CN101607444B - 拉缠同步且一次固化成型的复合芯制造方法及生产机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拉缠同步且一次固化成型的复合芯制造方法及生产机组，其中生产机组包括有纱架(1)、分纱板(2)、可升降树脂槽(3)、缠绕机(4)、预成型器(5)、模具(6)、定位架(7)、后处理烘箱(8)、树脂反应行为检测仪(9)、长度计量仪(10)组成。本发明和传统制造装置及二次成型方法比较，更先进、更科学、更经济，用本发明生产的复合芯安全性更高，运行成本更低。

Description

拉缠同步且一次固化成型的复合芯制造方法及生产机组

技术领域

本发明涉及一种用于制造碳纤维复合材料电缆芯(以下简称“复合芯”)的生产方法及其设备。

背景技术

目前，我国电力输配电专用电缆线还是常规钢芯铝绞线，其缺点是重量比较大、使用温度比较低、易锈蚀及易与铝导线或其他部件产生电解反应、也容易形成弧垂。由于复合芯的强度足够高，不再需要铝承担受力作用，导电的铝就可以采用退火状态的软铝，其导电率可超过63％IACS。采用复合芯制造的电力输配电缆，其铝导线截面积比钢芯铝绞线多29％，载流量是常规钢芯铝绞线两倍，较高的运行效率有助于降低运行成本；复合芯制造的电力输配电缆，可在180℃高温下有效运行，而常规钢芯铝绞线的使用温度为100℃；复合芯制造的电力输配电缆，耐环境恶化性能好，不生锈，不腐蚀，不与铝导线或其它部件产生电解反应，可以循环利用；在自然温度条件下，复合芯不发生形变，实际上消除了弧垂。用复合芯代替钢芯制造电力输配电专用电缆线，具有众多的优点，是今后高压电力输配电缆制造发展的趋势，受到国家电网的高度重视。预期每年将有10万吨复合芯的需求，可以推测将有几千套碳纤维复合芯生产机组的市场需求，具有明显的市场前景。

碳纤维复合芯是由碳纤维和玻璃纤维共同作为增强材料，以热固性合成树脂作为基体，通过树脂浸渍、模具加热、机械牵引等过程制造而成。在复合芯内部，碳纤维单独形成复合芯内芯，玻璃纤维单独形成复合芯的外层，并均匀包覆着碳纤维内芯，在制造上要求内芯和外层保持同心；另外，复合芯的产品连续长度最高要求达到7500米，在制造上要求装置长时期保持稳定的运行状态。

目前制造碳纤维复合芯的一般方式是，采用传统的树脂浸渍方式，以及传统的液压或履带拉挤设备；浸渍树脂的碳纤维首先进入第一个模具成型，然后在浸渍树脂的玻璃纤维裹覆下进入第二个模具，二次成型。用这种装置生产碳纤维复合芯，具有诸多弊端如：

1、碳纤维内芯经过第一个模具固化成型后，其表面已经不具有强烈的化学活性，在第二道模具内，主要是玻璃纤维包覆层固化。玻璃纤维包覆层和碳纤维内芯之间不再是化学键联结，而只能是紧密的物理吸附。由此，在玻璃纤维包覆层和碳纤维内芯之间产生了界面。在弯曲、扭转、压缩等应力作用下，特别是在自然条件下常年经受低温~高温的轮回，会造成界面的老化和破坏，阻断应力传递，承载能力下降。一旦界面发生老化和破坏，将会产生连锁反应，这种连锁反应有可能在极短时间内完成。

2、采用传统二次成型方法制造的复合芯，其纤维的方向都是0度，在径向上没有任何约束条件。因此，在复合芯受到弯曲、扭转、压缩等应力作用下，极易爆裂。

3、传统的生产机组，其树脂槽的容积是固定的，既大又深，而且树脂槽部分和整个装置焊死。其缺陷是树脂槽容积过大，加入的树脂量超过单位时间消耗量的几十倍，产生大量的陈旧性胶液，会影响体系运行的稳定性。其次，在纤维浸渍运行中，无法将陈旧性胶液移出树脂槽，只能在运行终止后，拆卸树脂槽进行清洗。

4、采用2个独立的模具，进行二次成型，在运行前安置模具时要确保两个不同直径的模具孔保持同心，需要加工专门的工装，也增加了不确定因素。

5、传统复合芯生产机组，没有措施确保纤维自模具进口经模具出口到夹持处，是处在水平线和中心线上，进而在复合芯内芯和包覆层的同心度上有不确定因素。

6、传统复合芯生产机组，适合于低速运行的树脂品种，每分钟不大于400毫米，而高速运行的树脂品种，运行速度可以达到1000毫米，甚至更快。

7、复合材料拉挤成型的本质，是有效地控制树脂化学反应的行为。由于大部分从业人员的专业局限性，在传统生产机组上，根本不予考虑，完全是凭经验、凭感觉，给机组长期稳定运行造成不确定的因素。

发明内容

本发明的目的则是针对上述传统生产机组的不足，提供一种拉挤缠绕同步进行且一次固化成型的复合芯制造方法及生产机组，该生产机组的运行始终在可控的条件进行，且生产效率更高，使用该机组制造的复合芯，性能可靠，运行成本更合理。

本发明采用的技术方案如下：

一种拉缠同步且一次固化成型的复合芯制造方法，其特征是：将浸渍树脂后的碳纤维束用纱线沿碳纤维束的径向缠绕，再将浸渍树脂后的玻璃纤维包覆在碳纤维束的外围，然后将它们一同进入成型模具一次固化成型。

所述固化成型后的复合芯再经过后加热处理。

本发明设备采用的术方案如下：

一种拉缠同步且一次固化成型的复合芯生产机组，包括有纱架、集纱板、树脂槽和成型模具，它们顺序排列组成生产线，碳纤维和玻璃纤维经过集纱板后进入树脂槽，再从成型模具中穿过后连到牵引设备中被牵引卷绕，其特征是生产线中的树脂槽与成型模具之间设有缠绕机和预成型器，碳纤维在入进成预成型器之前先用缠绕机在其外围缠上纱线。

所述的缠绕机包括有安装在支架上的转盘，转盘由电机带动，转盘中心设有通孔，碳纤维从该通孔中穿过，在转盘上还安装有两个纱锭，纱锭上的纱线缠绕在碳纤维的外侧壁上。

所述的恒温水浴树脂槽为可上下升降式的，其特点是能够在线运行中更换容有新鲜胶液的树脂槽，以彻底清除陈旧性胶液。

所述预成型器为圆片状，其圆心处为孔径大于碳纤维束直径的通过孔，其圆周方向上均匀分布有用于玻璃纤维定位的半圆形凹槽。

所述成型模具与后部的牵引设备之间设有定位架，定位架由上下调节横杆和其两端的支撑架组成，上下调节横杆上设有横向卡槽，横向卡槽内装有两个卡块，两个卡块上均设有安装滚轮的竖向定位柱和将卡块固定在横向卡槽内的固定旋钮。

所述经定位架与生产线后部的牵引设备之间还设有后处理烘箱。

本发明的有益效果有：

1、与二次成型不同，本发明既能够运行反应速度比较慢的环氧树脂体系，还可以运行反应速度更快的乙烯基酯树脂体系，使得复合芯的生产效率成数倍的提高；

2、与二次成型不同，本发明只使用一台成型模具进行生产，省去了工装和运行前的两台成型模具之间的精确定位，减少了运行的不确定因素；

3、采用反应速度更快的乙烯基酯树脂体系制造复合芯，极大地提高了生产效率，降低了生产运行成本，也降低了该行业复合芯生产机组的总投入量，对从业个体和整个行业都产生积极的影响。

4、复合芯产品有严格的长度要求，对于长度规格达几千米的复合芯，如果生产运行中断，将产生很大的损失。本发明一种拉缠同步且一次固化成型的复合芯制造机组，生产运行是可控的，由此可以避免非正常的运行中断。

5、使用本发明提供的方法和设备生产出的复合芯，成型后的复合芯无论有多长，其内部固化的树脂基体，就是一个超级大分子，与碳纤维复合成为完整结构而不存在任何界面；其次在复合芯截面上可以看到玻璃纤维包覆层与碳纤维内芯之间分界清，两圆同心度好，抗拉性能好；再则，径向缠绕的纱线或纤维，对碳纤维内芯起到很好的保护，使之在应力下难于爆裂。

附图说明

图1为本发明生产机组的结构示意图之一。

图2为本发明生产机组的结构示意图之二。

图3为本发明生产机组树脂槽的结构示意图。

图4为本发明生产机组缠绕机的结构示意图。

图5为本发明生产机组定位架的结构示意图。

图6为本发明生产机组预成型器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地说明：

如图1、2所示。本发明的生产机组它包括有纱架1、分纱板2、树脂槽3、缠绕机4、预成型器5、成型模具6、定位架7、后处理烘箱8以及后部的牵引设备11，并在后处理烘箱8与牵引设备之间设置了树脂反应行为检测仪9和长度测量仪10，以便了即时了解整个机组的工作状况，牵引设备11为履带牵引机。本发明中的纱架1、集纱板2、后处理烘箱8及其控制部分、牵引部分均为现有产品，其制造单位为南京诺尔泰复合材料设备制造有限公司。树脂反应行为检测仪9型号为：Gelprof518，生产单位：武汉九维复合材料有限公司。配备了树脂反应行为检测仪，能使生产长期稳定的运行，用树脂反应行为检测仪实时对运行中的树脂体系进行分析，可以在几分钟内形成图谱和相应的数据，对照标准数据，可以迅速判断此时树脂的行为状态是否正常，便于及时采取相应的措施，使树脂体系在可控的状态下运行。

如图3所示，本发明生产机组的树脂槽3采用恒温水浴树脂槽，其槽体为空心夹层式，在槽体一端设置连通槽体内夹层空间的进水口，另一端设置出水口，里面通入恒温的热水，可保证树脂槽3树脂温度稳定。树脂槽3可以设置成可升降式，且四角有轮，可以移动。当需要清除陈旧性胶液时，转动手柄使树脂槽3向下运动至脱离纤维压杆，离开槽架，迅速更换一新的树脂槽，动作简单、快捷。树脂槽3的容积，按照特定的产品，单独设计，一种产品对应一种容积的树脂槽，使陈旧性胶液大为减少，有利于整个运行状态的长期稳定。

如图4所示，本发明生产机组的缠绕机4包括有安装在支架上的转盘12，转盘12由电机13带动，转盘12中心设有通孔14，碳纤维从该通孔14中穿过，在转盘12上还安装有两个纱锭15，转盘12在转动的过程中，将纱锭15上的纱线缠绕在穿出通孔14的碳纤维外侧壁上。

如图5所示，定位架7由上下调节横杆16和其两端的支撑架17组成，上下调节横杆16上设有横向卡槽，横向卡槽内装有两个卡块18，两个卡块18上均设有安装滚轮的竖向定位柱19和将卡块18固定在横向卡槽内的固定旋钮20。通过定位架7的作有，对出模后的制品做左右、上下的定位，确保其在中心线和水平线上运行，保证生产出的产品碳纤维与玻璃纤维的同心度较好。

纱架1是本生产机组的起点，碳纤维和玻璃纤维纱锭插入纱架，该纱架的张力是可控的；分纱板2是将纱架出来的、额定股数的纤维丝束，按阵列关系分布在分纱板的孔眼中，纤维的前进方向，在此确定；恒温水浴树脂槽3是供纤维浸渍树脂之用；缠绕机4对通过此处的碳纤维进行径向缠绕集束，玻璃纤维从缠绕机4两侧绕行；碳纤维束在被缠绕之后和玻璃纤维同时进入预成型器5。如图6所示，预成型器5为圆片状，其圆心处为孔径大于碳纤维束直径的通过孔，其圆周方向上均匀分布有用于玻璃纤维定位的半圆形凹槽。复合芯在进入模具时呈伞状，即碳纤维束是伞把，玻璃纤维是伞骨，玻璃纤维裹覆着碳纤维束再进入成型模具6，受热固化形成复合芯。定位架7控制复合芯在中心线和水平线上运行；后处理烘箱8可以延长对复合芯的固化时间，提高复合芯的固化程度；树脂反应行为检测仪9用来监控树脂的反应行为；长度计量仪10对复合芯的长度进行计量；牵引设备11是本生产机组的动力部分，使复合芯连续、匀速地运行，并用卷线盘将复合芯收卷。

本发明一次性固化成型后的复合芯无论有多长，其内部固化的树脂基体，就是一个超级大分子，与碳纤维复合成为完整结构而不存在任何界面；其次在复合芯截面上可以看到玻璃纤维包覆层与碳纤维内芯之间分界清，两圆同心；径向缠绕的纤维，对碳纤维内芯起到很好的保护，使之在应力下难于爆裂。

本发明涉及的其它未说明部份与现有技术相同。

Claims (5)

1.一种拉缠同步且一次固化成型的复合芯生产机组，包括有纱架(1)、集纱板(2)、树脂槽(3)和成型模具(6)，它们顺序排列组成生产线，碳纤维和玻璃纤维经过集纱板(2)后进入树脂槽(3)，再从成型模具(6)中穿过后连到牵引设备中被牵引卷绕，其特征是生产线中的树脂槽(3)与成型模具(6)之间设有缠绕机(4)和预成型器(5)，碳纤维在进入预成型器(5)之前先用缠绕机(4)在其外围缠上纱线；所述预成型器(5)为圆片状，其圆心处为孔径大于碳纤维束直径的通过孔，其圆周方向上均匀分布有用于玻璃纤维定位的半圆形凹槽。

2.根据权利要求1所述的拉缠同步且一次固化成型的复合芯生产机组，其特征是所述的缠绕机(4)包括有安装在支架上的转盘，转盘由电机带动，转盘中心设有通孔，碳纤维从该通孔中穿过，在转盘上还安装有两个纱锭，纱锭上的纱线缠绕在碳纤维的外侧壁上。

3.根据权利要求1所述的拉缠同步且一次固化成型的复合芯生产机组，其特征是所述树脂槽(3)为可上下升降式恒温水浴树脂槽。

4.根据权利要求1所述的拉缠同步且一次固化成型的复合芯生产机组，其特征是所述成型模具(6)与后部的牵引设备之间设有定位架(7)，定位架(7)由上下调节横杆和其两端的支撑架组成，上下调节横杆上设有横向卡槽，横向卡槽内装有两个卡块，两个卡块上均设有安装滚轮的竖向定位柱和将卡块固定在横向卡槽内的固定旋钮。

5.根据权利要求4所述的拉缠同步且一次固化成型的复合芯生产机组，其特征是所述定位架(7)与生产线后部的牵引设备之间还设有后处理烘箱(8)。

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