CN106611628B - 一种复合芯及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种复合芯及其制备方法，采用热塑性聚合物纳米纤维、碳纤维和玻璃纤维的混纤纱为原料，制造过程包括：1)碳纤维与热塑性聚合物纳米纤维混纤纱经集束器集聚成碳纤维圆形棒体；2)将玻璃纤维与热塑性聚合物纳米纤维混纤纱包裹在碳纤维圆形棒体上后的型材经冷却定型后即为成品。本发明提供的一种复合芯及其制备方法，创新性解决了普通复合芯的原料回收、损伤不可修复等问题，制成的复合芯抗拉和弯绕性能好，高温运行稳定性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合芯，具体讲涉及一种复合芯及其制备方法。
背景技术
复合芯导线具备强度高、导电率高、载流量大、线膨胀系数小、弧垂小、重量轻等优异性能。其应用在新建输配电线路可缩减杆塔数量及高度、最大限度节约线路走廊用地，故能减少输配电线路综合造价、节约土地资源、保护生态环境；此外对已有输电线路扩容改造，能在不改变已有杆塔和输配电设施下，直接替换传统普通钢芯铝绞线；该复合芯导线能实现跨江跨海峡等大跨距输电。其改造现有线路成本低廉的优势为解决输电线路扩容提供了有效解决方式，故在国内外电力行业得到广泛关注。
目前，复合芯的树脂基体多为热固性，此类复合芯导线施工防线过程中挤压、弯曲对其表面造成宏观缺陷损伤，这类损伤缺陷不可修复，在复合芯导线运行过程中极易造成安全事故；另复合芯生产过程中的复绕检测，一旦损伤，整盘报废；此外复合芯中热固性树脂基体不能回收利用，并存在质脆、韧性不足等问题。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本发明的目的是克服上述热固性复合芯损伤不可修复、不可回收利用、维修成本高等问题，提出一种复合芯及其制备方法，其采用热塑性材料为基体，加热后可再次熔融成型，具有损伤可修复、原料可循环利用等优点。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种复合芯，制备所述复合芯的材料包括：碳纤维与热塑性聚合物纳米纤维的混纤纱、玻璃纤维与热塑性聚合物纳米纤维的混纤纱；按体积百分比计，所述碳纤维与热塑性聚合物纳米纤维的混纤纱中碳纤维55～90％，所述玻璃纤维与热塑性聚合物纳米纤维的混纤纱中玻璃纤维55～90％；所述热塑性聚合物纳米纤维的直径10nm～1000nm。
一种复合芯制备方法，所述方法步骤包括：1)碳纤维与热塑性聚合物纳米纤维混纤纱经集束器集聚成碳纤维圆形棒体；2)在碳纤维圆形棒体上包裹玻璃纤维与热塑性聚合物纳米纤维混纤纱后冷却即得成品。
进一步的，所述步骤1)碳纤维和热塑性聚合物纳米纤维混纤纱丝束经干燥器干燥后，再经碳纤维芯层集丝器制成所述的碳纤维圆形棒体；所述步骤2)，用丝束导丝器将玻璃纤维和热塑性聚合物纳米纤维混纤纱丝束导入玻璃纤维层集丝器后，制成纤维层包裹在碳纤维圆形棒体外，后进入高温成型模具区中使热塑性聚合物纳米纤维熔融并浸渍成型，经冷却得成品。
进一步的，所述高温成型模具区温度在100℃～550℃；按体积百分比计，所述热塑性聚合物纳米纤维为30％～45％；所述玻璃纤维层厚度不小于复合芯直径的5％。
进一步的，所述热塑性聚合物纳米纤维从聚醚酰亚胺纳米纤维，聚苯硫醚纳米纤维，聚乙烯纳米纤维、聚丙烯纳米纤维、聚酰胺纳米纤维、聚丙烯腈纳米纤维、聚酯纳米纤维、聚苯乙烯纳米纤维、聚碳酸酯纳米纤维、聚醚醚酮纳米纤维中选出的。
进一步的，所述热塑性聚合物纳米纤维为聚醚酰亚胺纳米纤维。
进一步的，所述聚醚酰亚胺分子链分子结构从下面选出：
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：
(1)实现复合芯的损伤可修复，避免复合芯出现损伤即整盘报废的风险。
(2)可实现复合芯退役后回收循环利用，解决普通复合芯不能回收利用问题。
(3)制备方法简单，便于操作，实用性强，生产及后期维修成本低。
(4)本发明的复合芯制备过程中若存在缺陷(如凹凸、竹节、银纹、裂纹、树脂积瘤、孔洞、纤维裸露、划伤及磨损等)，均可对缺陷部位重新加热，将基体材料熔融重塑以消除缺陷。
(5)本发明的复合芯制备过程中热塑性聚合物纳米纤维更易熔融，并在纳米级上对碳纤维及玻璃纤维浸渍，所产生的浸渍效果更为优异。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1热塑性复合芯的制备过程图；
图2热塑性复合芯的剖面结构图。
图中：1、碳纤维和聚合物纳米纤维混纤纱丝束；2、干燥器；3、碳纤维芯层集丝器；4、丝束导丝器；5、玻璃纤维和聚合物纳米纤维混纤纱丝束；6、玻璃纤维层集丝器；7、高温成型模具区；8、冷却成型模具区；9、玻璃纤维/热塑性聚合物层；10、碳纤维/热塑性聚合物层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，根据本发明的实施例，提供了一种复合芯，制备所述复合芯的材料包括：碳纤维与热塑性聚合物纳米纤维的混纤纱、玻璃纤维与热塑性聚合物纳米纤维的混纤纱；按体积百分比计，所述碳纤维与热塑性聚合物纳米纤维的混纤纱中碳纤维55～90％，所述玻璃纤维与热塑性聚合物纳米纤维的混纤纱中玻璃纤维55～90％；所述热塑性聚合物纳米纤维的直径10nm～1000nm。
此外，在一个具体实施例中，一种复合芯制备方法，所述方法步骤包括：1)碳纤维与热塑性聚合物纳米纤维混纤纱经集束器集聚成碳纤维圆形棒体；2)在碳纤维圆形棒体上包裹玻璃纤维与热塑性聚合物纳米纤维混纤纱后冷却即得成品。
优选的，在一个具体实施例中，所述步骤1)碳纤维和热塑性聚合物纳米纤维混纤纱丝束1经干燥器2干燥后，再经碳纤维芯层集丝器3向外拉挤制成所述的碳纤维圆形棒体。
优选的，在一个具体实施例中，所述步骤2)，用丝束导丝器4将玻璃纤维和热塑性聚合物纳米纤维混纤纱丝束5导入玻璃纤维层集丝器6后，制成纤维层包裹在碳纤维圆形棒体外，后进入高温成型模具区7中使热塑性聚合物纳米纤维熔融并浸渍成型，经冷却得成品。
优选的，在一个具体实施例中，所述高温成型模具区7温度在100℃～550℃；所述向外拉挤速度0.01m/min～1m/min；按体积百分比计，所述热塑性聚合物纳米纤维为30％～45％；所述玻璃纤维层厚度不小于复合芯直径的5％。
优选的，在一个具体实施例中，所述热塑性聚合物纳米纤维从聚醚酰亚胺纳米纤维，聚苯硫醚纳米纤维，聚乙烯纳米纤维、聚丙烯纳米纤维、聚酰胺纳米纤维、聚丙烯腈纳米纤维、聚酯纳米纤维、聚苯乙烯纳米纤维、聚碳酸酯纳米纤维、聚醚醚酮纳米纤维中选出的；所述热塑性聚合物纳米纤维为聚醚酰亚胺纳米纤维；所述聚醚酰亚胺分子链分子结构从下面选出：
为了方便理解本发明中的上述技术方案，以下通过具体实施方式对本发明中的上述技术方案进行详细说明。
实施例1
选取复合芯制备原料，按体积百分比计，65％碳纤维和35％热塑性聚醚酰亚胺(PEI)纳米纤维的混纤纱、65％玻璃纤维和35％热塑性聚醚酰亚胺纳米纤维的混纤纱。其中，PEI纳米纤维直径为350nm，PEI的分子链中包括如下结构：
实验测得PEI玻璃化转变温度199℃、起始分解温度539℃、拉伸强度94MPa、拉伸模量3.2GPa、断裂伸长率5.2％，其性能满足复合芯基体材料的使用要求。
碳纤维和热塑性聚合物纳米纤维混纤纱丝束1经干燥器2干燥后，再经碳纤维芯层集丝器3向外拉挤制成碳纤维圆形棒体；用丝束导丝器4将玻璃纤维和热塑性聚合物纳米纤维混纤纱丝束5导入玻璃纤维层集丝器6后，制成纤维层包裹在碳纤维圆形棒体外，后进入高温成型模具区7中使热塑性聚合物纳米纤维熔融并浸渍成型，其中高温成型模具区7温度为450℃；成型后经冷却成型模具区8冷却得成品，其中冷却成型模具区8温度为400℃～100℃。
热塑性复合芯成品中纤维体积分数控制在65％左右。
在热塑性复合芯制备过程中，若产品存在缺陷(如凹凸、竹节、银纹、裂纹、树脂积瘤、孔洞、纤维裸露、划伤及磨损等)，均可对缺陷部位重新加热，将基体材料熔融重塑以消除缺陷。
在复合芯服役期满退役后，可将其再次加热熔融，分别回收热塑性聚合物基体及增强纤维。
实施例2：
选取复合芯制备原料，按体积百分比计，60％碳纤维和40％热塑性聚醚酰亚胺(PEI)纳米纤维的混纤纱、60％玻璃纤维和40％热塑性聚醚酰亚胺纳米纤维的混纤纱。其中，PEI纳米纤维直径为350nm，PEI的分子链中包括如下结构：
实验测得PEI玻璃化转变温度210℃、起始分解温度535℃、拉伸强度83MPa、拉伸模量2.6GPa、断裂伸长率5.8％，其性能满足复合芯基体材料的使用要求。
碳纤维和热塑性聚合物纳米纤维混纤纱丝束1经干燥器2干燥后，再经碳纤维芯层集丝器3向外拉挤制成碳纤维圆形棒体；用丝束导丝器4将玻璃纤维和热塑性聚合物纳米纤维混纤纱丝束5导入玻璃纤维层集丝器6后，制成纤维层包裹在碳纤维圆形棒体外，后进入高温成型模具区7中使热塑性聚合物纳米纤维熔融并浸渍成型，其中高温成型模具区7温度为450℃；成型后经冷却成型模具区8冷却得成品，其中冷却成型模具区8温度为400℃～100℃。
热塑性复合芯成品中纤维体积分数控制在60％左右。
在热塑性复合芯制备过程中，若产品存在缺陷(如凹凸、竹节、银纹、裂纹、树脂积瘤、孔洞、纤维裸露、划伤及磨损等)，均可对缺陷部位重新加热，将基体材料熔融重塑以消除缺陷。
在复合芯服役期满退役后，可将其再次加热熔融，分别回收热塑性聚合物基体及增强纤维。
实施例3：
选取复合芯制备原料，按体积百分比计，55％碳纤维和45％热塑性聚醚酰亚胺(PEI)纳米纤维的混纤纱、55％玻璃纤维和45％热塑性聚醚酰亚胺纳米纤维的混纤纱。其中，PEI纳米纤维直径为350nm，PEI的分子链中包括如下结构：
实验测得PEI玻璃化转变温度192℃、起始分解温度540℃、拉伸强度83MPa、拉伸模量2.7GPa、断裂伸长率5.0％，其性能满足复合芯基体材料的使用要求。
碳纤维和热塑性聚合物纳米纤维混纤纱丝束1经干燥器2干燥后，再经碳纤维芯层集丝器3向外拉挤制成碳纤维圆形棒体；用丝束导丝器4将玻璃纤维和热塑性聚合物纳米纤维混纤纱丝束5导入玻璃纤维层集丝器6后，制成纤维层包裹在碳纤维圆形棒体外，后进入高温成型模具区7中使热塑性聚合物纳米纤维熔融并浸渍成型，其中高温成型模具区7温度为400℃；成型后经冷却成型模具区8冷却得成品，其中冷却成型模具区8温度为350℃～100℃。
热塑性复合芯成品中纤维体积分数控制在55％左右。
在热塑性复合芯制备过程中，若产品存在缺陷(如凹凸、竹节、银纹、裂纹、树脂积瘤、孔洞、纤维裸露、划伤及磨损等)，均可对缺陷部位重新加热，将基体材料熔融重塑以消除缺陷。
在复合芯服役期满退役后，可将其再次加热熔融，分别回收热塑性聚合物基体及增强纤维。
本发明的架空导线用树脂基增强纤维复合芯采用热塑性树脂，长期工作的温度为零下50℃至260℃，直径5mm～11mm。本发明根据不同材料及不同比例制备的复合芯抗拉强度为1500MPa～2600MPa，比重为1.6～2.0kg/dm3，线膨胀系数不大于2.0×10-6/℃。
综上所述，本发明提供的一种树脂基增强纤维复合芯及其制备方法，创新性解决了普通复合芯的原料回收、损伤不可修复等问题，制成的复合芯抗拉和弯绕性能好，高温运行稳定性高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种复合芯，其特征在于，制备所述复合芯的材料包括：碳纤维与热塑性聚合物纳米纤维的混纤纱、玻璃纤维与热塑性聚合物纳米纤维的混纤纱；
所述热塑性聚合物玻璃化转变温度为199℃、210℃或192℃；
所述热塑性聚合物纳米纤维为聚醚酰亚胺纳米纤维；
所述聚醚酰亚胺分子链分子结构包括和从
中选出的一种。
2.如权利要求1所述复合芯，其特征在于，按体积百分比计，所述碳纤维与热塑性聚合物纳米纤维的混纤纱中碳纤维55～90％。
3.如权利要求1所述复合芯，其特征在于，按体积百分比计，所述玻璃纤维与热塑性聚合物纳米纤维的混纤纱中玻璃纤维55～90％。
4.如权利要求1所述复合芯，其特征在于，所述热塑性聚合物纳米纤维的直径10nm～1000nm。
5.一种如权利要求1-4任一所述复合芯的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)碳纤维与热塑性聚合物纳米纤维混纤纱经集束器集聚成碳纤维圆形棒体；
2)在碳纤维圆形棒体上包裹玻璃纤维与热塑性聚合物纳米纤维混纤纱后冷却即得成品。
6.如权利要求5所述复合芯制备方法，其特征在于，所述步骤1)碳纤维和热塑性聚合物纳米纤维混纤纱丝束(1)经干燥器(2)干燥后，再经碳纤维芯层集丝器(3)制成所述的碳纤维圆形棒体。
7.如权利要求5所述复合芯制备方法，其特征在于，所述步骤2)，用丝束导丝器(4)将玻璃纤维和热塑性聚合物纳米纤维混纤纱丝束(5)导入玻璃纤维层集丝器(6)后，制成玻璃纤维层包裹在碳纤维圆形棒体外，后进入高温成型模具区(7)中使热塑性聚合物纳米纤维熔融并浸渍成型，经冷却得成品。
8.如权利要求7所述复合芯制备方法，其特征在于，所述高温成型模具区(7)温度在100℃～550℃。
9.如权利要求5所述复合芯制备方法，其特征在于，按体积百分比计，所述步骤1)与所述步骤2)中的热塑性聚合物纳米纤维均为30％～45％。
10.如权利要求7所述复合芯制备方法，其特征在于，所述玻璃纤维层厚度不小于复合芯直径的5％。
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