CN101949094B - 超声波浸胶槽、大丝束碳纤维制造复合芯线的设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波浸胶槽、大丝束碳纤维制造复合芯线的设备及方法，包括浸胶区，在所述浸胶区底部设有一液体介质层，在所述液体介质层底部设有超声波发生器，所述超声波发生器发出的超声波通过所述液体介质层均匀的作用在所述浸胶区内装填的大丝束碳纤维和树脂混合物上。本发明中超声波浸胶槽了改变传统的接触式浸胶，在浸胶槽外部引入超声波发生器，超声波同时作用在大丝束碳纤维和树脂上，通过调整超声波的强度和作用时间，使大丝束碳纤维物理开纤，同时树脂体系维持在适宜的温度和粘度范围内，达到理想的浸润效果。

Description

超声波浸胶槽、大丝束碳纤维制造复合芯线的设备及方法

技术领域

本发明涉及一种超声波浸胶槽、架空输电导线用复合材料芯线的制备方法及设备，尤其是使用大丝束碳纤维制造复合材料芯线的方法及设备。

背景技术

随着我国经济的飞速发展，对电力的需求日益增大，电力负荷不断增大，对输电线路的要求越来越高，原来的输电线路已经不能满足传输容量快速扩容的要求，如何提高电网的输电能力成为一个迫切的问题。

架空输电导线作为输送电力的载体，在输电线路中占有极为重要的地位。传统的架空输电导线为钢芯铝绞线类型，外围的铝绞线为输电导体，内部钢绞线作为承重芯材，不仅自重大，抗张强度不高，磁损大，而且在受热情况下会产生松弛现象，严重威胁了输电线路安全。

为了安全可靠地多送电力，各国有关科技工作者一直不断地努力寻求理想的架空输电线路用导线，以取代传统的各种导线。碳纤维复合材料合成导线是一种全新概念的架空输电线路用导线，采用耐热铝合金软绞线作为输电导体，内部由碳纤维复合材料芯线替代传统的钢绞线，密度仅为钢绞线的1/4，抗张强度大，无磁损，线膨胀系数小，而且使用温度高，导线面积大，由此大大提高了导线的载流量，理论载流量为传统钢芯的2倍，达到增容的效果。请参见：杨宁，国家电网北京经济技术研究院，《ACCC碳纤维复合芯导线技术在我国的应用前景分析》。

但是，现阶段碳纤维复合材料合成导线的价格为一般钢芯导线的3倍，而碳纤维复合材料芯线成本又占了总成本的绝大部分，高昂的价格限制了其的应用，要在输电线路上推广普及，必须降低成本。请参见：朱爱均，尤志巍，张锦秀，上海电力设计院有限公司，《碳纤维复合导线在上海电网应用前景初探》。

现阶段市场上的碳纤维复合材料芯线使用的原料为小丝束碳纤维，如果替换为价格低很多而力学性能相当的大丝束碳纤维，就能够明显的降低成本。但是大丝束碳纤维和树脂的浸润性与小丝束碳纤维相差很多，由此造成了碳纤维与树脂的界面结合性与力学性能明显下降。

发明内容

本发明设计了一种超声波浸胶槽、大丝束碳纤维制造复合材料芯线的设备及方法，其解决了以下技术问题：

(1)现阶段市场上的碳纤维复合材料芯线使用的原料为小丝束碳纤维，因而造成碳纤维复合材料芯线成本高和价格昂贵。

(2)由于大丝束碳纤维和树脂的浸润性与小丝束碳纤维相差很多，由此造成了碳纤维与树脂的界面结合性与力学性能明显下降，导致现阶段市场上的碳纤维复合材料芯线不能使用的原料为大丝束碳纤维。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：

一种超声波浸胶槽，包括浸胶区，在所述浸胶区底部设有一液体介质层，在所述液体介质层底部设有超声波发生器，所述超声波发生器发出的超声波通过所述液体介质层均匀的作用在所述浸胶区内装填的大丝束碳纤维和树脂混合物上。

进一步，所述液体介质层内还设置温度控制装置。

进一步，所述温度控制装置包括加热器和热电偶。

进一步，所述液体介质层中的液体介质为水。

一种大丝束碳纤维制造复合材料芯线的设备，包括纱架、加热除湿装置、所述超声波浸胶槽、挤胶辊、预成型模具、成型模具、多台后固化炉、牵引机以及收卷机。

一种大丝束碳纤维制造复合材料芯线的方法，包括以下步骤：

第一步，将大丝束碳纤维和玻璃纤维从所述纱架上牵引出，同时施加张力，束丝后进入加热除湿器中干燥；

第二步，经过干燥后的大丝束纤维和玻璃纤维进入所述超声波浸胶槽，超声波发生器发出的超声波通过水层作用在树脂上，通过温度控制装置的调节温度，超声波强度和作用时间使大丝束碳纤维开纤；

第三步，浸胶后的纤维通过所述挤胶辊控制树脂含量，通过所述预成型模导丝，依次进入所述成型模具三段分区加热固化；

第四步，复合材料芯线产品从成型模具出来后，进入所述后固化炉，提高固化度的同时消除由于温度梯度反应不均匀而造成的内应力；

第五步，复合材料芯线经过冷却，通过所述牵引机牵引，用所述收卷机进行收卷。

其中，第一步中大丝束碳纤维和玻璃纤维从所述纱架上牵引出的速度为0.1-1m/min。

其中，第二步中树脂的温度控制在40-80℃；所述超声波发生器的超声波功率为100-500W，每作用3-5min间歇3-5min。

其中，第三步中浸胶后的纤维进入所述成型模具三段分区的温度区间依次为150-180℃，200-240℃，190-230℃。

其中，第四步中所述后固化炉温度为100-180℃。

该超声波浸胶槽、大丝束碳纤维制造复合材料芯线的设备及其方法具有以下有益效果：

(1)本发明超声波浸胶槽了改变传统的接触式浸胶，在浸胶槽外部引入超声波发生器，超声波同时作用在大丝束碳纤维和树脂上，通过调整超声波的强度和作用时间，使大丝束碳纤维物理开纤，同时树脂体系维持在适宜的温度和粘度范围内，达到理想的浸润效果；

(2)本发明超声波浸胶槽带有温度控制装置和超声波发生器，并不是直接作用在树脂体系上，而是通过中间的水层将温度和超声能量传递给树脂体系，使其受力受热均匀；

(3)本发明大丝束碳纤维制造复合材料芯线的设备与传统拉挤设备相比较，提高了纤维与树脂之间的浸润性，树脂体系内各组分分布稳定，制得的大丝束碳纤维复合材料芯材内部无气泡，结构均匀，拉伸强度以及层间剪切强度均有明显的提高，达到小丝束碳纤维复合材料芯材水平，降低了碳纤维复合材料芯材的成本，有利于其在架空导线中的推广和应用。

附图说明

图1是本发明超声波浸胶槽的截面示意图；

图2是本发明大丝束碳纤维制造复合材料芯线的设备部件连接示意图。

附图标记说明：

1-纱架；2-加热除湿装置；3-超声波浸胶槽；31-浸胶区；32-液体介质层；33-超声波发生器；34-温度控制装置；341-加热器；342-热电偶；4-挤胶辊；5-预成型模具；6-成型模具；7-后固化炉；8-后固化炉；9-牵引机；10-收卷机。

具体实施方式

下面结合图1和图2，对本发明做进一步说明：

如图1所示，一种超声波浸胶槽3，包括浸胶区31，在所述浸胶区31底部设有一液体介质层32，在所述液体介质层32底部设有超声波发生器33，所述超声波发生器33发出的超声波通过所述液体介质层32均匀的作用在所述浸胶区31内装填的大丝束碳纤维和树脂混合物上。所述液体介质层32内还设置温度控制装置34。所述温度控制装置34包括加热器341和热电偶342。超声波浸胶槽3带有温度控制装置34和超声波发生器33，并不是直接作用在树脂体系上，而是通过中间的液体介质层32将温度和超声能量传递给树脂体系，使其受力受热均匀。

超声波对大丝束碳纤维和树脂主要有三种作用：

第一、超声波震荡作用在大丝束碳纤维上，使其物理开纤，与树脂有更多的接触面积，改善浸润效果。

第二、超声波作用在树脂上，诱发空化效应，释放出巨大的空化能，一方面排除气泡，另一方面克服树脂体系分子运动的摩擦阻力，降低树脂体系的粘度和表面张力，提高浸润性。

第三、基于超声波的分散作用，使树脂体系中的树脂，固化剂，促进剂，填料等各组分保持均匀的分布，稳定产品质量。

所述液体介质层32中的液体介质为水。水具有良好的导热性以及成本低廉性，可以大规模使用。

因此，在超声波浸胶槽3外部引入超声波发生器33，超声波同时作用在大丝束碳纤维和树脂上，通过调整超声波的强度和作用时间，使大丝束碳纤维物理开纤，同时树脂体系维持在适宜的温度和粘度范围内，达到理想的浸润效果。

如图2所示，一种大丝束碳纤维制造复合材料芯线的设备，包括纱架1、加热除湿装置2、所述超声波浸胶槽3、挤胶辊4、预成型模具5、成型模具6、多台后固化炉7、8、牵引机9以及收卷机10。其中，该超声波浸胶槽3包括浸胶区31，在所述浸胶区31底部设有一液体介质层32，在所述液体介质层32底部设有超声波发生器33，所述超声波发生器33发出的超声波通过所述液体介质层32均匀的作用在所述浸胶区31内装填的大丝束碳纤维和树脂混合物上。

因而，大丝束碳纤维制造复合材料芯线的设备与传统拉挤设备相比较，提高了纤维与树脂之间的浸润性，树脂体系内各组分分布稳定，制得的大丝束碳纤维复合材料芯材内部无气泡，结构均匀，拉伸强度以及层间剪切强度均有明显的提高，达到小丝束碳纤维复合材料芯材水平，降低了碳纤维复合材料芯材的成本，有利于其在架空导线中的推广和应用。

该大丝束碳纤维制造复合材料芯线的方法如下：

第一步，将大丝束碳纤维和玻璃纤维从所述纱架1上牵引出，同时施加张力，束丝后进入加热除湿器2中干燥；大丝束碳纤维和玻璃纤维从所述纱架1上牵引出的速度为0.1-1m/min。

第二步，经过干燥后的大丝束纤维和玻璃纤维进入所述超声波浸胶槽3，超声波发生器33发出的超声波通过水层作用在树脂上，通过温度控制装置34的调节温度，超声波强度和作用时间使大丝束碳纤维开纤；树脂的温度控制在40-80℃；所述超声波发生器33的超声波功率为100-500W，每作用3-5min间歇3-5min。

第三步，浸胶后的纤维通过所述挤胶辊4控制树脂含量，通过所述预成型模5导丝，依次进入所述成型模具6三段分区加热固化；浸胶后的纤维进入所述成型模具6三段分区的温度区间依次为150-180℃，200-240℃，190-230℃。

第四步，复合材料芯线产品从成型模具6出来后，进入所述后固化炉7、8，提高固化度的同时消除由于温度梯度反应不均匀而造成的内应力；第四步中所述后固化炉7、8温度为100-180℃。

第五步，复合材料芯线经过冷却，通过所述牵引机9牵引，用所述收卷机10进行收卷。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种超声波浸胶槽(3)，包括浸胶区(31)，其特征在于：在所述浸胶区(31)底部设有一液体介质层(32)，在所述液体介质层(32)底部设有超声波发生器(33)，所述超声波发生器(33)发出的超声波通过所述液体介质层(32)均匀的作用在所述浸胶区(31)内装填的大丝束碳纤维和树脂混合物上。

2.根据权利要求1所述超声波浸胶槽，其特征在于：所述液体介质层(32)内还设置温度控制装置(34)。

3.根据权利要求2所述超声波浸胶槽，其特征在于：所述温度控制装置(34)包括加热器(341)和热电偶(342)。

4.根据权利要求1、2或3所述超声波浸胶槽，其特征在于：所述液体介质层(32)中的液体介质为水。

5.一种大丝束碳纤维制造复合材料芯线的设备，包括纱架(1)、加热除湿装置(2)、超声波浸胶槽(3)、挤胶辊(4)、预成型模具(5)、成型模具(6)、多台后固化炉(7、8)、牵引机(9)以及收卷机(10)，其特征在于：超声波浸胶槽(3)包括浸胶区(31)，在所述浸胶区(31)底部设有一液体介质层(32)，在所述液体介质层(32)底部设有超声波发生器(33)，所述超声波发生器(33)发出的超声波通过所述液体介质层(32)均匀的作用在所述浸胶区(31)内装填的大丝束碳纤维和树脂混合物上。

6.一种使用权利要求5的设备制造大丝束碳纤维复合材料芯线的方法，包括以下步骤：

第一步，将大丝束碳纤维和玻璃纤维从所述纱架(1)上牵引出，同时施加张力，束丝后进入加热除湿器(2)中干燥；

第二步，经过干燥后的大丝束纤维和玻璃纤维进入所述超声波浸胶槽(3)，使用温度控制装置(34)调节温度，使用超声波发生器(33)调节超声波强度和超声波作用时间，通过水层将热量和超声波作用均匀的传递给树脂和纤维，使大丝束碳纤维开纤；

第三步，浸胶后的纤维通过所述挤胶辊(4)控制树脂含量，通过所述预成型模具(5)导丝，依次进入所述成型模具(6)三段分区加热固化；

第四步，复合材料芯线产品从成型模具(6)出来后，进入所述后固化炉(7、8)，提高固化度的同时消除由于温度梯度反应不均匀而造成的内应力；

第五步，复合材料芯线经过冷却，通过所述牵引机(9)牵引，用所述收卷机(10)进行收卷。

7.根据权利要求6所述制造大丝束碳纤维复合材料芯线的方法，其特征在于：第一步中大丝束碳纤维和玻璃纤维从所述纱架(1)上牵引出的速度为0.1-1m/min。

8.根据权利要求6所述制造大丝束碳纤维复合材料芯线的方法，其特征在于：第二步中所述温度控制装置(34)将树脂温度控制在40-80℃；所述超声波发生器(33)将超声波功率控制在100-500W，每作用3-5min间歇3-5min。

9.根据权利要求6所述制造大丝束碳纤维复合材料芯线的方法，其特征在于：第三步中浸胶后的纤维进入所述成型模具(6)三段分区的温度区间依次为150--180℃，200--240℃，190--230℃。

10.根据权利要求6所述制造大丝束碳纤维复合材料芯线的方法，其特征在于：第四步中所述后固化炉(7、8)温度为100--180℃。

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