CN103709604A - 一种增强塑料杆及其生产装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种增强塑料杆及其生产装置和方法。所述的增强塑料杆，其特征在于，包括热固化树脂基体和增强用纤维纱，所述的增强用纤维纱分布在热固化树脂基体中，所述的增强用纤维纱共有两种，第一种纤维纱的强度比第二种纤维纱的强度高，第二种纤维纱分布在第一种纤维纱的周围。本发明的优点是生产效率高，质地轻，抗拉强度高，耐高温、弯曲性能好，环保节能，性价比高且用途范围广。
Description
技术领域
本发明涉及一种增强塑料杆及其制备方法，属于复合材料技术领域。
背景技术
20世纪70年代，人们研发尝试光缆结构中的抗拉加强件采用有机复合材料替代金属材料。至目前，产品主要有光缆用玻璃纤维增强塑料杆、光缆用芳纶纤维增强塑料杆，光缆用玻璃纤维加强纱，其特征是基体材料通常为热固性或热塑性树脂，增强材料单独配置玻璃纤维纱或芳纶纤维纱，采用热固化拉挤成型工艺制备。20世纪末，21世纪初，日本、美国开发了复合材料合成芯电缆。2000年以后，国内的部分高校、科研院所及企业也开始关注、研究、开发复合材料合成芯电缆，已公开有公开号CN101034601A的名称为《耐热低膨胀倍容量复合材料芯铝绞线及制备方法》的发明专利，申请号为ZL200520072074.2的名称为《碳纤维复合芯铝绞线及绝缘电缆》的实用新型专利，申请号为ZL200620164874.1的名称为《输电铝绞线复合材料芯》的实用新型专利。综合以上信息，其主要特征为：1.采用有机复合材料合成芯替代金属材料芯用作电缆的抗张拉承力件。2.复合材料合成芯为双层结构，即增强塑料杆外包覆增强塑料套0.1-2mm。3.复合材料合成芯的基体材料为含有环状结构单元的耐热酚醛树脂。耐热环氧树脂或耐热酚醛环氧树脂，树脂胶液中环氧树脂与固化剂的重量比例可为1：1到10：1，中央的增强型塑料杆的增强材料采用碳纤维纱，占体积百分数为55％-75％，或混配碳纤维纱、玻璃纤维纱，包覆增强塑料套的增强材料采用芳纶纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维，占体积百分比为55％-75％。4.复合材料合成芯的制备方法为采用二次拉挤成型工艺，即先拉挤成型获得中央的增强塑料杆，再二次拉挤成型在中央的增强塑料杆外包覆增强塑料套，拉挤线速度为每分钟0.2米。5.复合材料合成芯为圆形，直径4-15mm，长度为≥300米。其抗拉强度大于1800MPa。
随着全球光缆、电缆产业新技术、新结构、新功能的不断涌现，现有的增强塑料杆品种已不能充分满足技术进步要求。现有的电缆用复合材料合成芯因二次拉挤成型，内外两层增强塑料树脂的分子结构不是连续的而导致生产效率低、产品弯曲性能差的缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种抗拉强度高、弯曲性能好，生产效率高、性价比高、环保节能的增强塑料杆及其生产装置和方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种增强塑料杆，其特征在于，包括热固化树脂基体和增强用纤维纱，所述的增强用纤维纱分布在热固化树脂基体中，所述的增强用纤维纱共有两种，第一种纤维纱的强度比第二种纤维纱的强度高，第二种纤维纱分布在第一种纤维纱的周围。
优选地，所述的热固化树脂基体的含量为18-32wt％，增强用纤维纱的含量为68-82wt％。
优选地，所述的热固化树脂基体的原料由乙烯基环氧树脂87-92wt％，碳酸钙5-8wt％，固化剂2-3.5wt％和脱模剂1-1.5wt％组成或由缩水甘油四官能团环氧树脂39-42wt％，固化剂57.3-60.2wt％和脱模剂0.7-0.8wt％组成。
优选地，所述的第一种纤维纱的重量占增强用纤维纱的总重量的7-64wt％，第二种纤维纱的重量占增强用纤维纱的总重量的36-93wt％。
优选地，所述的第一种纤维纱为芳纶纤维纱或碳纤维纱，所述的第二种纤维纱为玻璃纤维纱或聚酯纤维纱。
优选地，所述的热固化树脂基体的截面为圆形、椭圆形或多边形。
优选地，所述的热固化树脂基体的截面为直径为0.5-10毫米的圆形。
优选地，所述的热固化树脂基体的长度为4.5-50公里。
本发明还提供了一种用于生产上述增强塑料杆的预成型装置，其特征在于，包括从前到后依次设置的前分线滤胶板、中分线滤胶板、后分线滤胶板、预热模板和定位板，其中，前分线滤胶板、中分线滤胶板和后分线滤胶板的中部皆设有中央滤胶模，前分线滤胶板、中分线滤胶板和后分线滤胶板的中央滤胶模的周围分别均匀分布有多个第一滤胶模、多个第二滤胶模和多个第三滤胶模，定位板的中间设有热固化模的模孔，两侧各设有一个定位连接杆，前分线滤胶板、中分线滤胶板、后分线滤胶板和预热模板的两侧分别固定在相应的定位连接杆上。
优选地，所述的预热模板上设有预热成型模、电加热管和温控探测器。
优选地，所述的中央滤胶模、预热成型模、热固化模孔的圆心在同一直线上。
优选地，所述的第一滤胶模的中心均匀分布在以前分线滤胶板的中央滤胶模的中心为圆心的内外两个圆上，第二滤胶模的中心均匀分布在以中分线滤胶板的中央滤胶模的中心为圆心的一个圆上，第三滤胶模的中心均匀分布在以后分线滤胶板的中央滤胶模的中心为圆心的一个圆上；所述的第一滤胶模的中心所在的圆的直径比第二滤胶模的中心所在的圆的直径大，第二滤胶模的中心所在的圆的直径比第三滤胶模的中心所在的圆的直径大。
本发明还提供了一种上述增强塑料杆的生产方法，其特征在于，采用上述的用于生产上述增强塑料杆的预成型装置，具体步骤包括：
第一步：将热固化树脂基体的原料放入搅拌机搅拌均匀，将所得的树脂混合物置于溶液槽；
第二步：将第一种纤维纱和第二种纤维纱经溶液槽浸透树脂混合物后，在变频调速牵引机的牵引下，依次经由前分线滤胶板、中分线滤胶板和后分线滤胶板分线滤胶，其中，第一种纤维纱经前分线滤胶板、中分线滤胶板和后分线滤胶板的中央滤胶模滤胶，第二种纤维纱依次经第一滤胶模、第二滤胶模和第三滤胶滤胶；将第一种纤维纱和第二种纤维纱在预热成型模中预成型，预热温度为80-100℃，得到预成型胶线，将所得的预成型胶线在热固化模具成型固化，经变频调速收卷机收卷。；
优选地，所述第二步牵引速度为每分钟0.3-6米。
优选地，所述第二步通过控制预热成型模和热固化模的模腔尺寸来控制增强用纤维纱以及热固化树脂的配比。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的预成型装置能够实现一次拉挤成型，与传统的二次拉挤成型工艺相比，能够有效地增加拉伸强度和拉伸弹性模量，提高弯曲性能，增加拉挤线速度(即牵引速度)，拉挤线速度可达到每分钟0.3-6米，生产效率比二次拉挤工艺提高了3倍以上，弯曲性能比二次拉挤成型工艺制备增强塑料杆提高了30％。
2、本发明的预成型装置的定位板、定位连接杆将分线滤胶板和预成型模板连接成整体，中央滤胶模、预热成型模、热固化模孔的圆心在同一直线上，定位精确，能够保证中央的增强塑料与外围的增强塑料的同心度，预热能使环氧树脂混合物变稀，通过预成型模挤压成型时，树脂能更加均匀地渗透和分布在纤维中，预热还能有效加快树脂交联反应速度，提高交联固化质量，有效避免产品产生内裂纹，提高产品的弯曲性能。
3、本发明结构为中央是高强度的增强塑料，外围是低强度的增强塑料，中央与外围的增强塑料是整体的，树脂的分子结构是连续的，采用两种纤维纱作为增强材料，高强度纤维纱与低强度纤维纱相比，抗拉强度与价格存在明显的差异，抗拉强度为1.4-2.7倍，价格约为20-26倍。增强塑料杆在中央计算配置高强度纤维纱，在周围计算配置低强度纤维纱，可以获得最佳性价比。而且，玻璃纤维纱、芳纶纤维纱、碳纤维纱的断裂伸长率都在3％左右，增强塑料杆混配玻璃纤维纱、芳纶纤维纱或碳纤维纱，能够充分发挥不同增强材料的抗张拉性能。玻璃纤维纱、芳纶纤维纱、碳纤维纱与乙烯基环氧树脂、缩水甘油四官能团环氧树脂都具有亲和性，采用热固化拉挤一次成型固化工艺具有工艺匹配性、融合性。
4、本发明的产品密度低，抗拉强度大，断裂伸长率低、成本低，环保节能、绝缘性能好，防雷击，防电磁场干扰；尤其是采用缩水甘油四官能团环氧树脂，明显地提高了产品的耐热性能和弯曲性能，玻璃化转变温度≥210℃，最小弯曲直径小于产品直径的45倍，比现有产品分别提高10％和15％以上。本发明的产品规格范围宽，直径0.5-10毫米；使用范围广，适用于各种光缆及其他线缆和绞合拉索。
附图说明
图1为用于生产增强塑料杆的预成型装置结构示意图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，作详细说明如下。
实施例1
一种增强塑料杆，截面为直径为6.0毫米的圆形，其由热固化树脂基体18wt％和增强用纤维纱82wt％组成，所述的增强用纤维纱分布在热固化树脂基体中，所述的增强用纤维纱共有两种，第一种纤维纱的强度比第二种纤维纱的强度高，第二种纤维纱分布在第一种纤维纱的周围。
所述的第一种纤维纱为日本东丽公司生产的型号为12K的碳纤维纱，第二种纤维纱为由重庆国际复合材料有限公司生产的型号为E-TM的玻璃纤维纱，所述的第一种纤维纱的重量占增强用纤维纱的总重量的46wt％，第二种纤维纱的重量占增强用纤维纱的总重量的54wt％。所述的热固化树脂基体的原料由缩水甘油四官能团耐热环氧树脂40wt％，固化剂59.2wt％和脱模剂0.8wt％组成。其中，缩水甘油四官能团耐热环氧树脂由上海舜胜高分子有限公司生产，型号为SS-B；脱模剂由北京科拉斯化工技术有限公司生产，型号为PS1890；固化剂由上海舜胜高分子有限公司生产，型号为GS-A。
如图1所示，用于生产增强塑料杆的预成型装置结构示意图，所述的预成型装置，包括从前到后依次设置的前分线滤胶板2、中分线滤胶板3、后分线滤胶板6、预热模板7和定位板11，其中，前分线滤胶板2、中分线滤胶板3和后分线滤胶板6的中部皆设有中央滤胶模12，前分线滤胶板2、中分线滤胶板3和后分线滤胶板6的中央滤胶模12的周围分别均匀分布有48个第一滤胶模1、24个第二滤胶模4和24个第三滤胶模5，定位板的中间设有热固化模的模孔14，两侧各设有一个定位连接杆13，前分线滤胶板2、中分线滤胶板3、后分线滤胶板6和预热模板7的两侧分别固定在相应的定位连接杆13上。所述的第一滤胶模1的中心均匀分布在以前分线滤胶板2的中央滤胶模12的中心为圆心的内外两个圆上，第二滤胶模4的中心均匀分布在以中分线滤胶板3的中央滤胶模12的中心为圆心的一个圆上，第三滤胶模5的中心均匀分布在以后分线滤胶板5的中央滤胶模12的中心为圆心的一个圆上；所述的第一滤胶模的1的中心所在的圆的直径比第二滤胶模4的中心所在的圆的直径大，第二滤胶模4的中心所在的圆的直径比第三滤胶模5的中心所在的圆的直径大。所述的中央滤胶模12、预热成型模10、热固化模孔14的圆心在同一直线上。所述的预热模板7上设有预热成型模10、2个100W的电加热管8和温控探测器9，电加热管8和温控探测器9用于控制预热成型模10的温度。
应用上述的预成型装置生产上述增强塑料杆的方法为：
第一步：按比例将缩水甘油四官能团耐热环氧树脂、脱模剂放入搅拌机搅拌均匀，再放入固化剂搅拌均匀获得树脂混合物，将所得的树脂混合物置于溶液槽；
第二步：将碳纤维纱和玻璃纤维纱经溶液槽浸透树脂混合物后，在变频调速牵引机的牵引下，依次经由前分线滤胶板2、中分线滤胶板3和后分线滤胶板6分线滤胶，碳纤维纱经前分线滤胶板2、中分线滤胶板3和后分线滤胶板6的中央滤胶模12滤胶，玻璃纤维纱分为24束，分别依次经24个内圈上的第一滤胶模1、24个第二滤胶模4和24个第三滤胶模5滤胶。将第一种纤维纱和第二种纤维纱在预热成型模10中预成型，预成型温度为100℃，得到预成型胶线，将所得的预成型胶线在热固化模具成型固化，固化温度为模具前部为180℃，后部为220℃，牵引速度每分钟0.5m，经变频调速收卷机收卷。
使用时，用户采用现有的设备和技术，将其置于光缆的缆芯起到抗张拉的作用。
主要技术参数检测结果(与二次拉挤工艺对比)
直径：6mm
实施例2
一种增强塑料杆，截面为直径为0.5毫米的圆形，其由热固化树脂基体28wt％和增强用纤维纱72wt％组成，所述的增强用纤维纱分布在热固化树脂基体中，所述的增强用纤维纱共有两种，第一种纤维纱的强度比第二种纤维纱的强度高，第二种纤维纱分布在第一种纤维纱的周围。
所述的第一种纤维纱为杜邦公司生产的型号为220DTex的芳纶纤维纱，第二种纤维纱为重庆国际复合材料有限公司生产的型号为E-TM的玻璃纤维纱，所述的第一种纤维纱的重量占增强用纤维纱的总重量的7wt％，第二种纤维纱的重量占增强用纤维纱的总重量的93wt％。所述的热固化树脂基体的原料由乙烯基环氧树脂90wt％，碳酸钙6wt％，固化剂2.7wt％和脱模剂1.3wt％组成。其中，乙烯环氧树脂由上海舜胜高分子有限公司生产，型号为SS-4；脱模剂由北京科拉斯化工技术有限公司生产，型号为PS125；碳酸钙由江西广泰化工有限公司生产，型号为GT610；固化剂由天津阿克苏若贝尔有限公司生产，型号为CH-50。
类似于实施例1中的用于生产增强塑料杆的预成型装置，区别在于，第一滤胶模1的个数为16个、第二滤胶模4和多个第三滤胶模5的个数都为8个。
应用上述预成型装置生产上述增强塑料杆的方法为：
第一步：按比例将乙烯基环氧树脂、脱模剂放入搅拌机搅拌均匀，再放入碳酸钙搅拌均匀，再放入固化剂搅拌均匀获得树脂混合物，将所得的树脂混合物置于溶液槽；
第二步：将芳纶纤维纱和玻璃纤维纱经溶液槽浸透树脂混合物后，在变频调速牵引机的牵引下，依次经由前分线滤胶板2、中分线滤胶板3和后分线滤胶板6分线滤胶，芳纶纤维纱经前分线滤胶板2、中分线滤胶板3和后分线滤胶板6的中央滤胶模12滤胶，玻璃纤维纱分为8束，分别依次经8个内圈上的第一滤胶模1、8个第二滤胶模4和8个第三滤胶模5滤胶。将经滤胶的芳纶纤维纱和玻璃纤维纱在预热成型模10中预成型，预成型温度为90℃，得到预成型胶线，将所得的预成型预成型胶线在热固化模具成型固化，固化温度模具前部为135℃，后部为195℃，牵引速度每分钟6m，经变频调速收卷机收卷。
使用时，用户采用现有的设备和技术，将其置于光缆的缆芯起到抗张拉的作用。
本实施例所得的产品的主要技术参数检测结果(与现有的光缆加强件对比)
直径：0.5mm
Claims (12)
1.一种增强塑料杆，其特征在于，包括热固化树脂基体和增强用纤维纱，所述的增强用纤维纱分布在热固化树脂基体中，所述的增强用纤维纱共有两种，第一种纤维纱的强度比第二种纤维纱的强度高，第二种纤维纱分布在第一种纤维纱的周围。
2.如权利要求1所述的增强塑料杆，其特征在于，所述的热固化树脂基体的含量为18-32wt％，增强用纤维纱的含量为68-82wt％。
3.如权利要求1所述的增强塑料杆，其特征在于，所述的热固化树脂基体的原料由乙烯基环氧树脂87-92wt％，碳酸钙5-8wt％，固化剂2-3.5wt％和脱模剂1-1.5wt％组成或由缩水甘油四官能团环氧树脂39-42wt％，固化剂57.3-60.2wt％和脱模剂0.7-0.8wt％组成。
4.如权利要求1所述的增强塑料杆，其特征在于，所述的第一种纤维纱的重量占增强用纤维纱的总重量的7-64wt％，第二种纤维纱的重量占增强用纤维纱的总重量的36-93wt％。
5.如权利要求1所述的增强塑料杆，其特征在于，所述的第一种纤维纱为芳纶纤维纱或碳纤维纱，所述的第二种纤维纱为玻璃纤维纱或聚酯纤维纱。
6.一种用于生产权利要求1-5中任一项所述的增强塑料杆的预成型装置，其特征在于，包括从前到后依次设置的前分线滤胶板(2)、中分线滤胶板(3)、后分线滤胶板(6)、预热模板(7)和定位板(11)，其中，前分线滤胶板(2)、中分线滤胶板(3)和后分线滤胶板(6)的中部皆设有中央滤胶模(12)，前分线滤胶板(2)、中分线滤胶板(3)和后分线滤胶板(6)的中央滤胶模(12)的周围分别均匀分布有多个第一滤胶模(1)、多个第二滤胶模(4)和多个第三滤胶模(5)，定位板(11)的中间设有热固化模的模孔，两侧各设有一个定位连接杆(13)，前分线滤胶板(2)、中分线滤胶板(3)、后分线滤胶板(6)和预热模板(7)的两侧分别固定在相应的定位连接杆(13)上。
7.如权利要求6所述的增强塑料杆的预成型装置，其特征在于，所述的第一滤胶模(1)的中心均匀分布在以前分线滤胶板(2)的中央滤胶模(12)的中心为圆心的内外两个圆上，第二滤胶模(4)的中心均匀分布在以中分线滤胶板(3)的中央滤胶模(12)的中心为圆心的一个圆上，第三滤胶模(5)的中心均匀分布在以后分线滤胶板(5)的中央滤胶模(12)的中心为圆心的一个圆上；所述的第一滤胶模的(1)的中心所在的圆的直径比第二滤胶模(4)的中心所在的圆的直径大，第二滤胶模(4)的中心所在的圆的直径比第三滤胶模(5)的中心所在的圆的直径大。
8.如权利要求6所述的增强塑料杆的预成型装置，其特征在于，所述的预热模板(7)上设有预热成型模(10)、电加热管(8)和温控探测器(9)。
9.如权利要求6所述的增强塑料杆的预成型装置，其特征在于，所述的中央滤胶模(12)、预热成型模(10)、热固化模孔(14)的圆心在同一直线上。
10.一种权利要求1-5中任一项所述的增强塑料杆的生产方法，其特征在于，采用权利要求6-9中任一项所述的预成型装置，具体步骤包括：
第一步：将热固化树脂基体的原料放入搅拌机搅拌均匀，将所得的树脂混合物置于溶液槽；
第二步：将第一种纤维纱和第二种纤维纱经溶液槽浸透树脂混合物后，在变频调速牵引机的牵引下，依次经由前分线滤胶板、中分线滤胶板和后分线滤胶板分线滤胶，其中，第一种纤维纱经前分线滤胶板、中分线滤胶板和后分线滤胶板的中央滤胶模滤胶，第二种纤维纱依次经第一滤胶模、第二滤胶模和第三滤胶滤胶；将第一种纤维纱和第二种纤维纱在预热成型模中预成型，预热温度为80-100℃，得到预成型胶线，将所得的预成型胶线在热固化模具成型固化，经变频调速收卷机收卷。
11.如权利要求10所述的增强塑料杆的生产方法，其特征在于，所述第二步牵引速度为每分钟0.3-6米。
12.如权利要求10所述的增强塑料杆的生产方法，其特征在于，所述第二步通过控制预热成型模和热固化模的模腔尺寸来控制增强用纤维纱以及热固化树脂的配比。
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