CN106393740A - 复合材料电缆芯的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种复合材料电缆芯的制备方法，包括：(1)用树脂体系溶液浸渍连续的玻璃纤维；(2)用包括拉挤模具的拉挤设备将浸渍的玻璃纤维拉挤成型，拉挤速度为20‑40cm/min，并且模具的三区温度分布分别为180‑200℃、210‑215℃和210‑215℃；以及(3)通过加热室使所述树脂体系进一步固化；其中所述树脂体系包含环氧树脂、固化剂、填料、脱模剂和促进剂，相对于100重量份的所述环氧树脂，固化剂的量为130‑150重量份，填料的量为3‑8重量份，脱模剂的量为20‑50重量份并且促进剂的量为2‑5重量份。本发明的方法解决了拉挤过程中复合材料表面起粉，复合材料表面不光滑等问题。

Description

复合材料电缆芯的制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料电缆芯以及其制备方法。
背景技术
人们不断地努力寻求理想的架空输电线路用导线，以取代传统导线，比如耐热铝合金导线((TACSR)、殷钢芯耐热铝合金导线((ZTACSR)、间隙型钢芯耐热铝合金(GTACSR)、铝基陶瓷纤维铝绞线ACCR(Alaminum ConductorComposite Reinforced)，碳纤维芯复合材料合成芯软铝导线(JRLX/T)等种类。
20世纪90年代日本采用碳纤维和热硬化性树脂构成的复合材料芯线代替钢芯，开发出了一种新型复合材料合成芯导线，即碳纤维芯铝绞线。先将单丝直径为7微米的PAN基12K碳纤维丝涂上未硬化的热固性树脂绞在一起，再缠上有机纤维形成1根股线，7根这样的股线绞合起来，最后热处理使树脂完全硬化形成复合材料芯线。与钢芯导线相比，复合材料芯线导线的质量约为其1/5，线膨胀系数约为其1/120。TAFR的抗拉强度远远超过ACSR。复合材料芯线的抗拉强度保持90％时的连续许容温度和短时许容温度分别可达128℃和193℃，耐腐蚀性良好，弛度特性良好。
美国复合材料技术公司(Composite Technology Corporation，CTC)于2003年开发了复合材料芯线铝导线(Aluminum Conductor Composite Core，ACCC)，其芯线是以聚酞胺耐火处理、碳化而成的碳纤维为中心，玻璃纤维及高强度、高韧性配方的环氧树脂包覆制成的单根芯棒。外层与邻外层铝线股为梯形截面。这种导线已完成各种型式试验，包括机械全性能、应力一应变曲线、蠕变、线膨胀系数、载流量、自阻尼特性等，特别是验证了高温条件下的低弛度特性。其主要技术特点：强度高、导电率高、载流量大、运行温度高、线膨胀系数小、弛度小、重量轻、耐腐蚀，使用寿命长；减少了电磁辐射和电晕损失。
美国3M公司开发的加强型复合铝芯架空导线(Aluminum Conductor CompositeReinforced，ACC)，是由耐热铝错绞线包围一种轻便陶瓷纤维增强型铝芯，每根芯线包含数千根小直径(12微米)、高强度的铝氧化物纤维，由陶瓷纤维连续地与芯线方向一致地嵌在高纯度的铝中。它的重量不到钢芯的一半，强度比铝几乎高8倍，硬度是铝的3倍，复合芯的热膨胀系数为6X10-6/℃，导电率是钢的4倍，可长期运行在超过200℃的环境下，ACCR导线具有高的载流容量(2倍增长)，导线截面有不同规格，并可做成梯形截面的紧凑导线。
目前以上三种新型复合材料电缆芯，有的尚未实际使用，有的已经在全世界范围内本地销售合作，有的还没有在国内的合作厂商。根据在实际使用时对电缆芯各方面性能指标的需要进行分析与探讨，得出以下几点主要性能指标：质量比、耐热性、线膨胀系数、拉伸强度、弯曲强度、剪切强度，这些静态性能指标很重要，但是考虑到在实际使用中的各种特殊情况，对于电缆芯的动态热分析测试也尤为重要。
拉挤工艺是一种环氧树脂复合材料连续成型方法。连续纤维粗纱和织物浸渍基体树脂，经过预成型系统，被加热到给定温度的成型模具(通常称之为拉挤模具)内，基体树脂从模具壁上吸热温度升高，当温度达到一定程度，树脂发生固化反应，形成固体复合材料，从模具内连续拉出，即制造出复合材料拉挤制品。
虽然环氧树脂的耐热性等性能很好，但是其固化特性：固化速度慢、固化过程中体积收缩小，反应放热量大。这也导致了拉挤工艺的困难。复合材料电缆芯拉挤工艺中主要存在以下一些难点与问题：消除白粉现象，提高表面光滑度；降低拉挤过程中的拉力大小；在保证产品质量与性能的前提下提高拉挤速度。
因此，仍然希望进一步改善适合于环氧树脂复合材料拉挤工艺的树脂配方以及拉挤工艺参数来解决以上拉挤工艺中的关键问题。
发明内容
为此，发明人进行积极的研究，结果发现通过特定的树脂体系配方以及特定的拉挤工艺参数，能够更好地进行工艺控制，很好的解决白粉问题，提高拉挤速度，获得性能卓越的复合材料电缆芯，最终使复合材料电缆芯拉挤工艺无论在理论上还是在工艺上都能够有所突破。
因此，在一个方面中，本发明提供了一种复合材料电缆芯的制备方法，包括：(1)用树脂体系溶液浸渍连续的玻璃纤维；(2)用包括拉挤模具的拉挤设备将浸渍的玻璃纤维拉挤成型，拉挤速度为20-40cm/min，并且拉挤模具实施固化的三区温度分别为180-200℃、210-215℃和210-215℃；以及(3)通过加热室使所述树脂体系进一步固化。
优选的，所述树脂体系包含环氧树脂、固化剂、填料、脱模剂和促进剂，其中，相对于100重量份的所述环氧树脂，固化剂的量为130-150重量份，填料的量为3-8重量份，脱模剂的量为20-50重量份并且促进剂的量为2-5重量份。
优选地，固化剂选自脂肪多元胺型固化剂、脂环多元胺型固化剂、芳香胺类固化剂或其任意组合。
如上所述，适合于拉挤工艺的树脂体系包含填料。填料就是指添加在树脂中起到改善树脂性能或起增量作用的物质。从化学成分上讲，无机填料一般分为硅酸盐类、碳酸盐类、硫酸盐类和氧化物类。使用填料可改善制品表面状况，降低收缩，并且可以降低成本，但其作用远不止这些。填料使用得当，可改善树脂系统的成型工艺性和固化后制品的性能，赋予原来单一树脂所不易得到的优异性能，但是如果使用不当，也会严重影响树脂与复合材料制品的性能。
优选的，所述填料选自硅酸盐类、碳酸盐类、硫酸盐类和氧化物类。
优选地，所述脱模剂选自滑石粉、脂肪酸皂、硅油、聚乙二醇、石蜡、甘油或其任意混合物。
优选地，所述促进剂选自叔胺类、季铵盐类、取代脲类或其任意组合。
优选地，所述玻璃纤维为1200-2400dex的玻纤纱。更优选地，复合材料的固含量为75-85重量％。固含量指的是拉挤产品中纤维所占比例。固含量过小，树脂含量过多，导致产品表面出现大量白色粉末；固含量过大，模内压力过大，导致牵拉力过大，模具损伤，产品表面出现裂纹。固含量最优选为80％-82重量％。
优选地，拉挤设备包括①增强材料架；②穿纱板；③预成型导向装置；④树脂浸胶装置；⑤带加热装置的模具；⑥牵引装置。
为了使纤维得到良好的浸润，浸胶槽中的环氧树脂粘度需保持在1000-2000Pa·s范围内，相应的浸胶槽温度在50-80℃最佳。温度过低，粘度不够，浸润效果差，拉挤产品的机电性能受影响，而温度过高，则树脂预热温度高，使凝胶点提前，粘模严重，是拉挤工艺失败的原因之一。
如上所述，本发明的工艺采用的是耐热的环氧树脂。环氧树脂拉挤工艺较为独特，相对其它树脂拉挤工艺而言要求更高。在环氧树脂拉挤工艺中主要会面临以下困难：(1)环氧树脂固化反应速度慢，反应放热量大，造成树脂粘度下降；(2)固化反应过程中收缩率小(仅为1％-6％)；(3)拉挤过程中复合材料表面起粉，复合材料表面不光滑；(4)粉末过多导致复合材料在模具腔中堵塞，造成牵弓力上升；(5)当牵引力超过设备拉力极限，会导致生产中断。
然而，通过利用本发明的拉挤工艺以及特定的树脂配方，本发明解决了上述问题，特别是降低了表面鳞裂粉尘现象。
根据本发明的一个实施方案，可以采用下列的拉挤成型工艺来实施本发明的方法：
(1)穿纱，将玻璃纤维粗纱平均分布置于纱架上，将粗纱穿过导纱板、浸胶槽压纱器以及模具孔；
(2)按配比配制树脂体系，搅拌均匀、静置；
(3)设置三区温度、拉挤速度，牵拉纤维一段时间，使其均匀分布、平行伸直；
(4)将配好的树脂倒入胶槽，使纤维充分浸渍；
(5)牵拉纤维束，开始生产；
(6)改变三区温度、浸胶槽温度及拉挤速度等工艺参数，寻找最好工艺参数；
(7)结束后空拉纤维一段时间，直至模具中没有残留树脂，彻底清理仪器。
此外，在实施本发明的方法时，应该注意下列事项：(1)不要高速搅拌树脂混合液，浸润槽内的树脂量越少越好，以确保低粘度；(2)环氧树脂一次混合量不要太多，以免加速反应；(3)预热浸润纤维，以确保低起始拉力；(4)操作时，模具温度分布要稳定；(5)拉挤速度由慢而快，确保温度分布平稳；(6)固含量在80％}-82％之间，以避免产生鳞裂粉尘，但需要提高拉力；(7)起始填料用量为10％，要能均匀分散，不能干预反应；(8)纤维与模具中轴线对齐，以减少不必要的摩擦力；(9)浸润槽树脂及时补充，适时更换；(10)随时监控浸润槽内树脂温度；(11)停机时先放空浸润槽，让干纤维继续拉入模具，清除模具内的残余树脂后再停机。
具体实施方式
以下将描述实施本发明的实施方案。然而，本发明的范围不局限于所述的实施方式，只要不损害主旨，可以对本发明进行各种更改。除非另有说明，否则以下的配比是指重量比例。
实施例和对照例
按下表所示的配方并且根据上文所述的方法制备实施例和对照例的样品，其中采用的玻璃纤维为两种无捻玻璃纤维粗纱，规格分别为2400tex和1200Tex。实施例中采用的树脂配方I：树脂∶固化剂∶脱模剂∶填料∶促进剂＝100∶141∶5∶30∶3，对照例采用的树脂配方II如下：树脂∶固化剂∶促进剂＝100∶140∶0.8。
结果如下：
针对树脂体系I：当三区温度为200℃/210℃/210℃时，制品表面光滑无粉。若预热区温度太高，凝胶点前移，导致体系粘度过早增大，牵引力增加，发生局部粘模，产品表面粗糙；温度太低，预热不充分，易引起树脂在凝胶区粘模，造成脱模困难，牵引力增大，最后堵模，拉挤成型失败。凝胶区的温度应控制在190-200℃内，若温度太高，加上环氧树脂凝胶时放出的热量可能导致复合材料裂解而使性能降低；若温度太低，凝胶时间长，粘模会使牵引力增加，从而导致制品表面不光滑。恒温区温度也应适中，若太低则固化不完全，太高则可能引起制品裂解，均会降低制品的性能。
可以得出，三区温度对拉挤制品外观的影响尤为重要，预热区凝胶区、固化区的温度应该是一个科学合理的搭配，才能拉挤出表面光滑的制品，而不能过低，这样会影响拉挤速度，也不能过高，这样也会适得其反，使制品的性能大大降低。树脂体系工在经过多次实验与调试后，能够通过工艺温度的调整获得光滑表面的制品，而树脂体系II，无论如何调整三区温度都无法获得符合要求的制品。

Claims (8)

1.一种复合材料电缆芯的制备方法，包括：
(1)用树脂体系溶液浸渍连续的玻璃纤维；
(2)用包括拉挤模具的拉挤设备将浸渍的玻璃纤维拉挤成型，拉挤速度为20-40cm/min，并且模具的三区温度分布分别为180-200℃、210-215℃和210-215℃；以及
(3)通过加热室使所述树脂体系进一步固化；
其中所述树脂体系包含环氧树脂、固化剂、填料、脱模剂和促进剂，相对于100重量份的所述环氧树脂，固化剂的量为130-150重量份，填料的量为3-8重量份，脱模剂的量为20-50重量份并且促进剂的量为2-5重量份。
2.根据权利要求1所述的复合材料电缆芯的制备方法，其中所述固化剂选自脂肪多元胺型固化剂、脂环多元胺型固化剂、芳香胺类固化剂或其任意组合。
3.根据权利要求1所述的复合材料电缆芯的制备方法，其中所述填料选自硅酸盐类、碳酸盐类、硫酸盐类和氧化物类。
4.根据权利要求1所述的复合材料电缆芯的制备方法，其中所述脱模剂选自滑石粉、脂肪酸皂、硅油、聚乙二醇、石蜡、甘油或其任意混合物。
5.根据权利要求1所述的复合材料电缆芯的制备方法，其中所述促进剂选自叔胺类、季铵盐类、取代脲类或其任意组合。
6.根据权利要求1所述的复合材料电缆芯的制备方法，其中所述玻璃纤维为1200-2400dex的玻纤纱。
7.根据权利要求1所述的复合材料电缆芯的制备方法，其中在所述复合材料中，所述玻璃纤维占75-85重量％。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的复合材料电缆芯的制备方法，其中所述拉挤设备包括：①增强材料架；②穿纱板；③预成型导向装置；④树脂浸胶装置；⑤带加热装置的模具；⑥牵引装置。
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