维也有许多不足之处。尽管该复合材料可防腐蚀，并可减小弧垂，但该纤维结构及其制造方法会导致芯线不均衡，韧性差，因而在特殊应用中会出现强度不够。

发明内容

本发明的目的在于开发一种非金属复合材料芯线及其制造方法，利用这种方法可以生产出具有线膨胀系数小、重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀、韧性较好等特点的非金属复合材料芯线。

按照本发明提供的技术方案，所述非金属复合材料芯线包括内部芯件、中间涂层构件及外部涂层构件；其特征是：内部芯件包含若干玻璃纤维束；中间涂层构件包含若干碳纤维束，所述中间涂层构件包覆在所述内部芯件外；外部涂层构件包含若干无硼E级玻璃纤维束，所述外部涂层构件包覆在所述中间涂层构件外；在外部涂层构件的外面有保护层。

内部芯件由连续的玻璃纤维束与内部基体材料拉拔成圆形结构；连续的玻璃纤维束沿轴向圆周平行排列、均匀分布。中间涂层构件由连续的碳纤维束与中间基体材料拉拔成型；中间涂层构件为中空的圆形结构，碳纤维束沿轴向平行排列，均匀分布。外部涂层构件由无硼E级玻璃纤维束与外部基体材料拉拔成型；外部涂层构件为中空的圆形结构。所述纤维束与基体材料的体积比为78∶19～25。

保护层能够抗紫外线，保护层利用喷射式、拉拔式、沉积式或涂抹式覆盖在外部涂层构件的外面。所述非金属复合材料芯线的抗拉强度在2000～3500MPa。在保护层的外面缠绕导电材料形成传输导线。

制造非金属复合材料芯线的方法，其特征是：先利用连续的玻璃纤维束与内部基体材料在拉拔机上拉拔成圆形结构的内部芯件；再预热内部芯件至半固化状态，预热温度100～125℃，如果采用连续生产方式，内部芯件也可不预热，靠拉拔的温度和内部芯件与中间涂层构件间的距离来实现；再利用连续的碳纤维束与中间基体材料拉拔形成中间涂层构件；在中间涂层构件处于半固化状态时包覆外部涂层构件，所述外部涂层构件由无硼E级玻璃纤维束与外部基体材料在拉拔机上拉拔成型；中间涂层构件与外部涂层构件的尺寸与最终芯线一致时再在外部涂层构件上涂抹保护层。所述半固化状态是指中间涂层构件(或内部芯件)在拉拔过程中处于半固化状态，不需要另外加热，这种半固化状态是靠拉拔中间涂层构件(或内部芯件)的温度和中间涂层构件(或内部芯件)与外部涂层构件(或中间涂层构件)的距离来保证的；所谓中间涂层构件(或内部芯件)与外部涂层构件(或中间涂层构件)的距离是指在连续生产时，形成中间涂层构件(或内部芯件)2～3米的长度后，再包覆外部涂层构件(或中间涂层构件)，如果这个长度太长，会使中间涂层构件(或内部芯件)因移动的距离过长而冷却固化，这时就需要重新预热。

本发明的具体工艺过程如下：

a、准备所需的碳纤维、玻璃纤维、浸泡纤维用的树脂和保护层材料；

b、浸泡树脂的玻璃纤维沿轴向圆周平行排列、均匀分布形成圆形内部芯件；

c、预热内部芯件；

d、在内部芯件四周均匀分布平行排列浸渍树脂的碳纤维形成圆形中间涂层构件；

e、中间涂层构件通过一个固化装置，使中间涂层构件达到半固化状态；

f、在半固化状态的中间涂层构件四周均匀分布排列无硼E级纤维形成圆形外部涂层构件；

g、对中间涂层构件及外部涂层构件进行加热固化；

h、在外部涂层构件上涂抹一层保护层。

本发明的优点是：可以生产出具有线膨胀系数小、重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀、韧性较好等特点的非金属复合材料芯线。

附图说明

图1是本发明的非金属复合材料芯线实施例1的整体结构示意图。

图2是图1横截面图。

图3是本发明的非金属复合材料芯线实施例2的整体结构示意图。

图4是图3的横截面图。

图5是玻璃纤维束的结构放大图。

图6是碳纤维束的结构放大图。

图7是无硼E级玻璃纤维束的结构放大图。

图8是本发明的非金属复合材料芯线内部芯件制造工艺流程图。

图9是本发明的非金属复合材料芯线制造工艺流程图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的非金属复合材料芯线使用弹性模量较高的碳纤维和玻璃纤维与热固性环氧树脂基体材料拉拔成型。

非金属复合材料芯线包括：内部芯件1，中间涂层构件2，外部涂层构件3和保护层4。分层结构的芯线可提高芯线各层纤维均衡性和韧性。

内部芯件1是由许多玻璃纤维束11(构件11外面浸渍一层树脂12)构成。内部芯件1为圆形结构，直径的大小根据所设计的复合材料芯线的强度等级和直径来确定。该玻璃纤维束11的长度沿轴向圆周性平行排列、均匀分布。玻璃纤维束11是一种连续的玻璃纤维束，所述玻璃纤维束的纤维的直径在8～50μm。其特点是玻璃纤维束在有水放电承受拉力的情况下可防裂、防腐；该玻璃纤维束11与内部基体材料12的体积比例为：78∶19～25。内部基体材料12可含有热塑性塑料、环氧树脂、高温环氧酸酐、环氧/丙烯酸酯、聚酯、乙烯基酯、聚氨酯及其它添加剂(所述添加剂包括常用的固化剂、填充剂、增强剂等)。

中间涂层构件2是由许多碳纤维束21(碳纤维束21外面浸渍一层中间基体材料22)构成。中间涂层构件2为圆形结构，包覆在内部芯件1上，直径的大小根据所设计的复合材料芯线的强度等级和直径来确定。该碳纤维束21的长度沿内部芯件1的四周均匀分布，沿轴向平行排列。碳纤维束21是一种连续的碳纤维束，碳纤维束的纤维的直径在6.5～7.5μm。该碳纤维束与中间基体材料22的体积比例为：78∶19～25。

外部涂层构件3是由许多无硼E级玻璃纤维束31(无硼E级玻璃纤维构件31外面浸渍一层外部基体材料32)构成。外部涂层构件3为圆形结构包覆在中间涂层构件2上。无硼E级玻璃纤维束31是一种连续的无硼E级玻璃纤维束，该无硼E级玻璃纤维束31的纤维的直径在10～15μm。无硼E级玻璃纤维除上述玻璃纤维的优点之外，还能防止芯线外表面缠绕的导电层材料和碳纤维之间形成放电腐蚀。无硼E级玻璃纤维束31与外部基体材料32的体积比例为：78∶19～25。外部基体材料32与中间基体材料22及内部基体材料12相同或相似。

保护层4是在外部涂层构件3上涂抹的一层保护材料41，保护层4可抗紫外线，排除表层树脂腐蚀及表面放电现象。保护材料41含有聚酯纤维、聚乙烯对苯二酸盐、聚合体等材料涂层。

依据本发明所设计的非金属复合材料芯线是由不同的纤维和基体材料复合而成，因此具有某些相似的性能。本发明所设计的非金属复合材料芯线具有线膨胀系数小、重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀、韧性好等特点。即可在高温环境下和运行，也可在低温环境下运行；同时可在各种污染的环境下运行；易于成圈缠绕收线和成盘成捆运输。

下面叙述非金属复合材料芯线的制造方法。

非金属复合材料芯线的制造方法有多种。分段制造法是将内部芯件1单独成型，再将其预热作为中心构件进行生产。也可采用多种方法(包括该制造法)来生产具有不同规格的非金属复合材料芯线。在此对分段制造法进行描述。图5是本发明的非金属复合材料芯线内部芯件1制造工艺流程图。图6是本发明的非金属复合材料芯线制造工艺流程图。

内部芯件1制造：

准备生产时，开启拉拔设备。将初始玻璃纤维束盘51放置到放线架50上，放线架50上设有张力调节装置，可调节每个玻璃纤维束盘51的放线张力。将玻璃纤维束11从玻璃纤维束盘51引出，穿过树脂浸渍槽52上方的导管、固化炉53的拉拔模具、冷却装置54、过牵引55，再引至收线装置56，完成引线动作。将玻璃纤维束11通过排线导杆分层植入树脂浸渍槽52中，再将内部基体材料12注入树脂浸渍槽52中，确保内部基体材料12能充分浸渍玻璃纤维束11。启动牵引，慢慢将浸渍了内部基体材料12的玻璃纤维束11引入固化炉53固化成型，再进入冷却装置54冷却。冷却之后，再通过牵引55，缠绕到收线装置56的盘具上。

为了确保所制成的内部芯件1中纤维与树脂间的配比达到预定值，内部基体材料12在20℃时的粘度应在200mpa.s～3500mpa.s之间，所述内部基体材料12为树脂，树脂的粘度越低，玻璃纤维束11的浸泡效果越好，每束玻璃纤维束11上吸附的树脂最好为最终树脂2.5倍。树脂浸渍槽52上方的导管可以有效去除玻璃纤维束11上多余的树脂。固化炉53的拉拔模具长度不能过短，应确保内部芯件1在模具内能固化成型，拉拔模具长度应控制在内部芯件1直径的65～85倍，固化的温度应控制在160～180℃。冷却装置54是一个封闭式空气循环冷却系统，采用一冷却装置和风机，风机从逆流方向连续吹动冷却室的空气，冷却室的温度控制在-10～20℃。冷却装置54到牵引55之间应有3m～6m的距离，以使内部芯件1冷却后可直接缠绕到收线装置56的盘具上。

非金属复合材料芯线的制造：

准备生产时，开启拉拔设备。将内部芯件1放置到放线架60上，初始碳纤维束盘71放置到放线架70上，初始无硼E级玻璃纤维束盘73放置到放线架72上，放线架70及放线架72上均设置有张力调节装置，可调节初始碳纤维束盘71与初始无硼E级玻璃纤维束盘73的放线张力。将内部芯件1从放线架60上引出，通过芯件预热装置61，再引到固化炉63的拉拔模具口；将碳纤维束21从初始碳纤维束盘71引出，通过树脂浸渍槽62上方的导管后绑扎在内部芯件1上、将绑扎好碳纤维束21的芯件1穿过固化炉63的拉拔模具引到固化炉65的拉拔模具口；将无硼E级玻璃纤维束31从初始无硼E级玻璃纤维束盘73引出，通过树脂浸渍槽64上方导管后绑扎在内部芯件1上、将绑扎好碳纤维束21和无硼E级玻璃纤维束31的内部芯件1穿过固化炉65的拉拔模具、通过保护层涂覆装置66和冷却装置67、再经牵引68引到收线装置69，完成引线动作。将碳纤维束21通过树脂浸渍槽上的排线导杆分层植入树脂浸渍槽62中，再将中间基体材料22注入树脂浸渍槽62中；同样无硼E级玻璃纤维束31通过树脂浸渍槽上的排线导杆分层植入树脂浸渍槽64中，再将外部基体材料32注入树脂浸渍槽64中；确保中间基体材料22及外部基体材料32的液面高度，能充分浸渍碳纤维束21和无硼E级玻璃纤维束31。启动牵引，慢慢将浸渍中间基体材料22的碳纤维束21及浸渍外部基体材料32的无硼E级玻璃纤维束31引入固化炉，固化形成中间涂层构件2和外部涂层构件3。当加热固化后，中间涂层构件2和外部涂层构件3的尺寸与最终芯线一致时，应开启保护层涂覆装置66在外部涂层构件3上涂抹保护材料41，形成保护层4。当形成保护层4的芯线到达收线装置69时，应更换线盘，进行芯线成品收线。

为了使内部芯件1与中间涂层构件2紧密接合，应对内部芯件1进行预热(如果采用连续生产方式，内部芯件1也可不预热，靠拉拔的温度和内部芯件1与中间涂层构件2间的距离来实现)；预热的温度控制在100～120℃。确保中间涂层构件2的碳纤维束21与中间基体材料22间的配比以及外部涂层构件3的无硼E级玻璃纤维束31与外部基体材料32间的配比达到预定值；所述中间基体材料22和外部基体材料32均为树脂，所述树脂在20℃时的粘度应在200mpa.s～3500mpa.s之间，所述树脂的粘度越低，纤维浸泡效果越好，碳纤维束21及无硼E级玻璃纤维束31上吸附的树脂最好为最终树脂的2.5倍。树脂浸渍槽62及64上方的导管可以有效去除碳纤维束21及无硼E级玻璃纤维束31上多余的树脂。固化炉63的拉拔模具长度应控制在中间涂层构件2直径的30～50倍，固化温度应控制在120～160℃，确保中间涂层构件2在到达固化炉65时处于半固化状态；固化炉65的拉拔模具长度应控制在外部涂层构件3直径的60～65倍，模具前半段的温度应控制在120～160℃，后半段的温度应控制在160～210℃。保护材料41可采用喷射式、拉拔式、沉积式和涂抹式。冷却装置67与冷却装置54相似采用空气冷却，冷却室的温度控制在-10～20℃。冷却装置67到牵引68之间应有6m～10m的距离，以确保芯线充分冷却可直接缠绕到收线装置69的盘具上。

根据本发明的非金属复合材料芯线的拉伸强度在2000～3500MPa；弹性模量在48000～280000MPa；工作温度在-45～230℃；线膨胀系数在-0.5～8×10^-6m/℃；最小弯曲半径可达到50倍芯线直径；生产长度可以在几十米到几十千米。

这种高强度的非金属复合材料芯线主要用于输配电线路架空导线的承力构件，同时也适合于各种承力缆绳的制作，如桥梁的斜拉缆绳等。

实施例一：

内部芯件1采用S级玻璃纤维，中间涂层构件2采用24K碳纤维，外部涂层构件3采用无硼E级玻璃纤维；内部基体材料12、中间基体材料22、外部基体材料32相同：均包含65％AG-80环氧树脂和20％E-54环氧树脂、0.8％ XB3022促进剂、14.2％ HY918固化剂；保护层4包含45％AG-80环氧树脂、28％ CHDM、15％ HY918、1％ DY070、5％的碳酸钙晶须、6％的纳米SiO₂。

利用以上材料采用前文所述工艺制造图1所示非金属复合材料芯线。工艺中，内部芯件1的拔拉模具长度200mm，固化温度180℃，纤维与树脂的体积比78∶22，芯件直径2.5mm；内部芯件1的预热温度120℃，中间涂层构件2的拔拉模具长度350mm，固化温度150℃，纤维与树脂的体积比78∶22，中间涂层构件直径7.5mm；外部涂层构件3的拔拉模具长度610mm，固化温度前半段模具的温度控制在150℃，后半段模具的温度应控制在180℃，纤维与树脂的体积比78∶22，外部涂层构件3直径9.00mm；保护层4厚度0.25mm。芯线总直径9.50mm，抗拉强度2558MPa，弹性模量在215000MPa，线膨胀系数在1.6×10^-6m/m/℃，最小弯曲半径475mm。

实施例二：

内部芯件1采用S级玻璃纤维，中间涂层构件2采用24K碳纤维，外部涂层构件3采用无硼E级玻璃纤维；内部基体材料12、中间基体材料22、外部基体材料32相同：均包含65％AG-80环氧树脂和20％E-54环氧树脂、0.8％ XB3022促进剂、14.2％ HY918固化剂；保护层4包含45％AG-80环氧树脂、28％ CHDM、15％ HY918、1％ DY070、5％的碳酸钙晶须、6％的纳米SiO₂。

利用以上材料采用前文所述工艺制造图3所示非金属复合材料芯线。工艺中，内部芯件1的拔拉模具长度180mm，固化温度180℃，纤维与树脂的体积比78∶22，芯件直径2.0mm；芯线生产时采用4根内部芯件1，一根位于中心，其余3根芯件轴向均匀分布，4根内部芯件1同时预热，预热温度120℃；中间涂层构件2的拔拉模具长度350mm，固化温度150℃，纤维与树脂的体积比78∶22，中间涂层构件直径8.00mm；外部涂层构件3的拔拉模具长度610mm，固化时模具前半段的温度控制在150℃，后半段的温度应控制在180℃，纤维与树脂的体积比78∶22，涂层构件3直径为9.00mm；保护层4厚度0.25mm。芯线总直径9.50mm，抗拉强度2480MPa，弹性模量在210000MPa，线膨胀系数在1.8×10^-6m/m/℃，最小弯曲半径456mm。

上述仅是对本发明的简述及展示。该发明并不局限于此，除非所附的要求有所界定，本领域技术人员在本说明书的指导下，显然可以调整产品配方和工艺参数，从而制出适合其它领域用的芯线产品，这些都在本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种非金属复合材料芯线，包括内部芯件(1)、中间涂层构件(2)及外部涂层构件(3)；其特征是：内部芯件(1)包含若干玻璃纤维束(11)；中间涂层构件(2)包含若干碳纤维束(21)，所述中间涂层构件(2)包覆在所述内部芯件(1)外；外部涂层构件(3)包含若干无硼E级玻璃纤维束(31)，所述外部涂层构件(3)包覆在所述中间涂层构件(2)外；在外部涂层构件(3)的外面有保护层(4)；

内部芯件(1)由连续的玻璃纤维束(11)与内部基体材料(12)拉拔成圆形结构；连续的玻璃纤维束(11)沿轴向圆周平行排列、均匀分布；

中间涂层构件(2)由连续的碳纤维束(21)与中间基体材料(22)拉拔成型；中间涂层构件(2)为中空的圆形结构，碳纤维束(21)沿轴向平行排列，均匀分布；

外部涂层构件(3)由无硼E级玻璃纤维束(31)与外部基体材料(32)拉拔成型；外部涂层构件(3)为中空的圆形结构。

2.根据权利要求1所述的非金属复合材料芯线，其特征是：所述纤维束与基体材料的体积比为78∶19～25。

3.根据权利要求1所述的非金属复合材料芯线，其特征是：保护层(4)能够抗紫外线，保护层(4)利用喷射式、拉拔式、沉积式或涂抹式覆盖在外部涂层构件(3)的外面。

4.根据权利要求1所述的非金属复合材料芯线，其特征是：所述非金属复合材料芯线的抗拉强度在2000～3500MPa。

5.根据权利要求1所述的非金属复合材料芯线，其特征是：在保护层(4)的外面缠绕导电材料，形成传输导线。

6.制造权利要求1所述的非金属复合材料芯线的方法，其特征是：先利用连续的玻璃纤维束(11)与内部基体材料(12)在拉拔机上拉拔成圆形结构的内部芯件(1)；再预热内部芯件(1)，预热温度100～125℃；再利用连续的碳纤维束(21)与中间基体材料(22)拉拔形成中间涂层构件(2)；在中间涂层构件(2)处于半固化状态时包覆外部涂层构件(3)，所述外部涂层构件(3)由无硼E级玻璃纤维束(31)与外部基体材料(32)在拉拔机上拉拔成型；中间涂层构件(2)与外部涂层构件(3)的尺寸与最终芯线一致时再在外部涂层构件(3)上涂抹保护层(4)。

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