CN104036877A - 一种架空导线用纤维复合绳芯成型工艺与制造设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种架空导线用纤维复合绳芯成型工艺与制造设备。纤维复合绳芯成型工艺是由预热/刻蚀、浸渍、单股预成型、绝缘层包覆、加捻、深度固化、牵引及卷绕步骤组成。纤维复合绳芯制造设备，依次由纤维纱架、纤维预热/刻蚀装置、树脂浸渍槽、单股预成型模具、绝缘层包覆模具、成型装置、固化装置、牵引装置及卷绕装置组成。由于本发明采用了以上技术方案，生产的纤维复合绳芯具有轴向和径向比强度大、不宜开裂、安全性高、线膨胀系数小等优点，而且本发明方法简单，设备结构设置合理，纤维复合绳芯能够一次性成型，减少了生产时堵模现象的发生，提高了生产效率，降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种架空导线用纤维复合绳芯成型工艺与制造设备，应用于电线电缆领域。
背景技术
混杂玻璃纤维/碳纤维复合芯电缆是被用来取代钢芯铝绞线电缆的一种替代产品，这种复合芯电缆具有比强度大，线膨胀系数小，载流量大等优点，但是在生产卷绕及安装放线时会对复合芯表面造成损伤，而复合芯对表面损伤敏感，损伤后易发生灾难性断裂，后果严重。为了减少灾难情况的发生，必须提高导线增强芯的安全性，这样就需要充分利用复合材料的可设计性，将单根粗混杂纤维复合芯设计为由多根细小的纤维芯棒加捻而成，即复合绳芯，这种纤维复合绳芯能够分散受力作用，使得安全性能更高，但目前这种复合绳芯成型工艺与制造设备还很少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种架空导线用纤维复合绳芯成型工艺与制造设备，纤维复合绳芯成型工艺由预热/刻蚀、浸渍、单股预成型、绝缘层包覆、加捻成型、深度固化、牵引及卷绕过程组成，该成型工艺方法简单，设备结构设置合理，复合绳芯能够一次性成型，提高了生产效率，降低了生产成本。
本发明纤维复合绳芯的成型工艺，包括如下步骤：
a.将碳纤维从可绕轴旋转的纱架集束孔内牵出，进入预热/刻蚀装置中预
热，同时对碳纤维表面进行刻蚀；
b.将经过上述步骤a中预热并刻蚀过的碳纤维送入树脂浸渍槽内浸渍，然后使碳纤维分股进入可绕轴旋转的单股预成型模具中进行碳纤维芯预成型，预成型的温度设置为90-120℃，然后进入可绕轴旋转的绝缘层包覆模具，在包覆模具处用玻璃或者聚酯纤维对外层6根碳纤维芯进行包覆，包覆时两卷或多卷玻璃或聚酯纤维沿着设定的轨道运动，其中浸渍槽内的树脂体系由环氧树脂、固化剂、促进剂和脱模剂组成，各组分的含量为，以其中的环氧树脂质量分数为100份，则固化剂为105-125份，促进剂0.5-2份，脱模剂0.5-3份，通过树脂体系/纤维复合制备得到外层6根芯股和内层1根碳纤维芯股，再通过加捻工艺制得纤维复合绳芯；
c.将在上述步骤b中得到的纤维复合绳芯引入固化装置中进行固化，通过牵引装置牵引，最后用卷绕装置进行收集。
本发明纤维复合绳芯成型工艺对应的制造设备，包括依次连接的纤维纱架、纤维预热/刻蚀装置、树脂浸渍槽、单股预成型模具、绝缘层包覆模具、成型装置、固化装置、牵引装置及卷绕装置，固化装置由依次连接的第一固化装置、第二固化装置和第三固化装置组成，将碳纤维从纱架集束孔内牵出，然后使牵出的碳纤维进入纤维预热/刻蚀装置中进行预热，同时对碳纤维表面进行刻蚀，将经过预热/刻蚀过的碳纤维送入树脂浸渍槽内浸渍，然后使碳纤维分股进入单股预成型模具中进行碳纤维芯预成型，然后在绝缘层包覆模具处对外层6根芯进行包覆，制备得到外层芯股，再将6根外层芯股和1根内层碳纤维芯股进行加捻成型，制得纤维复合绳芯，再将纤维复合绳芯依次引入第一、第二和第三固化装置中进行固化，用牵引装置牵引，最后用卷绕装置进行收集。
作为本发明上述技术方案的优选技术方案，纤维纱架可绕轴旋转，纤维纱架上碳纤维出口处设有集束孔，使碳纤维从纤维纱架的集束孔中牵出；纤维预热/刻蚀装置使用紫外烘箱，烘箱温度设置范围为100-300℃。
作为本发明上述技术方案的优选技术方案，树脂浸渍槽的碳纤维进口和碳纤维出口处设有可旋转的带开孔的转盘，孔直径为1-2mm，转盘的旋转角速度和方向与纤维纱架的旋转角速度和方向相同。
作为本发明上述技术方案的优选技术方案，单股预成型模具的长度为10-15cm，中心孔径为2-3mm，外层孔径比中心孔径小0.1-0.5mm，旋转角速度和方向与纤维纱架的相同；玻璃或聚酯纤维放置于绝缘层包覆模具轨道处，缠绕时沿着固定轨道运动，运动方向相反，对外层6根纤维芯进行绝缘层包覆，外层6个孔(5-3)孔径相同，均为1.5-2.8mm，内层碳纤维复合芯不需要进行包覆；对于成型装置，采用聚四氟乙烯制作，其长度为5-10cm，孔径为6-9mm。
作为本发明上述技术方案的优选技术方案，第一、第二和第三固化装置的长度皆为40-70cm，各固化装置所设置的固化温度皆为150-200℃；卷绕装置的卷盘直径为纤维复合绳芯直径的50-100倍。
本发明与现有技术相比较，纤维芯棒轴向强度更大，安全性能更高；生产工艺更加简单，效率高。-
说明书附图
图1为本发明纤维复合绳芯横截面示意图。
图2为本发明单根外层芯股笔直状态结构示意图
图3为本发明纤维复合绳芯的成型工艺流程示意图。
图4为本发明树脂浸渍槽的纤维入口截面示意图。
图5为本发明树脂浸渍槽的纤维出口截面示意图。
图6为本发明单股预成型模具示意图。
图7为本发明绝缘层包覆模具示意图。
具体实施方式
下面参照附图和实施例对本发明作进一步的补充说明。
实施例一：
在本实施例中，参见图1、2，一种架空导线用纤维复合绳芯由内层芯股和外层芯股通过加捻成型，其中内层芯股为1根碳纤维复合芯股13，外层芯股包括6根相同的混杂纤维复合芯股14，混杂纤维复合芯股14由内部纤维芯12及外部绝缘层11构成，纤维复合绳芯使用的树脂体系由环氧树脂、固化剂、促进剂、脱模剂组成，各组分的含量为：以其中的环氧树脂质量分数为100份，则固化剂为120份，促进剂1份，脱模剂2份。内部纤维芯12和碳纤维复合芯股13使用的增强纤维材料皆为T300PAN基碳纤维，环氧树脂为AG-80，固化剂为甲基六氢苯酐，促进剂为2-乙基-4-甲基咪唑，内脱模剂为INT-1890M；外部绝缘层11使用的纤维为玻璃纤维，其厚度为0.1mm；构成外层芯股的混杂纤维复合芯股14的单股直径为2mm，内层碳纤维复合芯股13直径为2mm，纤维复合芯股中的纤维体积含量为60％；混杂纤维复合芯股14进行加捻时的捻角为10°。
在本实施例中，参见图3～图7，制造本实施例纤维复合绳芯的制造设备，包括依次连接的纤维纱架1、纤维预热/刻蚀装置2、树脂浸渍槽3、单股预成型模具4、绝缘层包覆模具5、成型装置6、固化装置、牵引装置10及卷绕装置11，固化装置包括依次连接的第一固化装置7、第二固化装置8和第三固化装置9。将碳纤维从纤维纱架1集束孔内牵出，然后进入纤维预热/刻蚀装置2中进行预热，同时对碳纤维表面进行刻蚀，将经过预热/刻蚀过的碳纤维送入树脂浸渍槽3内浸渍，然后使碳纤维分股进入单股预成型模具4中进行碳纤维芯预成型，再在绝缘层包覆模具5处对外层6根碳纤维芯进行绝缘层包覆，制备得到芯股，再通过加捻工艺，制得纤维复合绳芯，再将纤维复合绳芯依次引入第一固化装置7、第二固化装置8和第三固化装置9中进行固化，通过牵引装置10牵引，最后用卷绕装置11进行收集。
在本实施例中，参见图3～图7，利用本实施例纤维复合绳芯制造设备的成型工艺，包括如下步骤：
a.将碳纤维从可绕轴旋转的纱架集束孔内牵出，进入预热/刻蚀装置中进行预热，同时对碳纤维表面进行刻蚀；
b.将经过上述步骤a中预热/刻蚀过的碳纤维送入树脂浸渍槽3内浸渍，然后使碳纤维分股进入可绕轴旋转的单股预成型模具4中进行碳纤维芯预成型，碳纤维芯预成型的温度设置为100℃，然后在可绕轴旋转的绝缘层包覆模具5处用玻璃纤维对外层6根碳纤维芯进行包覆，包覆时两卷玻璃纤维沿着设定的轨道运动。通过树脂体系/纤维复合制备得到6根外层芯股和1根内层碳纤维芯股，再由内层芯股和外层芯股通过加捻制得纤维复合绳芯；
c.将在上述步骤b中得到的纤维复合绳芯依次引入第一固化装置7、第二固化装置8和第三固化装置9中进行固化，通过牵引装置10牵引，最后用卷绕装置11进行收集。
在本实施例中，参见图3～图7，纤维预热/刻蚀装置2采用紫外烘箱，烘箱温度设置为160℃；树脂浸渍槽3碳纤维进出口处圆形转盘均采用聚四氟乙烯制作，孔直径为1.6mm；单股预成型模具4长度为15cm，内层孔径为2mm，外层孔径为1.8mm；绝缘层包覆模具5的内层孔径为2mm，外层6个孔径均为1.8mm，玻璃纤维卷5-1和5-2沿着设定的轨道(图7虚线所示)运动；成型装置6采用聚四氟乙烯制作，长度为5cm，孔径为6mm。第一固化装置7、第二固化装置8和第三固化装置9长度均为50cm，设置温度依次为170℃、160℃、150℃；卷绕装置11的卷盘直径为纤维复合绳芯直径的50倍。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，树脂体系各组分的含量为：以其中的环氧树脂质量分数为100份，则固化剂为110份，促进剂1份，脱模剂2份。内部纤维芯12和碳纤维复合芯股13使用的纤维皆为T300PAN基碳纤维，环氧树脂为AG-80，固化剂为甲基纳迪克酸酐，促进剂为2-乙基-4-甲基咪唑，内脱模剂为甲基硅油；外部绝缘层11使用的纤维为聚酯纤维，其厚度为0.15mm；混杂纤维复合芯股14的单股直径为2mm，内层碳纤维复合芯股13直径为2mm，纤维复合芯股中的纤维体积含量为65％；混杂纤维复合芯股14进行加捻时的捻角为8°。
在本实施例中，纤维复合绳芯的成型工艺，包括如下步骤：
a.本步骤与实施例一相同；
b.将经过上述步骤a中预热/刻蚀过的碳纤维送入树脂浸渍槽3内浸渍，然后使碳纤维分股进入可绕轴旋转的单股预成型模具4中进行碳纤维芯预成型，碳纤维芯预成型的温度设置为110℃，然后在可绕轴旋转的绝缘层包覆模具5处用玻璃纤维对外层6根复合芯进行包覆，包覆时两卷玻璃纤维沿着设定的轨道运动。通过树脂体系/纤维复合制备得到6根外层芯股和1根内层芯股，再由内层芯股和外层芯股通过加捻制得纤维复合绳芯；
c.本步骤与实施例一相同。
在本实施例中，绳芯制造装置的纤维预热/刻蚀装置2采用紫外烘箱，烘箱温度设置为180℃；树脂浸渍槽3纤维进出口处圆形转盘采用聚四氟乙烯制作，孔直径为2mm；单股预成型模具4长度为20cm，中心内层孔径为2mm，外层孔径为1.7mm；绝缘层包覆模具5的内层孔径为2mm，外层6个孔径均为1.7mm，玻璃纤维卷5-1和5-2沿着设定的轨道(图7虚线所示)运动；成型装置6采用聚四氟乙烯制作，长度为7cm，孔径为6mm。第一固化装置7、第二固化装置8和第三固化装置9长度均为60cm，设置温度依次为160℃、150℃、140℃；卷绕装置11的卷盘直径为纤维复合绳芯直径的50倍。
实施例三：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，树脂体系各组分的含量为：以其中的环氧树脂质量分数为100份，则固化剂为118份，促进剂1.5份，脱模剂3份。内部纤维芯12和碳纤维复合芯股13使用的增强纤维材料皆为T700PAN基碳纤维，环氧树脂为AG-80，固化剂为甲基六氢苯酐，促进剂为三苯基膦，内脱模剂为INT-1890M；外部绝缘层11使用的纤维为玻璃纤维，其厚度为0.3mm；混杂纤维复合芯股14的单股直径为3mm，内层碳纤维复合芯股13直径为3mm，纤维复合芯股中的纤维体积含量为65％；混杂纤维复合芯股14进行加捻时的捻角为9°。
在本实施例中，纤维复合绳芯的成型工艺，包括如下步骤：
a.本步骤与实施例一相同；
b.将经过上述步骤a中预热/刻蚀过的碳纤维送入树脂浸渍槽3内浸渍，然后使碳纤维分股进入可绕轴旋转的单股预成型模具4中进行碳纤维芯预成型，碳纤维芯预成型的温度设置为120℃，然后在可绕轴旋转的绝缘层包覆模具5处用聚酯纤维对外层6根复合芯进行包覆，包覆时两卷聚酯纤维沿着设定的轨道运动。通过树脂体系/纤维复合制备得到6根外层芯股和1根内层芯股，再由内层芯股和外层芯股通过加捻制得纤维复合绳芯；
c.本步骤与实施例一相同。
在本实施例中，绳芯制造装置的纤维预热/刻蚀装置2采用紫外烘箱，烘箱温度设置为190℃；树脂浸渍槽3纤维进出口处圆形转盘均采用聚四氟乙烯制作，孔直径为2mm；单股预成型模具4长度为18cm，中心内层孔径为3mm，外层孔径均为2.4mm；绝缘层包覆模具5的内层孔径为3mm，外层6个孔径均为2.4mm，玻璃纤维卷5-1和5-2沿着设定的轨道(图7虚线所示)运动；成型装置6采用聚四氟乙烯制作，长度为8cm，孔径为9mm。第一固化装置7、第二固化装置8和第三固化装置9长度均为50cm，设置温度依次为180℃、160℃、140℃；卷绕装置11的卷盘直径为纤维复合绳芯直径的50倍。
实施例四：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，树脂体系各组分的含量为：以其中的环氧树脂质量分数为100份，则固化剂为120份，促进剂1份，脱模剂2份。内部纤维芯12和碳纤维复合芯股13使用的增强纤维材料皆为T700PAN基碳纤维，环氧树脂为AG-80，固化剂为甲基纳迪克酸酐，促进剂为三苯基膦，内脱模剂为硅油；外部绝缘层11使用的纤维为聚酯纤维，其厚度为0.3mm；混杂纤维复合芯股14的单股直径为3mm，内层碳纤维复合芯股13直径为3mm，纤维复合芯股中的纤维体积含量为68％；混杂纤维复合芯股14进行加捻时的捻角为7°。
在本实施例中，纤维复合绳芯的成型工艺，包括如下步骤：
a.本步骤与实施例一相同；
b.将经过上述步骤a中预热/刻蚀过的碳纤维送入树脂浸渍槽3内浸渍，然后使碳纤维分股进入可绕轴旋转的单股预成型模具4中进行碳纤维芯预成型，碳纤维芯预成型的温度设置为110℃，然后在可绕轴旋转的绝缘层包覆模具5处用聚酯纤维对外层6根复合芯进行包覆，包覆时两卷聚酯纤维沿着设定的轨道运动。通过树脂体系/纤维复合制备得到6根外层芯股和1根内层芯股，再由内层芯股和外层芯股通过加捻制得纤维复合绳芯；
c.本步骤与实施例一相同。
在本实施例中，绳芯制造装置的纤维预热/刻蚀装置2采用紫外烘箱，烘箱温度设置为200℃；树脂浸渍槽3纤维进出口处圆形转盘均采用聚四氟乙烯制作，孔径为2mm；单股预成型模具4长度为18cm，内层孔径为3mm，外层孔径均为2.5mm；绝缘层包覆模具5的内层孔径为3mm，外层6个孔径均为2.5mm，聚酯纤维卷5-1和5-2沿着设定的轨道(图7虚线所示)运动；成型装置6采用聚四氟乙烯制作，长度为8cm，孔径为9mm。第一固化装置7、第二固化装置8和第三固化装置9长度均为60cm，设置温度依次为170℃、160℃、140℃；卷绕装置11的卷盘直径为纤维复合绳芯直径的50倍。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不受上述实施例的限制，可以在权利要求的范围内改动，如果在本发明技术方案的启发下做的改变、替代、组合、简化，而并非实质性的改变，只要符合本发明的发明目的，不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种架空导线用纤维复合绳芯的成型工艺，其特征在于，包括如下步骤：
a.将碳纤维从可绕轴旋转的纱架集束孔内牵出，进入预热/刻蚀装置中进行预热，同时对碳纤维表面进行刻蚀；
b.将经过步骤a中预热/刻蚀过的碳纤维送入树脂浸渍槽内浸渍，然后使碳纤维分股进入可绕中心轴旋转的单股预成型模具中进行碳纤维芯预成型，预成型的温度设置为90-120℃，然后进入可绕轴旋转的绝缘层包覆模具，在绝缘层包覆模具处用玻璃或者聚酯纤维对外层预成型碳纤维芯进行包覆，内层碳纤维芯不用包覆绝缘层，包覆时两卷或多卷玻璃或聚酯纤维沿着设定的轨道运动，其中浸渍槽内的树脂体系由环氧树脂、固化剂、促进剂和脱模剂组成，各组分的含量为，以其中的环氧树脂质量分数为100份，则固化剂为105-125份，促进剂0.5-2份，脱模剂0.5-3份，通过树脂体系/纤维复合制备得到6根外层芯股和1根内层芯股，再通过加捻工艺，初步制得纤维复合绳芯；
c.将在步骤b中初步得到的纤维复合绳芯引入固化装置中进行固化，通过牵引装置牵引，最后用卷绕装置进行收集。
2.一种实施权利要求1所述纤维复合绳芯成型工艺的制造设备，其特征在于：包括依次连接的纤维纱架(1)、纤维预热/刻蚀装置(2)、树脂浸渍槽(3)、单股预成型模具(4)、绝缘层包覆模具(5)、成型装置(6)、固化装置、牵引装置(10)及卷绕装置(11)，所述固化装置由依次连接的第一固化装置(7)、第二固化装置(8)和第三固化装置(9)组成固化系统，将碳纤维从纤维纱架(1)的集束孔内牵出，然后进入纤维预热/刻蚀装置(2)中进行预热，同时对碳纤维表面进行刻蚀，将经过预热/刻蚀过的碳纤维送入树脂浸渍槽(3)内浸渍，然后使碳纤维分股进入单股预成型模具(4)中进行碳纤维芯预成型，在绝缘层包覆模具(5)处进行包覆，制备得到芯股，再将6根外层芯股和1根内层芯股进行加捻成型，制得纤维复合绳芯，后将纤维复合绳芯依次引入第一固化装置(7)、第二固化装置(8)和第三固化装置(9)中进行固化，用牵引装置牵引(10)，最后用卷绕装置(11)进行收集。
3.根据权利要求2所述绳芯制造设备，其特征在于：所述纤维纱架(1)可绕轴旋转，所述纤维纱架(1)设有集束孔，纤维从集束孔中牵出；所述纤维预热/刻蚀装置(2)使用紫外烘箱，所述烘箱温度设置范围为100-300℃。
4.根据权利要求2所述绳芯制造设备，其特征在于：所述树脂浸渍槽(3)的碳纤维进口和碳纤维出口处设有可旋转的带开孔的转盘，孔直径为1-2mm，转盘的旋转角速度和方向与所述纤维纱架(1)的旋转角速度和方向相同。
5.根据权利要求2所述绳芯制造设备，其特征在于：所述单股预成型模具(4)的长度为10-15cm，其中心模具孔径为2-3mm，外层模具孔径比中心模具孔径小0.1-0.5mm，其旋转角速度和方向与纤维纱架的相同；玻璃或聚酯纤维放置于所述绝缘层包覆模具(5)的轨道处，缠绕时沿着固定轨道运动，运动方向相反，对碳纤维芯进行绝缘层包覆，绝缘层包覆模具外层6个孔(5-3)孔径相同，均为1.5-2.8mm，中心内层孔孔径为2-3mm；对于成型装置，采用聚四氟乙烯制作，其长度为5-10cm，孔径为6-9mm。
6.根据权利要求2所述绳芯制造设备，其特征在于：所述第一固化装置(7)、所述第二固化装置(8)和所述第三固化装置(9)的长度皆为40-70cm，各固化装置所设置的固化温度皆为150-200℃；所述卷绕装置(11)的卷盘直径为纤维复合绳芯直径的50-100倍。
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