CN102261193A - 一种输电线路用复合材料横担及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电线路用复合材料横担及其制备方法，属输电杆配套构件领域。该输电线路用复合材料横担结构呈圆柱形实心结构，该圆柱形实心结构由内至外分为三层，芯层、中间层和外层；其中，芯层为一拉挤成型的复合材料实心棒；在该实心棒的外表面缠绕玻璃纤维树脂基复合材料构成的中间层；在中间层外面包覆一层由伞裙构成的外层。其制备方法包括：由玻璃纤维增强热固性树脂拉挤成型芯层的步骤；玻璃纤维缠绕树脂基复合材料构成中间层的步骤；中间层外包覆一层伞裙构成外层的步骤。利用本方法制备的横担，其质量轻、绝缘性和耐老化性能好、应用于实际线路上可有效提高其安全系数，方便安装并可降低成本。

Description

一种输电线路用复合材料横担及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种输电线路用复合材料横担及其制备方法，属输电线路配套构件领域。

背景技术

在电力设施领域，输电线路用横担是输电杆重要的配套结构件，横担的一端与输电杆主体相连接，另一端挂输电导线。传统的横担通常采用铁横担和木横担，铁横担和木横担在长期运行中暴露出各种各样的问题，普遍存在质量重、易腐烂、锈蚀或开裂，耐久性、阻燃性及绝缘性能差，强度低、使用寿命较短，施工运输和运行维护困难，即耗费材料又使操作人员的劳动强度增大；还会出现各种安全隐患。为了解决现有技术中的横担绝缘性能差，使用寿命短的缺陷，已有用复合材料加工而成的玻璃钢横担，该横担所采用的纤维增强树脂基复合材料（以下简称FRP）具有强度高、质量轻、耐腐蚀以及耐疲劳性能、耐久性能和电绝缘性能好、性能可设计等特点，用这种玻璃钢横担替代铁横担和木横担，提高了横担的电绝缘性能，解决了铁横担与木横担出现的各种缺陷。由于玻璃钢横担采用空心结构，即横担芯层采用空心玻璃钢管，在里面填充有绝缘的惰性气体，在挂线运行一段时间后，会出现不同程度的击穿现象，为输电线路的安全运行埋下隐患，因此，在未完全解决此类击穿现象之前，空心复合材料横担将无法得到推广实施。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种可满足承受荷载作用下绝缘性能良好、结构的刚度提高，并可解决击穿现象的适用于输电线路用复合材料横担的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种输电线路用复合材料横担，其特点为：该横担为圆柱形实心结构；所述圆柱形实心结构由内至外分设为芯层、中间层和外层；其中，芯层为拉挤成型的复合材料实心棒，其外表面为螺纹状；中间层为分别浸渍有热固性树脂基体胶液的玻璃纤维纱和玻璃纤维单向布复合固化而成；其中，玻璃纤维纱沿所述芯层外表面的螺纹面均匀缠绕；玻璃纤维单向布在该玻璃纤维纱层外表面的局部缠绕；所述外层为伞裙状，该伞裙状利用外设的模具由灌注至内的柔性环氧树脂胶液固化在所述中间层外表面构成。

上述的复合材料实心棒的直径为100～130mm，其外表的螺纹深度为1～2mm；上述的中间层，玻璃纤维纱的缠绕厚度为15～18mm；玻璃纤维单向布为4～6块，每块的平面规格为400mm×400mm、厚度为0.5～0.8mm；该玻璃纤维单向布的缠绕位置位于由玻璃纤维纱缠绕形成的横担根部距其端头400～800mm段或410～810mm段；所述中间层该段的厚度为18～23mm。

上述热固性树脂基体胶液的重量组份为：乙烯基酯树脂90～100份，固化剂1～3份，促进剂0.2～1.5份，消泡剂0.1～0.5份。

上述的柔性环氧树脂胶液由柔性环氧树脂90～100重量份，固化剂140～170重量份混合而成。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种上述输电线路用复合材料横担的制备方法，包括步骤如下：

1）利用拉挤成型法拉挤成型为该复合材料横担的芯层，该芯层为复合材料实心棒；其直径为100～130mm；再将复合材料实心棒的外表面加工成螺纹状，其螺纹深度为1～2mm；

2）在步骤1）成型的螺纹面上，先均匀缠绕浸渍有热固性树脂基体胶液的玻璃纤维纱；再在该玻璃纤维纱外表面的局部缠绕浸渍有热固性树脂基体胶液的玻璃纤维单向布；所述玻璃纤维纱和玻璃纤维单向布的缠绕的张力均为16～35kg；然后将其放入一旋转固化炉内经低速旋转烘干、固化构成该复合材料横担的中间层；其中，旋转固化炉的旋转速度为15～30r/min；固化温度为90～120℃；固化时间为2～6小时；

3）将步骤2）成型的中间层固装于一伞群状的模具中部，向模具内腔与所述中间层外表面之间注入低粘度的柔性环氧树脂胶液，然后以1～3℃/min的升温速率对该模具加热，在120～160℃的温度下固化3～6h；在所述中间层外表面上构成所述复合材料横担的外层。

上述步骤2）玻璃纤维纱的缠绕厚度为15～18mm；玻璃纤维单向布取4～6块，每块的规格为400mm×400mm、厚度为0.5～0.8mm；所述玻璃纤维单向布的缠绕位置位于所述玻璃纤维纱缠绕的横担根部距端头400～800mm段或410～810mm段；所述中间层的缠绕厚度为18～23mm。

上述步骤2）所用的热固性树脂基体胶液的重量组份为：乙烯基酯树脂90～100份，固化剂1～3份，促进剂0.2～1.5份，消泡剂0.1～0.5份。

上述步骤3）所用的低粘度的柔性环氧树脂胶液是由柔性环氧树脂90～100重量份，固化剂140～170重量份的配比混合，在50～60℃的温度下加热搅拌40～60分钟，然后保温15～30分钟后加工而成。

步骤3）向模具内注入上述低粘度的柔性环氧树脂胶液的注入压力为0.3～0.5MPa，注入流速为0.01～0.03m/s。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果如下：1）本发明以拉挤成型的复合材料实心棒为基础，其外表面缠绕有浸渍过热固性树脂基体胶液的玻璃纤维纱和玻璃纤维单向布成型且具有增强作用的中间层以及在中间层外表面成型的外层，构成的复合材料横担，具有玻璃钢材料质量轻、强度高的特点，同时，实心结构的设置也解决了现有的玻璃钢横担易被击穿的不足；2）在缠绕成型前，对实心棒外表面进行处理，加工成螺纹状，在螺纹状表面缠绕浸渍过热固性树脂基体胶液的玻璃纤维纱，可有效避免横担芯层和中间层分层现象的发生，提高了横担整体的强度；同时，拉挤成型的实心棒及缠绕成型的中间层的弹性模量稳定，强度高，可有效承受工程线路中的各种载荷。3）在满足横担应用条件下降低了横担的结构重量，同时提高了该横担对刚度的要求；有效改善了传统横担的重量重、绝缘性差的缺陷。4）实心复合材料横担经过长时间运行后，与空心结构的横担相比，解决了其芯材容易从内部击穿的安全隐患。5）在本发明所述的复合材料横担的中间层外面还包覆有一层伞裙，提高了复合材料横担的整体绝缘性能，并且该伞裙与传统的硅橡胶伞裙相比，耐老化性能更好。

附图说明

图1为本发明复合材料横担轴向截面的结构示意图。

 图2为本发明复合材料横担外层伞裙的结构示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明的输电线路用复合材料横担，为圆柱形实心结构，由芯层1，中间层2，外层3组合而成；其中，芯层1为拉挤成型的复合材料实心棒，其外表为螺纹状；中间层2由在螺纹状表面缠绕一定厚度的浸渍有热固性树脂基体胶液的玻璃纤维纱，再在其外表面的局部位置上铺若干层玻璃纤维单向布复合而成；外层3为伞裙状，该伞裙状利用外设的模具由灌注至内的柔性环氧树脂胶液固化在中间层2的外表面构成。

其中，浸渍有热固性树脂基体胶液的玻璃纤维缠绕纱和玻璃纤维单向布的缠绕张力均为16～35kg，浸渍有热固性树脂基体胶液的玻璃纤维纱的缠绕厚度为15～18mm；浸渍有热固性树脂基体胶液的玻璃纤维单向布为4～6块，每块规格为400mm×400mm，其厚度为0.5～0.8mm；所用的热固性树脂基体胶液由下列重量组份的材料混合搅拌而成：乙烯基酯树脂90～100份，固化剂1～3份，促进剂0.2～1.5份，消泡剂0.1～0.5份。

所用的柔性环氧树脂胶液由柔性环氧树脂90～100重量份，固化剂140～170重量份混合而成。

同时，本发明还提供了上述输电线路用复合材料横担的制备方法，该方法包括如下步骤：

1）利用拉挤成型法拉挤成型该复合材料横担的芯层1，该芯层1为复合材料实心棒；其直径为100～130mm；然后，对复合材料实心棒的外表面进行处理，利用车床将其表面加工成螺纹状，其螺纹深度为1～2mm； 

2）在步骤1）复合材料实心棒的螺纹面上，先均匀缠绕浸渍有热固性树脂基体胶液的玻璃纤维纱；再在该玻璃纤维纱外表面的局部缠绕浸渍有热固性树脂基体胶液的玻璃纤维单向布；玻璃纤维纱和玻璃纤维单向布的缠绕的张力均为16～35kg；然后将其放入一旋转固化炉内经低速旋转烘干、固化构成该复合材料横担的中间层；其中，旋转固化炉的旋转速度为15～30r/min；固化温度为90～120℃；固化时间为2～6小时；

其中，玻璃纤维纱的缠绕厚度为15～18mm；玻璃纤维单向布取4～6块，每块的规格为400mm×400mm、厚度为0.5～0.8mm；上述玻璃纤维单向布的缠绕位置位于由玻璃纤维纱缠绕的横担根部距端头400～800mm段或410～810mm段；构成复合材料中间层的缠绕厚度为18～23mm。

由于玻璃纤维纱内含有水分，在用玻璃纤维纱在缠绕之前，还需将所用的玻璃纤维纱放入一烘箱内进行烘烤，其目的是去除玻璃纤维纱中水分，增加纤维纱和树脂的浸润性；烘箱的烘烤温度为50℃～70℃，烘烤时间为20～36小时；玻璃纤维纱的缠绕可选用满足最大缠绕长度3m以上的任意一种缠绕设备；

当玻璃纤维纱缠绕至13～16mm的厚度时，将预先按照400×400mm规格裁好的4～6块玻璃纤维单向布在热固性树脂基体胶液中充分浸渍，待玻璃纤维纱缠绕至15～18mm后，再将玻璃纤维单向布在该横担根部距离端头400mm～410mm处，按照玻璃纤维单向布中纤维方向平行于横担轴心的方向，依次将4～6块厚度为0.5～0.8mm的玻璃纤维单向布均匀地缠绕在该玻璃纤维纱的外表面，缠绕至横担根部距离端头800～810mm处；构成其中间层2。玻璃纤维单向布缠绕所用的缠绕设备与上述玻璃纤维纱缠绕所用的设备要求相同。

浸渍玻璃纤维纱和玻璃纤维单向布所用的热固性树脂基体胶液的组成（重量份数）为：乙烯基酯树脂90～100份，固化剂1～3份，促进剂0.2～1.5份，消泡剂0.1～0.5份。其中，乙烯基酯树脂选用MEF-2树脂，固化剂选用过氧化甲乙酮，促进剂选用环烷酸钴液，消泡剂可选用BYK-530；上述产品均为市售产品。

所用的旋转固化炉为满足最大加热长度3m以上的任意一种市售的旋转固化炉，该旋转固化炉的旋转工装与外设的电机连接，通过驱动电机带动固化炉内的旋转工装实现其旋转固化。

3）将步骤2）成型的中间层2固定在一伞群状模具的中部，由该模具的注入口向模具空腔至中间层2的外表面之间的空隙处注入低粘度的柔性环氧树脂胶液，然后以1～3℃/min的升温速率对该模具加热，在120～160℃的温度下固化3～6h，构成其复合材料横担的外层3。

具体操作为：

A、将成型后的中间层2通过一个定位工装固定在一预制的伞裙模具中，所用的定位工装为常规定位工具，伞裙模具为封闭设置，且留有与其空腔相通的注胶口和出胶口；伞裙模具的中部设有电加热棒；

B、配制低粘度的柔性环氧树脂胶液，取柔性环氧树脂90～100重量份，固化剂140～170重量份投入至搅拌器内，将搅拌器加热到50～60℃，加热时间为40～60分钟，搅拌均匀成柔性环氧树脂胶液，然后保温15～30分钟，以便降低树脂胶液的粘度；同时，将伞群模具的电加热棒通电后加热，通电后使该伞群模具升温至50～60℃；

C、完成步骤A和步骤B后，由空气压缩机将所用的低粘度柔性环氧树脂胶液通过注胶口注入到伞群模具的空腔中，直至出胶口有胶液溢出，空腔注满为止。整个注胶过程中，注入压力保持在0.3～0.5MPa，注入流速保持在0.01～0.03m/s；

D、在完成步骤C后，关闭出胶口阀门，注胶口压力仍然保持在0.3～0.5MPa；

E、在步骤D进行的同时，将伞群模具以1～3℃/min的升温速率加热至120～160℃，固化3～6h，以使低粘度的柔性环氧树脂胶液固化成型为伞群形状的外层3。

所用的柔性环氧树脂选用美国亨斯曼公司生产的Araldite XB5829柔性环氧树脂；除此之外，还可选用国都化工有限公司生产的型号为KSR-1000的环氧树脂或其它耐电痕化效果好的柔性环氧树脂。所用的固化剂选用美国亨斯曼公司生产，型号为Araldite XB5830固化剂。除此之外，还可选用张家港卡邦新材料有限公司生产的DUR-910固化剂。

以下通过具体实例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实例1：

本发明复合材料横担由内至外分为芯层、中间层和外层；具体成型步骤如下：

1）用常规的拉挤成型法拉挤成型为芯层，该芯层的材质由乙烯基酯树脂和玻璃纤维纱混合而成，拉挤成复合材料实心棒；其直径为100mm；再对复合材料实心棒的外表面进行处理，利用普通车床将其表面加工成螺纹状，其螺纹深度为1mm；

2）在步骤1）复合材料实心棒的螺纹面上，先均匀缠绕浸渍有热固性树脂基体胶液的玻璃纤维纱；为了去除玻璃纤维纱中水分，增加纤维纱和树脂的浸润性，玻璃纤维纱在缠绕之前，需先放入烘箱内进行烘烤；烘烤温度为50℃，烘烤时间为20小时；将烘烤后的玻璃纤维纱由常规的缠绕机缠绕在该实心棒的螺纹面上；本实例中所用的缠绕设备可选用满足最大缠绕长度3m以上任意一种缠绕设备，缠绕设备的缠绕的张力为16kg；

为了加强该复合材料横担的根部强度，当玻璃纤维纱缠绕至13mm的厚度时，将预先按照400mm×400mm规格裁好的4块厚度为0.5mm的玻璃纤维单向布在热固性树脂基体胶液中充分浸渍，待玻璃纤维纱缠绕至15mm厚度后，再将浸渍好的玻璃纤维单向布在该横担由根部距其端头400mm～800mm处，按照玻璃纤维单向布中纤维方向平行于该横担轴心的方向，依次将4块厚度为0.5mm的玻璃纤维单向布均匀地缠绕在该处的玻璃纤维纱外表面上；然后将其放入一旋转固化炉内，经低速旋转烘干固化构成该复合材料横担的中间层；其中，所用的旋转固化炉，其旋转速度为15r/min，固化温度为90℃，固化时间为2小时；构成厚度为18mm的中间层2。

浸渍玻璃纤维纱和浸渍玻璃纤维单向布所用的热固性树脂基体胶液的组成（重量份数）为：MEF-2乙烯基酯树脂90份，过氧化甲乙酮固化剂1份，环烷酸钴液促进剂0.2份，BYK-530消泡剂0.1份；

烘干、固化用的旋转固化炉可选用满足最大加热长度3m以上的任意一种市售的旋转固化炉，该旋转固化炉的旋转工装与外设的电机连接，通过驱动电机带动固化炉内的旋转工装旋转实现其旋转固化。

3）将步骤2）成型的中间层2固定在一伞群状的模具中，向该模具的注入口内注入低粘度的柔性环氧树脂胶液，然后以1℃/min的升温速率对该模具加热，在120℃的温度下固化3h构成所述复合材料横担的外层3。

具体操作为：

A、将成型后的中间层2通过一个定位工装固定在一预制的伞裙模具中，该伞裙模具为封闭设置，且留有与其空腔相通的注胶口和出胶口；在该伞裙模具的中部设有可通电的加热棒；

B、配制低粘度的柔性环氧树脂胶液，取美国亨斯曼公司生产的Araldite XB5829柔性环氧树脂90重量份， Araldite XB5830固化剂140重量份投入至搅拌器内，将搅拌器加热到50℃，加热时间为40分钟，搅拌均匀成柔性环氧树脂胶液，然后保温15分钟，以便降低树脂胶液的粘度；同时，通电将伞群模具加热，其温度达到50℃；

C、完成步骤A和步骤B后，通过空气压缩机将低粘度的柔性环氧树脂胶液通过注胶口注入到伞群模具的空腔中，直至出胶口有胶液溢出，空腔注满为止。整个注胶过程中，注入压力保持在0.3MPa，注入流速保持在0.01m/s；

D、在完成步骤C后，关闭出胶口阀门，注胶口压力仍然保持在0.3MPa。

 实例2：

具体成型步骤与实例1基本相同，其不同点在于：

1）芯层表面的螺纹深度为2mm； 

2）玻璃纤维纱在烘箱内有烘烤温度为70℃，烘烤时间为36小时；其缠绕张力为35kg；

当玻璃纤维纱缠绕至15mm的厚度时，将预先按照400×400mm规格裁好的6块玻璃纤维单向布在热固性树脂基体胶液中充分浸渍，待玻璃纤维纱缠绕至18mm厚度后，再将玻璃纤维单向布在该横担根部距其端头410mm～810mm处，按照玻璃纤维单向布中纤维方向平行于横担轴心的方向，依次将6块厚度为0.8mm的玻璃纤维单向布均匀地缠绕在其玻璃纤维纱的表面上；所用的旋转固化炉的旋转速度为30r/min；固化温度为120℃；固化时间为5小时；构成厚度为23mm的中间层2。浸渍玻璃纤维纱和浸渍玻璃纤维单向布所用的热固性树脂基体胶液的组成（重量份数）为：MEF-2乙烯基酯树脂100份，过氧化甲乙酮固化剂3份，环烷酸钴液促进剂1.5份，BYK-530消泡剂0.5份； 

3）将固定有中间层2的伞裙模具以3℃/min的升温速率加热，在160℃的温度下固化6h构成所述复合材料横担的外层3。

具体操作为：

A、将成型后的中间层2通过一个定位工装固定在一预制的伞裙模具中，该伞裙模具为封闭设置，且留有与其空腔相通的注胶口和出胶口；在该伞裙模具的中部设有可通电的加热棒；

B、配制低粘度的柔性环氧树脂胶液，柔性环氧树脂取美国亨斯曼公司生产，其型号为Araldite XB5829柔性环氧树脂100重量份，Araldite XB5830固化剂170重量份投入至搅拌器内，将搅拌器加热到60℃，加热时间为60分钟，搅拌均匀成柔性环氧树脂胶液，然后保温30分钟，以便降低树脂胶液的粘度；同时，将伞群模具内设的电加热棒通电加热，温度达到60℃；

C、整个注胶过程中，注入压力保持在0.5MPa，注入流速保持在0.03m/s；

D、在完成步骤C后，关闭出胶口阀门，注胶口压力仍然保持在0.5MPa。 

Claims (10)

1.一种输电线路用复合材料横担，其特征在于：该横担为圆柱形实心结构；所述圆柱形实心结构由内至外分设为芯层、中间层和外层；其中，芯层为拉挤成型的复合材料实心棒，其外表面为螺纹状；中间层为分别浸渍有热固性树脂基体胶液的玻璃纤维纱和玻璃纤维单向布复合固化而成；其中，玻璃纤维纱沿所述芯层外表面的螺纹面均匀缠绕；玻璃纤维单向布在该玻璃纤维纱层外表面的局部缠绕；所述外层为伞裙状，该伞裙状利用外设的模具由灌注至内的柔性环氧树脂胶液固化在所述中间层外表面上构成。

2.根据权利要求1所述的输电线路用复合材料横担，其特征在于：所述复合材料实心棒的直径为100～130mm，其外表面螺纹的深度为1～2mm；所述玻璃纤维纱的缠绕厚度为15～18mm；所述玻璃纤维单向布为4～6块，每块的平面规格为400mm×400mm、厚度为0.5～0.8mm；所述玻璃纤维单向布的缠绕位置位于所述横担根部距其端头400～800mm段或410～810mm段；所述中间层的厚度为18～23mm。

3.根据权利要求1所述的输电线路用复合材料横担，其特征在于：所述热固性树脂基体胶液的重量组份为：乙烯基酯树脂90～100份，固化剂1～3份，促进剂0.2～1.5份，消泡剂0.1～0.5份。

4.根据权利要求1～3任一项所述的输电线路用复合材料横担，其特征在于：所述柔性环氧树脂胶液由柔性环氧树脂90～100重量份，固化剂140～170重量份混合而成。

5.一种输电线路用复合材料横担的制备方法，该横担为圆柱形实心结构，由内至外分设为芯层、中间层和外层；其制备步骤如下：

1）利用拉挤成型法成型所述芯层，该芯层为复合材料实心棒；将所述复合材料实心棒的外表面加工成螺纹状；

2）在步骤1）成型的螺纹面上，先均匀缠绕浸渍有热固性树脂基体胶液的玻璃纤维纱；再在该玻璃纤维纱外表面的局部缠绕浸渍有热固性树脂基体胶液的玻璃纤维单向布；所述玻璃纤维纱和玻璃纤维单向布的缠绕的张力均为16～35kg；然后将其放入一旋转固化炉内经低速旋转烘干、固化构成该复合材料横担的中间层；其中，旋转固化炉的旋转速度为15～30r/min；固化温度为90～120℃；固化时间为2～6小时；

3）将步骤2）成型的中间层固装于一伞群状的模具中部，向模具内腔与所述中间层外表面之间注入低粘度的柔性环氧树脂胶液，然后以1～3℃/min的升温速率对该模具加热，在120～160℃的温度下固化3～6h；在所述中间层外表面上构成所述复合材料横担的外层。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述复合材料实心棒的直径为100～130mm，其表面螺纹的深度为1～2mm；所述玻璃纤维纱的缠绕厚度为15～18mm；所述玻璃纤维单向布为4～6块，每块的规格为400mm×400mm、厚度为0.5～0.8mm；所述玻璃纤维单向布的缠绕位置位于所述玻璃纤维纱缠绕的横担根部距端头400～800mm段或410～810mm段；所述中间层的缠绕厚度为18～23mm。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：在步骤2）缠绕步骤之前，还有对所用的玻璃纤维纱进行烘烤的步骤；其中，烘烤温度为50℃～70℃，烘烤时间为20～36小时。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：步骤2）所述热固性树脂基体胶液的组份为：乙烯基酯树脂90～100重量份，固化剂1～3份，促进剂0.2～1.5份，消泡剂0.1～0.5份。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：步骤3）所述低粘度的柔性环氧树脂胶液是由柔性环氧树脂90～100重量份，固化剂140～170重量份的配比混合，在50～60℃的温度下加热搅拌40～60分钟，然后保温15～30分钟后加工而成。

10.根据权利要求5～9任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤3）向模具内注入所述低粘度的柔性环氧树脂胶液的注入压力为0.3～0.5MPa，注入流速为0.01～0.03m/s。

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