CN102176345B - 一种混杂纤维拉挤复合材料、其制造方法及成型装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种混杂纤维拉挤复合材料、其制造方法及成型装置，解决了现有产品和方法中存在的产品同轴度和圆度不高、因基体树脂体系的玻璃化温度偏低从而使产品达不到耐热要求的技术问题，其包括内部芯层和外部壳层，内部芯层由多束单向排列的碳纤维复合材料构成，外部壳层由多束单向排列的玻璃纤维复合材料构成，外部壳层均匀包覆在内部芯层之外，内部芯层和外部壳层截面为圆形，外部壳层沿轴向平行均匀分布在内部芯层周围，两层保持高度同轴，内部芯层直径为6-8mm，外部壳层厚度为2-4mm。本发明提供的混杂纤维拉挤复合材料、其制造方法及设备，所制造的产品强度高、自重低、韧性好、高温弧垂小、耐腐蚀性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种支持结构的部件、其制造方法及设备，具体地说是一种混杂纤维拉挤复合材料、其制造方法及成型装置。
背景技术
目前，在输变电线路领域，传统的高压架空导线是由钢芯铝绞线构成，其中钢芯起到承载负荷的作用。由于增大载流量会使线路的发热量增加，而传统的钢芯铝绞线随着温度升高机械性能明显下降，会直接导致导线的弧垂增大，线体摆动半径增加，从而影响单根导线的跨度、塔架的高度和架线规程。同时，传统钢芯的自重较高，强度较低，不耐腐蚀，在恶劣的气候条件或者长时间使用下，容易出现断线，交叉短路等安全问题。
针对这些问题，需要设计出一种具有强度高，自重低，韧性好，高温弧垂小，耐腐蚀性能好的架空导线芯线。由于碳纤维复合材料有着轻质，高强的特点，而玻璃纤维在具备一定的强度和模量的同时，也有着良好的保护作用和绝缘性能，所以碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料能提供良好的力学性能，可以作为承力的结构部件。拉挤成型是一种自动化连续生产纤维增强复合材料的工艺方法，它是将连续的增强纤维浸渍树脂后，牵引经过成型模具，在模具内固化成型为规定形状，牵引出模后成型为最终制品的加工方法。拉挤成型技术是制造高性能、高纤维体积含量复合材料的一项重要的技术，该技术操作简单，成本较低。所以用拉挤工艺生产的实现同轴结构的混杂纤维复合材料具有很多优势，可以广泛的应用于各个工业领域的结构部件中。
美国专利申请US7060326B2公开了一种复合材料芯铝绞线电缆的制造方法，其相应的中国专利申请公开号为CN1898085A。该发明将碳纤维/玻璃纤维混杂的复合材料电缆芯以一种新的绞线方式与梯形截面的铝材结合制备成高压架空电缆，并且已经在中国挂网运行。
中国专利公开CN101034601A及CN101533682A都公开了制备复合材料芯线的方法。
上述公开的材料或方法都没有保持芯层和壳层同轴的装置或者采用一次拉挤成型的方式，这就导致最终产品的同轴度和圆度不高，芯层碳纤维与壳层玻璃纤维的界面为锯齿形，碳纤维有可能出现在外表面，造成中间碳纤维芯的导电，引起碳纤维芯的发热，从而影响复合材料的整体力学性能；同时，复合材料芯线使用的基体树脂体系的玻璃化温度偏低，不能达到高压输电线路的耐热要求。
发明内容
本发明是为了解决现有产品和方法中存在的产品同轴度和圆度不高、因基体树脂体系的玻璃化温度偏低从而使产品达不到耐热要求的技术问题，提供一种可以实现强度高、自重低、韧性好、高温弧垂小、耐腐蚀性好的同轴结构的混杂纤维拉挤复合材料、其制造方法及设备。
本发明提供的一种混杂纤维拉挤复合材料包括内部芯层和外部壳层，内部芯层由多束单向排列的碳纤维复合材料构成，外部壳层由多束单向排列的玻璃纤维复合材料构成，外部壳层均匀包覆在内部芯层之外，内部芯层和外部壳层截面为圆形，外部壳层沿轴向平行均匀分布在内部芯层周围，两层保持高度同轴，内部芯层直径为6-8mm，外部壳层厚度为2-4mm。
本发明提供的混杂纤维拉挤复合材料的方法，包括以下步骤：将碳纤维经过分纱、浸胶、集束后，进行预固化，形成碳纤维芯层；将玻璃纤维经过分纱、浸胶；将浸胶后的玻璃纤维和经过预固化的碳纤维芯层通过集束、同轴调节后，玻璃纤维均匀包覆在经过预固化的碳纤维芯层周围，形成预成型拉挤复合材料，然后进行固化、后固化处理，牵引拔出。
本发明优选取的技术方案包括：碳纤维和玻璃纤维在分纱前经过干燥处理；后固化处理的温度为180-240℃；碳纤维浸胶时使用树脂体系，该树脂体系含有环氧树脂、固化剂，脱模剂，促进剂；玻璃纤维浸胶时使用树脂体系，该树脂体系含有环氧树脂、固化剂，脱模剂，促进剂和填充剂；碳纤维预固化时通过三个温区进行，温度分别为：70-120℃、90-140℃和110-160℃，碳纤维的移动速度为400-800mm/min；预成型拉挤复合材料进行固化时，通过三个温区进行，温度分别为：110-160℃、130-180℃和170-220℃，玻璃纤维的移动速度与碳纤维的移动速度一致。
优选的混杂纤维拉挤复合材料的制造设备的同轴调节装置包括花键轴、花键滑套、花键轴座、花键轴升降丝杠、升降轨。
本发明由于采用了上述方案，通过同轴调节装置置的调节使得玻璃纤维壳层均匀的分布在碳纤维芯层的外圈，提高了该拉挤复合材料的同轴度，增加了该拉挤复合材料的耐腐蚀性能。在应用的过程中，玻璃纤维壳层对碳纤维芯层起到了提高复合材料的韧性的保护作用，并且降低了成本。
同时，在壳层玻璃纤维复合材料体系中还可以加入填料，填料不仅可以增加了该拉挤复合材料的拉伸强度和弯曲强度，还进一步降低了其制造成本。
在制造设备中，前端低温预成型加热模具和后端高温加热成型模具都分为三个温区，对成型的温度进行了准确的控制，使得工艺的连续性和稳定性得以提高。本制造方法配制合理，成型过程精确可控，操作调试简单方便，制造出的实现同轴结构的混杂纤维拉挤复合材料纤维体积分数达到60-75％，拉伸强度可达到2000-3500MPa，弹性模量可达到50-200GPa，弯曲强度可达到1500-2000MPa，弯曲模量可达到60-120GPa，用两点法测得的圆度为0.2-0.5mm，用V型支架法测得同轴度为φ0.05-0.5mm。
从微结构方向发现，该拉挤复合材料同轴度好，碳纤维芯层和玻璃纤维壳层的界面结合紧密。
下面结合附图对本发明进行进一步的说明：
附图说明
图1是本发明的混杂纤维拉挤复合材料的结构示意图；
图2是本发明的混杂纤维拉挤复合材料纵切面的扫描电子显微镜照片；
图3是本发明的混杂纤维拉挤复合材料的制造工艺流程图。
图中，11、碳纤维芯层；12、玻璃纤维壳层；1、碳纤维；2、芯层集丝模板；3、玻璃纤维；4、前端低温预成型加热模具；5、分纱器；6、壳层集丝模板；61、安装基板；62、花键轴；63、花键滑套；64、壳层纤维集丝模板；65、花键轴座；66、花键轴升降丝杠；67、升降轨；7、后端高温成型加热模具；8、前模胶槽；9、后模胶槽；10、后固化炉。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，实现同轴结构的混杂纤维拉挤复合材料的碳纤维芯层11采用12K的日本东丽T700碳纤维，玻璃纤维壳层12采用欧文斯科宁公司SE8400LS的E玻璃纤维，其中内部碳纤维芯层11的直径为7mm，该拉挤复合材料整体的直径为9.5mm，外部玻璃纤维壳层12的厚度为2.5mm。
如图2所示，碳纤维(右侧)的直径为7μm，玻璃纤维(左侧)的直径为23μm，该拉挤复合材料中的碳纤维芯层和玻璃纤维壳层的界面结合良好。芯层和壳层的纤维体积分数约为70％。
如图3所示，芯层碳纤维1，从纱架上以一定的张力牵引出来，经过干燥器，在90-100℃的条件下去除表面的水分。接着芯层碳纤维1通过分纱器分成30束纤维进入前模胶槽8，前模胶槽预热温度为80℃。前模胶槽中树脂为高温环氧树脂体系，其中含有美国亨斯迈公司的多官能度环氧树脂
MY 721，酸酐类固化剂LPY 1005，脱模剂LPY 1006，咪唑类促进剂DY 070，它们的质量比是100∶120∶8∶1。芯层碳纤维1浸上树脂之后到达芯层集丝模板2，芯层集丝模板2将均匀浸胶的碳纤维集合成一束，并且去除了碳纤维上多余的树脂。集束后的碳纤维1进入了前端低温预成型加热模具4进行芯层的预固化，前端低温预成型加热模具分为三个温度区间，一区为120℃，二区为130℃，三区为150℃，牵伸速率为800mm/min。壳层的玻璃纤维3从纱架上被牵引出来，通过干燥器去除水分。接着壳层玻璃纤维通过壳层纤维分纱器5被分成20束纤维进入后模胶槽9。后模胶槽预热温度为100℃，后模胶槽中的耐高温环氧树脂体系在前模胶槽的基础上加入了质量分数为3-5％的高岭土作为填料。浸胶后的玻璃纤维丝束和经过预固化成型的碳纤维芯层同时通过壳层集丝模板6，模板中有安装基板61，花键轴62，花键滑套63，壳层纤维集丝模板64，花键轴座65，花键轴升降丝杠66，升降轨67，其中花键轴62，花键滑套63，花键轴座65，花键轴升降丝杠66，升降轨67，可以随着该拉挤复合材料的运动而上下左右调节位置，从而保证芯层和壳层的截面是一个同轴圆。而且，壳层集丝模板6将壳层玻璃纤维均匀的分成8-12束，包覆在碳纤维预固化芯层周围，同时，壳层集丝模板6也会去除壳层玻璃纤维上的多余的树脂。完成集束和对中后，预成型拉挤复合材料的进入了后端高温成型加热模具7进行整体的固化，后端高温成型加热模具分为三个温度区间，一区为160℃，二区为180℃，三区为210℃，牵伸速率为800mm/min。成型后的拉挤复合材料经过后固化炉10，炉的长度为5m，温度为220℃。接下来该拉挤复合材料通过夹持装置被牵引机牵出。
该实现同轴结构的混杂纤维拉挤复合材料的拉伸强度为2450MPa，弹性模量为115.5GPa，弯曲强度为2050MPa，弯曲模量为95GPa，纤维体积分数为72％，用两点法测得其外圆的圆度公差为0.1mm，内圆的圆度公差为0.3mm。用V型支架法测得同轴度为φ0.5mm。通过动态热机械分析测得的玻璃化转变温度为210℃。
实施例2
实现同轴结构的混杂纤维拉挤复合材料的碳纤维芯层11采用中石油吉化公司的6K T300碳纤维，玻璃纤维壳层12采用法国圣戈班公司8K的E玻璃纤维，其中内部碳纤维芯层11的直径为6mm，该拉挤复合材料整体的直径为8mm，外部玻璃纤维壳层12的厚度为2mm。芯层和壳层的纤维体积分数约为65％。
如图3所示，芯层碳纤维1，从纱架上以一定的张力牵引出来，经过干燥器，在60-100℃的条件下去除表面的水分。接着芯层碳纤维通过分纱器分成20束纤维进入前模胶槽8，前模胶槽预热温度为70℃。前模胶槽中树脂为中高温环氧树脂体系，其中含有多官能度环氧树脂AG80，酸酐类固化剂甲基六氢苯酐，硬脂酸锌脱模剂，咪唑类促进剂1-甲基，2-乙基咪唑，它们的质量比是100∶80∶8∶1。芯层碳纤维1浸上树脂之后到达芯层集丝模板2，芯层集丝模板将均匀浸胶的碳纤维集合成一束，并且去除了碳纤维上多余的树脂。集束后的碳纤维进入了前端低温预成型加热模具4进行芯层的预固化，前端低温预成型加热模具分为三个温度区间，一区为100℃，二区为110℃，三区为130℃，牵伸速率为600mm/min。壳层的玻璃纤维3从纱架上被牵引出来，通过干燥器去除水分。接着壳层玻璃纤维通过壳层纤维分纱器5被分成16束纤维进入后模胶槽9。后模胶槽预热温度为90℃。浸胶后的玻璃纤维丝束和经过预固化成型的碳纤维芯层同时通过壳层集丝模板6，其结构和作用同实施例1，完成集束和对中后，预成型拉挤复合材料的进入了后端高温成型加热模具7进行整体的固化，后端高温成型加热模具分为三个温度区间，一区为140℃，二区为160℃，三区为180℃，牵伸速率为600mm/min。成型后的拉挤复合材料经过后固化炉10，炉的长度为5m，温度为185℃。接下来该拉挤复合材料通过夹持装置被牵引机牵出。
该实现同轴结构的混杂纤维拉挤复合材料的拉伸强度为2050MPa，弹性模量为102.5GPa，弯曲强度为1850MPa，弯曲模量为78GPa，纤维体积分数为68％，用两点法测得其外圆的圆度公差为0.1mm，内圆的圆度公差为0.2mm。用V型支架法测得同轴度为φ0.6mm。通过动态热机械分析测得的玻璃化转变温度为180℃。
实施例3
实现同轴结构的混杂纤维拉挤复合材料的碳纤维芯层11采用日本东丽公司的6K T300碳纤维，玻璃纤维壳层12采用欧文斯科宁公司8K的E玻璃纤维，其中内部碳纤维芯层的直径为8mm，该拉挤复合材料整体的直径为12mm，外部玻璃纤维壳层的厚度为4mm。芯层和壳层的纤维体积分数约为70％。
如图3所示，芯层碳纤维1，从纱架上以一定的张力牵引出来，经过干燥器，在80-100℃的条件下去除表面的水分。接着芯层碳纤维通过分纱器分成20束纤维进入前模胶槽8，前模胶槽预热温度为70℃。前模胶槽中树脂为中高温环氧树脂体系，其中含有天津津东化工厂的环氧树脂TDE85，酸酐类固化剂甲基四氢苯二酸酐，硬脂酸锌脱模剂，咪唑类促进剂DMP30，它们的质量比是100∶110∶8∶0.5。芯层碳纤维1浸上树脂之后到达芯层集丝模板2，芯层集丝模板将均匀浸胶的碳纤维集合成一束，并且去除了碳纤维上多余的树脂。集束后的碳纤维进入了前端低温预成型加热模具4进行芯层的预固化，前端低温预成型加热模具分为三个温度区间，一区为80℃，二区为100℃，三区为120℃，牵伸速率为500mm/min。壳层的玻璃纤维3从纱架上被牵引出来，通过干燥器去除水分。接着壳层玻璃纤维通过壳层纤维分纱器5被分成16束纤维进入后模胶槽9。后模胶槽预热温度为90℃。浸胶后的玻璃纤维丝束和经过预固化成型的碳纤维芯层同时通过壳层集丝模板6，其结构和作用同实施例1。完成集束和对中后，预成型拉挤复合材料的进入了后端高温成型加热模具7进行整体的固化，后端高温成型加热模具分为三个温度区间，一区为120℃，二区为130℃，三区为170℃，牵伸速率为500mm/min。成型后的拉挤复合材料经过后固化炉10，炉的长度为5m，温度为170℃。接下来该拉挤复合材料通过夹持装置被牵引机牵出。
该实现同轴结构的混杂纤维拉挤复合材料的拉伸强度为1950MPa，弹性模量为105.4GPa，弯曲强度为1700MPa，弯曲模量为70GPa，纤维体积分数为70％，用两点法测得其外圆的圆度公差为0.1mm，内圆的圆度公差为0.2mm。用V型支架法测得同轴度为φ0.5mm。通过动态热机械分析测得的玻璃化转变温度为165℃。
Claims (8)
1.一种混杂纤维拉挤复合材料的制造方法，该混杂纤维拉挤复合材料包括内部芯层和外部壳层，内部芯层由多束单向排列的碳纤维复合材料构成，外部壳层由多束单向排列的玻璃纤维复合材料构成，外部壳层均匀包覆在内部芯层之外，内部芯层和外部壳层截面为圆形，其特征是外部壳层沿轴向平行均匀分布在内部芯层周围，两层保持高度同轴，内部芯层直径为6-8mm，外部壳层厚度为2-4mm；其特征是该方法包括以下步骤：将碳纤维经过分纱、浸胶、集束后，进行预固化，形成碳纤维芯层；将玻璃纤维经过分纱、浸胶；将浸胶后的玻璃纤维和经过预固化的碳纤维芯层通过集束、同轴调节后，玻璃纤维均匀包覆在经过预固化的碳纤维芯层周围，形成预成型拉挤复合材料，然后进行固化、后固化处理，牵引拔出。
2.根据权利要求1所述的制造混杂纤维拉挤复合材料的方法，其特征在于碳纤维和玻璃纤维在分纱前经过干燥处理。
3.根据权利要求1或2所述的制造混杂纤维拉挤复合材料的方法，其特征在于后固化处理的温度为180-240℃。
4.根据权利要求1或2所述的制造混杂纤维拉挤复合材料的方法，其特征在于碳纤维浸胶时使用树脂体系，该树脂体系含有环氧树脂、固化剂、脱模剂、促进剂。
5.根据权利要求1或2所述的制造混杂纤维拉挤复合材料的方法，其特征在于玻璃纤维浸胶时使用树脂体系，该树脂体系含有环氧树脂、固化剂、脱模剂、促进剂和填充剂。
6.根据权利要求1或2所述的制造混杂纤维拉挤复合材料的方法，其特征在于碳纤维预固化时通过三个温区进行，温度分别为：80-120℃、100-130℃和120-150℃，碳纤维的移动速度为500-800mm/min。
7.根据权利要求6所述的制造混杂纤维拉挤复合材料的方法，其特征在于所述预成型拉挤复合材料进行固化时，通过三个温区进行，温度分别为：120-160℃、130-180℃和170-210℃，玻璃纤维的移动速度与碳纤维的移动速度一致。
8.一种混杂纤维拉挤复合材料的制造装置，其包括分纱器、芯层集丝模板、壳层集丝模板，其特征是所述壳层集丝模板上设有同轴调节装置，所述同轴调节装置包括花键轴、花键滑套、花键轴座、花键轴升降丝杠、升降轨。
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