CN102504523A - 一种高韧性聚氨酯复合绝缘子芯棒及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高韧性聚氨酯复合绝缘子芯棒及其制备方法，属于电力电网输电线路用绝缘子芯棒领域。芯棒采用快速拉挤工艺制备，在保证抗拉强度的前提下，韧性提高，可以有效解决复合绝缘子芯棒只能悬垂式使用、施工人员不能踩踏的问题。本发明芯棒力学性能、电学性能满足实际应用的前提下，具有成型速度快，生产效率高，抗老化性能好，疲劳寿命长的特点，可以降低绝缘子芯棒脆性断裂事故发生率，并扩展复合绝缘子在输电线路耐张串中的应用。

Description

一种高韧性聚氨酯复合绝缘子芯棒及其制备方法

技术领域

本发明属于电力电网输电线路用绝缘子芯棒领域，具体涉及一种高韧性聚氨酯复合绝缘子芯棒及其制备方法。

背景技术

复合绝缘子是一种性能优异的绝缘控件，在架空输电线路中起到重要作用，复合绝缘子主要包括部分：树脂基复合材料芯棒、合成材料护套、金具和硅橡胶伞套，其中芯棒起到内绝缘和传递机械负荷的作用，硅橡胶伞套起外绝缘作用，金具起两端连接的作用，其中芯棒作用最为重要。芯棒有实心芯棒和空心芯棒两种，其中实心芯棒又包括悬挂复合绝缘子、柱式复合绝缘子和弯壁复合绝缘子。复合绝缘子具有重量轻，便于安装；机械强度高，不易破碎；抗震性能优异，耐污性能好的优点。

现有的复合绝缘子芯棒普遍采用树脂/玻璃纤维复合材料，经过连续拉挤工艺制造而成。连续拉挤工艺包括导纱工序、在经牵引机牵引浸胶单元浸胶、在成型模具加热成型、二次表面固化去、连续拉挤出模。其中，纤维由丝筒经导纱机构进入胶槽浸胶，浸胶后的纤维进入热的模具中固化出模；在固化成型过程中，热量是通过模压机热板传送到固定形状的模具上。这种芯棒存在一个方向的玻纤受力，从而使芯棒拉伸强度高，而弯曲性能较差。

玻璃纤维复合材料芯棒弯曲性能较差，易断折的问题主要原因是树脂材料的脆性较大，韧性不足引起，目前普遍采用的环氧树脂和聚酯材料均有此类问题发生，因此我国复合绝缘子芯棒不能水平使用，严禁踩踏，这些大大限制了复合绝缘子的应用空间。例如2011年的一件新申请，申请号为CN201110041482.1、发明名称为“免维护高压悬式绝缘子”的发明专利申请，即公开了一种悬式绝缘子，悬式绝缘子对弯曲性能的要求不高。

为解决上述芯棒存在的问题，可以在制备工艺和成分改进两方面对芯棒的韧性进行改善。工艺改善方面，申请号为CN200710019143.7，发明名称为“一种有机复合绝缘子芯棒的制造方法”的专利，为了解决

芯棒横向的耐热强度达不到有机复合绝缘子硫化工艺的要求，公开了一种动态真空浸胶拉挤工艺，该工艺可提高绝缘芯棒横向的耐热下的保留强度值，保证芯棒的横向的耐热强度。其工艺步骤为：a.将分散的玻纤纱输送至一个盛有树脂胶的胶槽中进行第一次浸胶；b.将第一次浸胶后的玻纤纱输送至一个前后分别开有进纱、出纱口的封闭箱体中进行抽真空预成型；c.将抽真空预成型的玻纤纱输送至拉挤模具，经拉挤模具挤压变为成型芯棒；d.将成型芯棒通过一个固化加热装置固化后，输送至切割机，最后切断成所需要的长度的芯棒产品，其中的树脂材料包括环氧树脂和聚酯材料；此工艺制得芯棒的横向力学性能提高10-30％。工艺在真空下进行，生产过程需要对相关设备进行密封抽真空，这对芯棒的大规模生产有一定的阻碍。

又如申请号为CN200510042803.4、发明名称为“用玻璃纤维浸渍树脂基缠绕式复合绝缘子芯棒及制备方法”的发明专利，提供一种电力电网输电线路高压用芯棒，该发明专利采用外层缠绕玻纤提高绝缘子芯棒弯曲性能，树脂采用环氧树脂。

要更为有效的解决芯棒弯曲性能较差，易断折的问题，在成分设计方面，开发高韧性树脂体系是一条有效途径，且芯棒成分的改善不会增加制备工艺难度。目前，针对高韧性树脂制作的复合绝缘子芯棒，尚未见报道。

发明内容

本发明目的在于提供一种高韧性聚氨酯复合绝缘子芯棒及其制备方法，在保证芯棒抗拉强度的前提下，芯棒韧性提高，可以有效解决复合绝缘子芯棒只能悬式使用的问题，水平放置的芯棒在承受人体重量的铅垂载荷时不折断；本发明的制备方法可实现快速生产。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：

一种高韧性聚氨酯复合绝缘子芯棒，其改进之处在于所述芯棒的材料为聚氨酯树脂和玻璃纤维复合材料；所述聚氨酯树脂为化学计量配比的异氰酸酯和聚醚多元醇，所述异氰酸酯为选自二苯甲烷二异氰酸酯、二苯甲烷二异氰酸酯的聚合物异构体中的一种或两种；所述玻璃纤维包括无捻玻璃纤维或无纬玻纤布。

其中：聚氨酯树脂中引入扩链剂，所述扩链剂为任意选自丙三醇、三羟基甲基丙烷、有机硅或聚酰亚胺环中的一种或多种。

其中：至少一种所述聚醚多元醇的官能度为3。

其中：所述无捻玻璃纤维的丝束为3k-48k。

其中：所述无捻玻璃纤维的丝束为12k或24k。

一种制备如权利要求1所述芯棒的方法，其改进之处在于所述方法包括如下步骤：

1)将异氰酸酯和聚醚多元醇100℃-120℃真空脱水3-4h，扩链剂80℃-100℃真空脱水2-3h；

2)过量的异氰酸酯中高速搅拌加入聚醚多元醇形成A组分，真空脱气3-5分钟，；

3)扩链剂，聚醚多元醇和填料高速搅拌混合后形成B组分，其中填料为有机累托石或纳米二氧化钛；

4)真空混料设备真空度为-0.1Mpa，A，B组分在混料设备中快速混合3-5分钟；

5)将玻璃纤维进行除尘、防潮处理后平铺于温度为的可冷却胶槽底部，其中除潮温度为110℃-130℃，胶槽温度为3℃-8℃；

6)除穿纱孔外，胶槽内为密封结构，通入一定正压力惰性气体进行保护；

7)A，B组分混合均匀后，聚氨酯树脂从真空混料设备出料口加入铺有玻璃纤维的胶槽，为加速聚氨酯快速浸润玻璃纤维表面，胶槽底部放置高频机械振动发生装置，振动频率为300-500Hz；

8)将步骤7中经浸渍的玻璃纤维匀速牵引通过芯棒成型模具和高温固化箱；其中：

牵引速度为1-3m/min，

成型模具长度为0.5-1m，温度为120-180℃，

高温固化箱长度为3-5m，温度为120℃-160℃。

其中：所述牵引速度优选1.5-2m/min。

其中：所述高温固化箱的温度优选130℃-150℃。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

1)该芯棒在满足现有芯棒的基体要求外，还具有韧性高，抗弯折能力强的优点

本发明用于制备芯棒的材料为聚氨酯/玻璃纤维复合材料，聚氨酯/玻璃纤维复合材料缺口试样简支梁冲击强度(锤7.5J)为140-170KJ/m²之间，而传统的芯棒制备材料环氧树脂/玻璃纤维，其缺口试样简支梁冲击强度(锤7.5J)为80-110KJ/m²之间，采用聚氨酯/玻璃纤维复合材料制备的芯棒，具有高韧性，抗弯折能力强的优点；

2)耐高温性能优良，

为了提高芯棒材料聚氨酯树脂的耐高温性能，在聚氨酯中引入内聚能较高，热稳定性较好的有机杂环基团或扩链剂，主要包括丙三醇、三羟基甲基丙烷，有机硅或聚酰亚胺环等基团；

3)疲劳寿命长，聚氨酯复合材料芯棒在90％静应力水平下经历1*10⁹机械疲劳之后，没有发生机械性能衰减，可视为无限疲劳寿命。

4)生产速度快，利于工业化生产

本发明制备方法中通过对成型模具和固化成型装置长度的合理设计，配合成型温度和固化温度，使得牵引装置的牵引速度达到1-3m/min，相比于传统生产工艺中小于1m/min的牵引速度，本发明制备方法的生产效率显著提高。

具体实施方式

下面结合实例对本发明进行详细的说明。

本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提供一种高韧性聚氨酯树脂/玻璃纤维复合绝缘子芯棒制备技术，该芯棒满足现有芯棒的基体要求外，还具有韧性高，抗弯折能力强，疲劳寿命长，生产速度快等特点。其中复合绝缘子芯棒采用聚氨酯树脂/玻璃纤维材料，材料的具体组分如下。

聚氨酯树脂包括异氰酸脂组分：二苯甲烷二异氰酸酯、二苯甲烷二异氰酸酯的聚合物异构体及他们的组合；至少一种官能度为3的聚醚多元醇，二者为化学剂量配比。为了提高聚氨酯树脂的耐高温性能，需要在聚氨酯中引入内聚能较高，热稳定性较好的有机杂环基团或扩链剂，主要包括丙三醇、三羟基甲基丙烷，有机硅或聚酰亚胺环等基团。

玻璃纤维可采用高强度耐酸无捻玻璃纤维或无纬玻纤布，无捻纤维丝束数可采用3k-48k，最好采用12k或者24k。纤维布可采用单层或双层在单向无捻纤维布外层进行缠绕成型。

成型模具表面通过化学气相沉积工艺制备了类金刚石耐磨自润滑涂层，因此可以不使用脱模剂。其中类金刚石的每个原子都以SP3杂化轨道与另外的原子形成共价键，具有与金刚石相类似的正四面体结构。类金刚石具有很高的硬度、高导热性、高绝缘性、良好的化学稳定性、从红外到紫外的高光学透过率等。

复合绝缘子芯棒采用复合材料拉挤工艺制备而成。经过除尘、除潮处理的玻璃纤维平铺于胶槽底部，聚氨酯树脂经过精确计量真空混料设备按照双组分质量配比进行快速混合后，经过出料口进入胶槽浸渍玻璃纤维。充分浸渍的玻璃纤维在牵引装置的牵引下匀速通过加热后芯棒成型模具，然后再经过高温固化箱进行后固化处理。

玻璃纤维除潮温度为110℃-130℃；

牵引速度为1-3米/分钟，最好选择1.5米到2米/分钟；

成型模具长度为0.5到1米，成型模具温度为120-150℃；

高温固化箱长度为3-5米，温度可取100℃到160℃之间，最好选择130℃到140℃。

[实施例1]

本实施例的聚氨酯/玻璃纤维绝缘子芯棒制备工艺为：

聚胺酯原料采用4，4-二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)聚醚多元醇，110度真空脱水3小时，交联扩链剂采用三羟基甲基丙烷，90度真空脱水2h。真空混料设备中加入过量的4，4-二苯甲烷二异氰酸酯，搅拌下加入聚醚多元醇反应0.5h形成A组分，真空脱气，再将聚醚多元醇，交联扩链剂三羟基甲基丙烷均匀脱气后混成形成B组分，AB两者混合3分钟后从出料口进入胶槽，胶槽温度冷却保持5℃低温状态，玻璃纤维在振动胶槽中经过充分浸渍后，由牵引装置快速引入170℃，直径18mm的成型模具内进行固化成型，然后通过160℃高温后处理提高固化度。

[实施例2]

本实施例的聚氨酯/玻璃纤维绝缘子芯棒制备工艺为：

聚胺酯原料采用4-4二环己基甲烷二异氰酸酯，聚醚多元醇，110度真空脱水3.5小时，交联扩链剂采用丙三醇，90度真空脱水2.5h。真空混料设备中加入过量的4-4二环己基甲烷二异氰酸酯，搅拌下加入聚醚多元醇反应0.2h形成A组分，真空脱气，再将聚醚多元醇，交联扩链剂丙三醇均匀脱气后混成形成B组分，AB两者混合4分钟后从出料口进入胶槽，胶槽温度冷却保持8℃低温状态，24k玻璃纤维在振动胶槽中经过充分浸渍后，由牵引装置快速引入180℃，直径24mm的成型模具内进行固化成型，然后通过120℃高温后处理提高固化度。

[实施例3]

本实施例的聚氨酯/玻璃纤维绝缘子芯棒制备工艺为：

聚胺酯原料采用1-4反式环己烷二异氰酸酯，聚醚多元醇，110度真空脱水4小时，交联扩链剂采用丙三醇，90度真空脱水3h。真空混料设备中加入化学剂量的1-4反式环己烷二异氰酸酯，氮气保护，搅拌下加入聚醚多元醇反应30分钟，真空脱气，再将聚醚多元醇，填料纳米二氧化钛和扩链剂均匀脱气后，两者混合5分钟后从出料口进入胶槽，胶槽温度可用冷却液保持10℃低温状态，12k无捻玻璃纤维再胶槽中经过充分浸渍，外面再由单层无纬玻纤布预浸料进行缠绕包裹后，由牵引装置快速引入120℃，直径26mm的成型模具内进行固化成型，然后通过140℃高温后处理提高固化度。

聚氨酯/玻璃纤维复合材料缺口试样简支梁冲击强度(锤7.5J)为140-170KJ/m²之间，而传统的芯棒制备材料环氧树脂/玻璃纤维，其缺口试样简支梁冲击强度(锤7.5J)为80-110KJ/m²之间，采用聚氨酯/玻璃纤维复合材料制备的芯棒，具有高韧性，抗弯折能力强的优点。

上述3个实施例中制备得到的芯棒，放置于水平地面，体重为50-100kg的人站立与芯棒上，芯棒不会折断，表面本发明方法制备的芯棒相比于传统芯棒具有高韧性。

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求。

Claims (8)

1.一种高韧性聚氨酯复合绝缘子芯棒，其特征在于所述芯棒的材料为聚氨酯树脂和玻璃纤维复合材料；所述聚氨酯树脂为化学计量配比的异氰酸酯和聚醚多元醇，所述异氰酸酯为选自二苯甲烷二异氰酸酯、二苯甲烷二异氰酸酯的聚合物异构体中的一种或两种；所述玻璃纤维包括无捻玻璃纤维或无纬玻纤布。

2.如权利要求1所述的一种高韧性聚氨酯复合绝缘子芯棒，其特征在于聚氨酯树脂中引入扩链剂，所述扩链剂为任意选自丙三醇、三羟基甲基丙烷、有机硅或聚酰亚胺环中的一种或多种。

3.如权利要求1所述的一种高韧性聚氨酯复合绝缘子芯棒，其特征在于至少一种所述聚醚多元醇的官能度为3。

4.如权利要求1所述的一种高韧性聚氨酯复合绝缘子芯棒，其特征在于所述无捻玻璃纤维的丝束为3k-48k。

5.如权利要求4所述的一种高韧性聚氨酯复合绝缘子芯棒，其特征在于所述无捻玻璃纤维的丝束为12k或24k。

6.一种制备如权利要求1所述芯棒的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

1)将异氰酸酯和聚醚多元醇100℃-120℃真空脱水3-4h，扩链剂80℃-100℃真空脱水2-3h；

2)过量的异氰酸酯中高速搅拌加入聚醚多元醇形成A组分，真空脱气3-5分钟，；

3)扩链剂，聚醚多元醇和填料高速搅拌混合后形成B组分，其中填料为有机累托石或纳米二氧化钛；

4)真空混料设备真空度为-0.1Mpa，A，B组分在混料设备中快速混合3-5分钟；

5)将玻璃纤维进行除尘、防潮处理后平铺于温度为的可冷却胶槽底部，其中除潮温度为110℃-130℃，胶槽温度为3℃-8℃；

6)除穿纱孔外，胶槽内为密封结构，通入一定正压力惰性气体进行保护；

7)A，B组分混合均匀后，聚氨酯树脂从真空混料设备出料口加入铺有玻璃纤维的胶槽，为加速聚氨酯快速浸润玻璃纤维表面，胶槽底部放置高频机械振动发生装置，振动频率为300-500Hz；

8)将步骤4中经浸渍的玻璃纤维匀速牵引通过芯棒成型模具和高温固化箱；其中：

牵引速度为1-3m/min，

成型模具长度为0.5-1m，温度为120-180℃，

高温固化箱长度为3-5m，温度为120℃-160℃。

7.如权利要求7所述的一种复合绝缘子芯棒的制备方法，其特征在于所述牵引速度优选1.5-2m/min。

8.如权利要求7所述的一种复合绝缘子芯棒的制备方法，其特征在于所述高温固化箱的温度优选130℃-150℃。