CN102105946A - 用于制造纤维增强复合材料的高速挤拉成型法 - Google Patents

用于制造纤维增强复合材料的高速挤拉成型法 Download PDF

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Abstract

制造铝导线复合芯(ACCC)电缆的复合芯的挤拉成型法的改进之处在于，用高压喷雾浸湿步骤替代将纤维浸渍于液体树脂浴中的传统浸湿步骤。在优选的方法中，将纤维铺展为其组成细丝，并使用高压喷雾嘴将树脂喷雾到铺展开的细丝上。然后通过将喷雾过的细丝牵引通过一系列预成型板来将它们重新捆扎起来，然后再使捆扎起来的纤维进入通过模具来以用于成型和固化。

Description

用于制造纤维增强复合材料的高速挤拉成型法
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年6月27日提交的美国专利申请61/076,223的优先权，其全部内容在此引入作为参考。
技术领域
本发明涉及纤维增强复合材料。一方面，本发明涉及纤维增强复合材料的挤拉成型法，而另一方面，本发明涉及这种方法的浸湿步骤。再在另一方面，本发明涉及挤拉成型法，其中所述浸湿步骤使用以高压喷雾嘴施涂的高反应性环氧树脂体系，而又在另一方面，本发明涉及这样的浸湿步骤，其中先将纤维的细丝彼此分离地铺展开，然后再施涂所述树脂体系。
背景技术
目前裸露的铝导线架空电缆，如铝导线钢增强的(ACSR)电缆、或铝芯钢支撑的(aluminum core steel supported)(ACSS)电缆是以钢芯制造的，从而此支撑它们的重量(例如，USP 3,813,481)。可替换地，钢芯可以用纤维增强高分子复合材料替代以制造铝导线复合芯(ACCC)增强电缆(例如，USP7,015,395和7,060,326)。ACCC电缆相对于ACSR电缆在重量和强度方面具有优势。
ACCC电缆的复合芯通常通过挤拉成型法制备，这是一种连续方法，其中首先将纤维增强体牵引通过树脂浸渍区域来用树脂涂覆该增强体，然后将其牵引通过预成型板来使纤维/树脂束定型，并最终将其牵引通过加热模具来使树脂固化。由于挤拉成型法的连续性，可以制备任何期望长度的复合材料。挤拉成型法可以用来制造具有简单或复杂几何形态的型材；然而，该部件将具有超过其整个长度的恒定横截面积。
现有的挤拉成型方法通常包括将纤维拖曳过树脂浴或树脂槽，以此达到良好的纤维浸渍。这种浸渍步骤或方法具有多种缺点，包括：这需要消耗大量的时间，并且其在模具的入口处累积高液体静压(由此其导致了超过该方法时间长度方面问题的高牵引力)。这些缺点在应用(例如，ACCC电缆)中会放大，在所述应用中，由于所述复合材料的强度需要，复合芯中纤维的体积容量相对较高(例如，＞65％)。这种高纤维体积容量以及其它因素大大地减慢了所述方法的浸湿和牵引步骤，由此减慢了该方法的整体速度。因此，制备ACCC电缆复合芯的挤拉成型法的典型最大速度小于8英尺每分钟(ft/min)。
发明内容
在一种实施方式中，本发明是常规挤拉成型法中改进的浸湿步骤或方法。在此实施方式中，可固化的热固性树脂不是通过将纤维牵引通过树脂的浴或槽来施涂于纤维。而是将树脂作为高压喷雾来施涂于纤维。所述喷雾是从可以加热或可以不加热的高压喷雾嘴递送的。这些喷嘴使得可以向纤维施涂可控制量的树脂，并且它们以促进树脂渗透进纤维的方式递送树脂。
在本发明的另一种实施方式中，将包含纤维的细丝(或者如果是丝束，则为包含丝束的纤维)彼此分离地铺展开，然后再将树脂施涂于该纤维(作为高压喷雾或者通过在树脂浴中的常规浸泡)。这种纤维细丝或丝束纤维的铺展可以使从喷嘴接收树脂的细丝或纤维的表面积最大化(如果将丝束铺展为其组成纤维，则高压也可以使树脂向该组成纤维的缠结(entangled)细丝的渗透最大化)。细丝铺展以及高压喷雾的组合可以极大地减少完成浸湿步骤的时间。此外，由于向纤维施涂控制量的树脂(例如，防止由将纤维牵引通过树脂浴或槽所产生的纤维上的过量树脂)，模具头部处的液体静压降低了。这也有助于使整个挤拉成型法更快及更加能量有效。
在本发明的另一种实施方式中，通过使纤维通过一系列的纤维预成型模具(pre-forms)(也称为预成型板或片)，使得该纤维形成了接近净形状(net-shape)的形状。在用树脂将纤维的细丝浸渍之后，通过使纤维进入通过一个或多个预成型模具将细丝重新捆扎起来，其首先将细丝重新捆扎成纤维，然后开始将该纤维定型成其期望的最终净形状。各预成型模具使纤维比较接近其期望的最终净形状，并且当该纤维到达最终模具(其也作为固化场所)的入口时，其非常接近它的最终期望形状。这种按顺序的预成型模具大大地降低了最终模具入口处的液体静压，并且这也由此使得可使用较小的(即较短的)最终模具和较快的整个方法。
在本发明的另一种实施方式中，将模具入口的形状和模具(固化场所)的总长度设计为，使模具头部处的液体静压以及使树脂(浸渍于纤维之内和之上的)固化所需的时间最小化。最终模具赋予纤维最终的净形状，并且当树脂-浸渍的纤维通过及离开所述模具时，至少引发(若未完成)纤维之内及之上的树脂的固化(一些模具后固化可以发生或可以不发生，取决于多种因素，包括树脂和固化包装的性质、在最终模具中的固化条件、在电缆的收集和贮存过程中的固化条件等)。使用标准设计工具(例如，有限元分析(FEA))，将模具的入口设计为，使液体静压最小化。此外，将模具的长度设计为，使纤维通过其所需的时间最小化，并且还产生充分固化的树脂，使得可以收集和贮存纤维、或者使其经受进一步的加工。
对于整个挤拉成型法的这些改进的组合使得制造用于ACCC电缆的复合芯的时间增加至15-20ft/min。此外，其允许更有效地利用树脂、降低将纤维牵引通过该方法所需的能量(并因此降低了该方法的能量消耗)、并且允许使用较小的设备(并因此降低了整个方法的资本成本)。
附图说明
图1是常规挤拉成型法的示意图。
图2是改进的本发明浸湿步骤的一种实施方式的示意图，所述实施方式同时使用高压喷雾嘴(high pressure spray nozzle)和细丝铺展器(spreader)。
具体实施方式
本申请中的数值范围是近似值，因此除非指明，否则其可以包括该范围以外的值。数值范围包括下限值和上限值内以一个单位递增的所有值并且包括上限值及下限值，条件是在任何下限值和任何上限值之间存在至少两个单位的分隔数值范围。作为实例，如果组成、物理或其它性质(如设备尺寸、操作参数等)为100至1,000，那么所有的单个值(如100、101、102等)和子区间(如100至144、155至170、197至200等)是清楚列举的。对于包含小于1的值或包含大于1的分数(例如，1.1、1.5等)的范围，认为一个单位为0.0001、0.001、0.01或0.1是适当的。对于包含小于10的单个数字(例如，1至5)的范围，典型地认为一个单位为0.1。这些仅是特别指出的实例，并且认为本申请清楚规定了所列举的最低值和最高值之间的数值的所有可能的组合。提供在本申请内的数值范围尤其是用于操作参数、设备尺寸和树脂制剂中的各组分浓度等。
“包含”、“包括”、“具有(having)”等术语不意图排除任何另外的组分、步骤或过程的存在，而不管本申请是否特别披露过它们。为消除任何疑问，除非有相反说明，否则，通过使用术语“包含”限定的所有方法可以包括一个或多个另外的步骤、设备或组成部件、和/或材料。相反，除了对于操作性能不必要的那些之外，术语“基本上由...组成”将任何其它组分、步骤或过程排除在任何以下叙述的范围之外。术语“由...组成”不包括未特别描述或列出的组分、步骤或过程。除非说明，否则术语“或”指列出的单独成员及其任何组合。
“丝束”、“纤维丝束”、“粗纱”、“长条(sliver)”等术语表示通常具有圆形横截面的缠结纤维的长柱。
“纤维”等术语表示通常具有圆形横截面且长径比大于10的缠结细丝的长柱。
“细丝”等术语表示长径比大于10的长形物质的单根连续纤维。
“净形状”、“最终净形状”及类似术语表示电缆在离开最终模具和固化场所之后的大小和形状。电缆的净形状是根据其直径及横截面形状所测量的。
在各附图中，已经选择性地省略设备的各种要素(如电力或气动连接件、配件等)以简化附图。此外，在全部附图中，同样的标号用来指示相同部件。
图1是常规连续挤拉成型法的示意图。尽管按照用树脂浸渍纤维描述了该方法，该描述也适用于使用树脂浸渍丝束的方法。
通过牵引器12将贮存于多个卷轴11上的纤维10牵引通过液体树脂的树脂浴13，在其中用树脂浸渍纤维。将浸渍纤维从树脂浴牵引通过一系列预成型板14，这些浸渍纤维彼此结合形成类似成品的期望最终净形状的形状。当纤维通过各预成型板时，移除过量的树脂，而纤维继续接近其期望的最终净形状。最后，纤维进入最终模具15(典型地为加热模具)，在其中纤维形成其最终净形状并且使树脂经受固化条件，这些条件由树脂的性质和用量、树脂在纤维之上以及其整个内部的分布、纤维在最终模具内的停留时间等决定。然后通过锯16或任何其它切割设备将树脂-浸渍的固化的或部分固化的纤维切割成其期望的长度。
在常规挤拉成型法中以及如图1所说明，通过使纤维进入通过盛有树脂的浴或槽，将树脂施涂于纤维。用树脂浸渍所述纤维的程度是多种不同变量的函数，所述变量包括纤维在树脂浴中的停留时间、纤维暴露于树脂的表面积、树脂浴的温度、纤维和树脂的组成以及它们彼此的相容性等。典型地，这些条件要求纤维不能快速地浸入通过所述树脂浴。此外，这种技术几乎总是导致在纤维离开树脂浴之后，过量的树脂粘附在纤维上，并且当树脂通过预成型模具及最终模具时，最后必需剥去或者以其它方式从纤维移除这些过量的树脂。这不仅导致树脂的浪费，也会在预成型板和/或最终模具的头部处累积压力，并且这还会减损整个的能量效率及方法速度。
图2说明了本发明改进的浸湿步骤的一种实施方式。当纤维10离开送丝用(let-off service)的架或线轴架(creel)(未显示)时，它们先从中心导轮(未显示)上方经过、再从基础滑轮(grounding pulley)17下方经过、并从铺展器辊18上方经过。中心导轮典型地具有沟槽，使得当纤维从基础滑轮下方经过并到达铺展器辊上时，所述具有沟槽的中心导轮可以抑制纤维的横向运动。基础滑轮将纤维展平并将其稳定地定位于铺展器辊的中心之上。
铺展器辊18、或测地(geodesic)纤维铺展器，典型地为具有坚硬光滑表面的球体以使纤维磨损最小化并且可以抵抗磨损。当纤维经过铺展器的表面上方时，纤维的各单根细丝将趋向于沿从中心导轮至第一预成型板的最短长度的路径行进。这种趋向将各单根细丝铺展开并彼此分离，由此这使得能够用树脂喷雾的纤维表面积最大化。
可以使用其它设备(未显示)来促进浸湿步骤的操作。例如，可以将制动系统安装在送丝用的架上，使得可以对纤维施以拉伸力。也可以安装另外的基础滑轮以改进铺展过程。如果期望，可以将金属梳子(comb)(优选为具有陶瓷涂层的)安装在铺展器辊后面，使得当各细丝离开铺展器辊的表面时，可以保持或增加它们相对于彼此的铺展以便于促进用树脂浸渍它们。
一经铺展，则用来自一个或多个高压喷雾嘴19的树脂浸渍细丝。这样的喷嘴可以以多种尺寸和设计从商业上购买到，代表性的是由Spray Systems制造的具有加热套的1/4JAU可变喷气雾化嘴(variable spray air atomizingnozzles)。喷嘴相对于纤维可以是固定的或可移动的，并且它们可以以相对于纤维的任何方向定位或移动。典型地，所述喷嘴是可移动的并且沿纤维通过设备组运动的横向方向行进，并且它们将树脂直接喷涂在纤维表面上。喷雾中的高压(例如，200至3,000磅每平方英寸(psi))有助于树脂在各细丝间流动并且有助于快速达到良好的浸湿。可以串联安装喷头和/或在纤维的两侧和/或在纤维的上面和下面安装喷头。喷头的行进速度以及它们的喷雾速度和流动以某种方式控制，使得树脂浪费最小化。该方法的喷雾技巧(例如，喷雾面积的大小、喷雾型式的形状、树脂粒子的大小、喷雾嘴与细丝之间的距离等)可以变化以使该方法便利和最优化。树脂及其固化剂可以在涂覆过程之前混合、或者它们可以恰好在混合头处混合，这取决于树脂体系的罐装时间(pot life)。如果是期望的，喷雾嘴可以具有热容量以降低树脂的粘度及改进喷雾过程。
在用树脂浸渍细丝之后，使这些细丝通过一系列(典型地为三个或更多个)的预成型板或片，在那里将它们重新捆扎并定型为接近它们的最终净形状。经过纤维的紧密接触和宏观移动(macro movement)，预成型模具也有助于达到纤维的进一步浸湿。最后，浸渍纤维到达最终模具的入口和固化场所。将模具的入口设计成接收接近其最终净形状的纤维，使得模具头部处的液体静压最小化。基于树脂性质、固化体系和固化条件设计模具的长度，使树脂固化最优化。典型地，树脂通过暴露于热量固化，但是也可以使用其它形式的固化能量，例如，UV辐射或电子束辐射。如必要的话，可以增加在线(in-line)后固化烘箱(未显示)以在达到产品最终状态之前进行复合材料的后固化。
所述纤维的组成和结构、以及所述树脂及其固化体系(若存在任何的话)的组成可以广泛地变化，并且其全部典型地与用于ACCC电缆常规制造的那些一致。代表性的纤维包括Toho Teneax G30-700 24K HTA-7D F402和T700SC-24K-50C碳纤维。代表性的可固化的热固性树脂包括得自DowChemical Company的DER 383环氧树脂。代表性的固化剂包括Ancamine DL50。其它代表性的纤维、树脂和固化剂如USP 7,015,395和7,060,326所描述。最终浸渍纤维的代表性组成包括包含78-85重量百分比(wt％)的碳纤维和15-23wt％的树脂的浸渍纤维。所述树脂可以包括77wt％的DER 383、21wt％的Ancamine DL-50、和2wt％的脱模剂。
尽管通过前述说明书以及对附图的参考已经相当详细地描述了本发明，这种详述是针对说明的目的并且不认为其是对本发明的精神和范围的限制，本发明的精神和范围如所附权利要求所描述。所有以上引用的专利和公开，特别包括对于美国实践来说，所有的美国专利、授权的专利申请和美国专利申请公开通过参考并入本申请。

Claims (10)

1.一种制造ACCC电缆的复合芯的方法，所述方法包括浸湿步骤，其中将可固化的热固性树脂施涂于增强丝束或增强纤维，其特征在于将所述树脂作为高压喷雾施涂于所述丝束或纤维。
2.权利要求1中所述的方法，其中在用所述树脂喷雾之前，将所述丝束或纤维铺展为它的组成纤维或细丝。
3.权利要求2中所述的方法，其中在200至3,000磅每平方英寸(psi)的压力施涂所述树脂。
4.一种制造ACCC电缆的复合芯的方法，所述方法包括浸湿步骤，其中将可固化的热固性树脂施涂于增强丝束或增强纤维，其特征在于在使所述丝束或纤维与所述树脂接触之前，将所述丝束或纤维分别铺展为其组成纤维或细丝。
5.权利要求4中所述的方法，其中将所述树脂作为高压喷雾施涂。
6.权利要求5中所述的方法，其中在200至3,000psi的压力施涂所述树脂。
7.一种制造树脂-浸渍丝束或纤维的方法，所述纤维包括组成细丝而所述丝束包括组成纤维，所述方法包括下列步骤：
A.将所述丝束或纤维铺展为其组成纤维或细丝；和
B.将所述树脂作为高压喷雾施涂于铺展开的纤维或细丝。
8.权利要求7中所述的方法，其中通过使拉紧的所述丝束或纤维从测地纤维铺展器之上经过，而将所述丝束或纤维分别铺展为其组成纤维或细丝。
9.权利要求8中所述的方法，其中在与来自所述高压喷雾的所述树脂接触之前，使所述铺展开的纤维或细丝通过梳子。
10.权利要求9中所述的方法，其中在200至3,000psi的压力将所述树脂施涂于所述铺展开的纤维或细丝。
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