CN113250517B - 电力杆塔复合结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电力杆塔复合结构，属于杆塔技术领域。一种电力杆塔复合结构，包括柔性石墨布层和树脂基体材料层，所述柔性石墨布层由柔性石墨布预浸环氧乙烯基树脂形成，所述柔性石墨布层的两端设置绝缘泡沫段，所述树脂基体材料层由环氧树脂、聚氨酯树脂、增强材料、填料和固化剂制成，所述树脂基体材料层包括设置在所述柔性石墨布层内侧的第一树脂基体材料层，以及设置在所述柔性石墨布层外侧的第二树脂基体材料层。本发明一种电力杆塔复合结构，用于克服复合材料刚度不足，导致杆塔位移较大的问题。

Description

电力杆塔复合结构及其制备方法

技术领域

本发明属于杆塔技术领域，具体涉及一种电力杆塔复合结构及其制备方法。

背景技术

对于整个输电线路而言，杆塔结构是其中非常重要的构成部分，是保障输电线路可靠稳定运行的基础，在杆塔结构的作用下，可以保证输电线路与地面之间保持安全距离。鉴于杆塔在输电线路中扮演的重要角色，其合理设计显得尤为重要。

纤维增强树脂基复合材料具有高比强度、高比模量、良好的耐腐蚀性、优异的可设计性以及可整体成型等特点，目前已作为结构材料被逐渐应用到电力领域。复合材料电力杆塔一般以环氧树脂、聚氨酯树脂等为基体，以玻璃纤维、碳纤维等为增强材料，通过缠绕成型工艺或拉挤成型工艺制成，主要有以下优点：第一，相比于木质杆、钢管杆、铁塔等，复合材料杆塔的重量大大减小，显著降低了运输成本，提高了安装速度；第二，复合材料杆塔耐酸、碱、盐腐蚀性能良好，可有效抵御海水浸泡、盐碱环境、重污染和酸性大气等恶劣环境；第三，复合材料的电绝缘性能优异，可有效规避雷击风险，还可设计减少线路廊宽度，提高土地资源利用率；此外，复合材料杆塔可以减少矿产资源的使用，有助于环境保护。总之，复合材料电力杆塔综合性能良好，具有十分广阔的应用前景，进一步开发低成本、高性能的复合材料电力杆塔已成为未来的发展趋势。

例如，公开号为CN101929262A 的专利文献提供了一种用复合材料电力线路杆塔，制作杆塔所采用的材料由聚氨酯及其改性材料、玻璃纤维及助剂组成，复合材料名称及重量百分比为：聚氨酯树脂20～40％，玻璃纤维56～78％，助剂2～4％，聚氨酯基体耐老化性能突出，使用周期更长，抗应力开裂性能优良，螺丝拔出强度高，与增强纤维界面粘结强，另外，聚氨酯吸水率很小，增加材料绝缘安全性。又如，公开号为CN107740629A的专利文献提供了一种碳纤维拉挤板增强输电线路用复合材料杆塔及其制备方法。该碳纤维拉挤板增强输电线路用复合材料杆塔包括由玻璃纤维螺旋缠绕形成的杆塔本体，杆塔本体为中空结构，杆塔本体的外表面包覆有碳纤维拉挤板粘接形成的碳纤维拉挤板拼接层，碳纤维拉挤板拼接层的表面包覆有玻璃纤维螺旋缠绕形成的玻璃纤维层；其中，碳纤维拉挤板在杆塔本体的外表面首尾粘接形成碳纤维拉挤板增强环，碳纤维拉挤板增强环在杆塔本体的外表面沿轴向平行排布至铺满杆塔本体的外表面，形成碳纤维拉挤板拼接层。该碳纤维拉挤板增强输电线路用复合材料杆塔，具有优异的纵向弯曲强度、压缩强度和剪切强度。上述复合材料杆塔显示比采用常规杆塔性能更突出，但是目前单纯采用纤维增强复合材料的杆塔刚度不足，有待改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种电力杆塔复合结构，以克服复合材料刚度不足，导致杆塔位移较大的问题。

本发明的另一个目的是提供一种电力杆塔复合结构的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种电力杆塔复合结构，包括柔性石墨布层和树脂基体材料层，所述柔性石墨布层由柔性石墨布预浸环氧乙烯基树脂形成，所述柔性石墨布层的两端设置绝缘泡沫段，所述树脂基体材料层由环氧树脂、聚氨酯树脂、增强材料、填料和固化剂制成，所述树脂基体材料层包括设置在所述柔性石墨布层内侧的第一树脂基体材料层，以及设置在所述柔性石墨布层外侧的第二树脂基体材料层。

优选地，所述柔性石墨布层的厚度为0.3-2mm，所述绝缘泡沫段的长度为10-20cm。

优选地，所述增强材料为无碱玻璃纤维和碳纤维中的一种或两种。

优选地，所述填料为钢渣粉、滑石粉和聚丙烯纤维中的一种或多种。

优选地，所述填料为钢渣粉与滑石粉的组合，或钢渣粉与聚丙烯纤维的组合。

作为本发明的优选方案，所述钢渣粉与滑石粉的组合中，所述钢渣粉与滑石粉的重量比为（1-3）：1。

优选地，所述环氧树脂、聚氨酯树脂、增强材料、填料和固化剂的重量份数依次为：30-50份、20-40份、10-30份、1-10份、3-12份。

优选地，所述第一树脂基体材料层为由多个复合材料单丝绕制而成的圆柱结构，所述复合材料单丝由环氧树脂、聚氨酯树脂、增强材料、填料和固化剂通过拉挤成型工艺制备得到。

优选的，所述第二树脂基体材料层由环氧树脂、聚氨酯树脂、增强材料、填料和固化剂通过混合、涂覆和固化得到。

一种电力杆塔复合结构的制备方法，包括以下步骤：

1）通过拉挤成型工艺将环氧树脂、聚氨酯树脂、增强材料、填料和固化剂制备成复合材料单丝；

2）将复合材料单丝绞制成圆柱结构，得到第一树脂基体材料层；

3）将柔性石墨布预浸环氧乙烯基树脂得到柔性石墨布层，将所述柔性石墨布层包裹在所述第一树脂基体材料层的表面，两端设置绝缘泡沫段；

3）将环氧树脂、聚氨酯树脂、增强材料、填料和固化剂混合均匀，涂覆在所述柔性石墨布层的外表面，待固化，即得。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明针对现有复合材料杆塔直接采用纤维增强树脂基复合材料制成，刚度不足，导致杆塔的位移较大的缺陷提供了解决方案。首先，柔性石墨布通常用作接地材料，但是在本发明中，柔性石墨布设置在树脂基体材料层之间，两端采用绝缘泡沫段隔开，从而摒弃其导电性，利用其自身优异的机械性能来增强电力杆塔的力学性能。而且，环氧乙烯基树脂为绝缘树脂，将其通过预浸工艺与柔性石墨布结合，能够进一步加强其绝缘性，而且还能增强其整体强度。其次，本发明通过将上述材料组合通过拉挤成型工艺制备得到复合材料单丝，该复合材料单丝不是直接作为杆塔，而是多股绕制形成第一树脂基体材料层，这样能够克服单丝横向强度较差的缺陷。再次，第二树脂基体材料层与第一树脂基体材料层的加工工艺不同，二者的作用也存在差别，第一树脂基体材料层位于芯部，是整个结构的关键，通过拉挤成型及多股绕制实现了对复合结构强度的保证，而第二树脂基体材料层是包裹在柔性石墨布层的外部，作为防护及增强之用。

本发明电力杆塔复合结构的拉伸强度69-78MPa，拉伸弹性模量3.5-4.7GPa，轴向拉伸强度713-815MPa，轴向压缩强度335-403MPa，轴向弯曲强度623-692MPa，符合T/CEC108-2016标准要求，有效解决了传统纤维增强复合材料杆塔刚度不足的缺陷。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

图1：本发明一种电力杆塔复合结构的结构示意图；

其中，1-第一树脂基体材料层，2-柔性石墨布层，3-绝缘泡沫段，4-第二树脂基体材料层。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例和附图进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。

本发明下述实施例所用原材料均可市售获取，或通过现有方法进行制备得到。

参阅图1，一种电力杆塔复合结构，包括柔性石墨布层2和树脂基体材料层，所述柔性石墨布层2由柔性石墨布预浸环氧乙烯基树脂形成，所述柔性石墨布层2的两端设置绝缘泡沫段3，所述树脂基体材料层由环氧树脂、聚氨酯树脂、增强材料、填料和固化剂制成，所述树脂基体材料层包括设置在所述柔性石墨布层2内侧的第一树脂基体材料层1，以及设置在所述柔性石墨布层2外侧的第二树脂基体材料层4。

柔性石墨布通常用作接地材料。在本发明中，柔性石墨布设置在树脂基体材料层之间，两端采用绝缘泡沫段3隔开，从而摒弃其导电性，利用其自身优异的机械性能来增强电力杆塔的力学性能。而且，环氧乙烯基树脂为绝缘树脂，将其通过预浸工艺与柔性石墨布结合，能够进一步加强其绝缘性，而且还能增强其整体强度。

在本发明的一些实施例中，所述柔性石墨布层2的厚度为0.3-2mm，所述绝缘泡沫段3的长度为10-20cm。柔性石墨布层2的厚度不宜过大，2mm以下为宜，因为柔性石墨布柔韧性能好，过厚则其柔韧性突显，对本发明整体结构的刚性改善不利，而过薄则无实质性效益。

在本发明的一些实施例中，所述增强材料为无碱玻璃纤维和碳纤维中的一种或两种，无碱玻璃纤维和碳纤维具有质量轻、强度高、良好的电绝缘性、优异的化学稳定性、性价比高等优点，能够提高杆塔的刚性。

在本发明的一些实施例中，所述填料为钢渣粉、滑石粉和聚丙烯纤维中的一种或多种。

作为本发明的优选方案，所述填料为钢渣粉与滑石粉的组合，或钢渣粉与聚丙烯纤维的组合。

作为本发明的优选方案，所述钢渣粉与滑石粉的组合中，所述钢渣粉与滑石粉的重量比为（1-3）：1。填料能够增强复合材料的机械性能、耐候性能以及耐腐蚀性等，使得复合性能能够更长期地应用于户外环境。

在本发明的一些实施例中，所述环氧树脂、聚氨酯树脂、增强材料、填料和固化剂的重量份数依次为：30-50份、20-40份、10-30份、1-10份、3-12份。上述原料通过科学地组合搭配，使得复合材料的力学性能更为突显。

在本发明中，固化剂可选择胺类固化剂，例如：二甲基乙醇胺、四乙烯五胺。

在本发明的一些实施例中，所述第一树脂基体材料层1为由多个复合材料单丝绕制而成的圆柱结构，所述复合材料单丝由环氧树脂、聚氨酯树脂、增强材料、填料和固化剂通过拉挤成型工艺制备得到。拉挤成型工艺为现有技术，不再赘述。本发明通过将上述材料组合通过拉挤成型工艺制备得到复合材料单丝，该复合材料单丝不是直接作为杆塔，而是多股绕制形成第一树脂基体材料层1，这样能够克服单丝横向强度较差的缺陷。

在本发明的一些实施例中，所述第二树脂基体材料层4由环氧树脂、聚氨酯树脂、增强材料、填料和固化剂通过混合、涂覆和固化得到。第二树脂基体材料层4与第一树脂基体材料层1的加工工艺不同，二者的作用也存在差别，第一树脂基体材料层1位于芯部，是整个结构的关键，通过拉挤成型及多股绕制实现了对复合结构强度的保证，而第二树脂基体材料层4是包裹在柔性石墨布层2的外部，作为防护及增强之用。

本发明还提供了一种电力杆塔复合结构的制备方法，包括以下步骤：

1）通过拉挤成型工艺将环氧树脂、聚氨酯树脂、增强材料、填料和固化剂制备成复合材料单丝；

2）将复合材料单丝绞制成圆柱结构，得到第一树脂基体材料层1；

3）将柔性石墨布预浸环氧乙烯基树脂得到柔性石墨布层2，将所述柔性石墨布层2包裹在所述第一树脂基体材料层1的表面，两端设置绝缘泡沫段3；

3）将环氧树脂、聚氨酯树脂、增强材料、填料和固化剂混合均匀，涂覆在所述柔性石墨布层2的外表面，待固化，即得。

本发明通过上述制备方法制得电力杆塔复合结构，该复合结构可克服纤维增强复合材料杆塔的刚性不足缺陷，使其位移减少。

实施例1-5：

制备第一树脂基体材料层1，包括以下步骤：

1）通过拉挤成型工艺将环氧树脂、聚氨酯树脂、增强材料、填料和固化剂制备成复合材料单丝；

2）将复合材料单丝绞制成圆柱结构，得到第一树脂基体材料层1。

其中，环氧树脂、聚氨酯树脂、增强材料、填料和固化剂的重量份数取值如下表所示：

实施例6-10

制备第二树脂基体材料层4，具体为：将环氧树脂、聚氨酯树脂、增强材料、填料和固化剂混合均匀，涂膜，固化得到。

其中，环氧树脂、聚氨酯树脂、增强材料、填料和固化剂的重量份数取值如下表所示：

实施例11：

一种电力杆塔复合结构的制备方法，包括以下步骤：

将柔性石墨布预浸环氧乙烯基树脂得到柔性石墨布层2，将所述柔性石墨布层2包裹在所述第一树脂基体材料层1的表面，两端设置绝缘泡沫段3；

将第二树脂基体材料层4涂膜、固化在所述柔性石墨布层2的外表面。

本发明电力杆塔复合结构能够提高单一纤维增强复合材料做杆塔存在的刚度不足缺陷，同时采用两种不同的方法制备纤维增强复合材料，并配合结构上的创新，也改善了单一采用拉挤成型工艺制备纤维增强复合材料存在的材料横向强度较差的缺陷，提高了整体结构的机械性能。

对照组：

一种电力复合杆塔结构的制备方法，具体为：通过拉挤成型工艺将环氧树脂、聚氨酯树脂、增强材料、填料和固化剂制作成长度为3m，直径为400mm等径杆。

其中各原料的比例参阅实施例1。不再赘述。

效果评价

参照参考T/CEC108-2016标准，将本发明制作成长度为3m，直径为400mm的普通等径杆，经检测：

1）杆塔的力学性能，本发明电力杆塔复合结构符合下列要求：

a) 加荷至标准检验弯矩时，电杆未出现表面裂纹

b）加荷至承载力检验弯矩时，电杆未出现表面裂纹、发白等现象，且杆体未折断。

2）杆塔的材料性能，检测结果如下表所示：

由上表可知，在相同的直径和长度下，本发明杆塔的材料性能明显优于对照组。具体的，较对照组，本发明杆塔的拉伸弹性模量最高提高了62.1%，说明本发明结构在受力时抵抗弹性变形的能力更强，刚度更好，从而能够有效克服常规纤维增强复合材料刚度不足的缺陷。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种电力杆塔复合结构，其特征在于：包括柔性石墨布层和树脂基体材料层，所述柔性石墨布层由柔性石墨布预浸环氧乙烯基树脂形成，所述柔性石墨布层的两端设置绝缘泡沫段，所述树脂基体材料层由环氧树脂、聚氨酯树脂、增强材料、填料和固化剂制成，所述树脂基体材料层包括设置在所述柔性石墨布层内侧的第一树脂基体材料层，以及设置在所述柔性石墨布层外侧的第二树脂基体材料层，所述第一树脂基体材料层为由多个复合材料单丝绕制而成的圆柱结构，所述复合材料单丝由环氧树脂、聚氨酯树脂、增强材料、填料和固化剂通过拉挤成型工艺制备得到，所述第二树脂基体材料层由环氧树脂、聚氨酯树脂、增强材料、填料和固化剂通过混合、涂覆和固化得到。

2.如权利要求1所述的电力杆塔复合结构，其特征在于：所述柔性石墨布层的厚度为0.3-2mm，所述绝缘泡沫段的长度为10-20cm。

3.如权利要求1所述的电力杆塔复合结构，其特征在于：所述增强材料为无碱玻璃纤维和碳纤维中的一种或两种。

4.如权利要求1所述的电力杆塔复合结构，其特征在于：所述填料为钢渣粉、滑石粉和聚丙烯纤维中的一种或多种。

5.如权利要求1所述的电力杆塔复合结构，其特征在于：所述填料为钢渣粉与滑石粉的组合，或钢渣粉与聚丙烯纤维的组合。

6.如权利要求4或5所述的电力杆塔复合结构，其特征在于：所述钢渣粉与滑石粉的组合中，所述钢渣粉与滑石粉的重量比为(1-3)：1。

7.如权利要求1所述的电力杆塔复合结构，其特征在于：所述环氧树脂、聚氨酯树脂、增强材料、填料和固化剂的重量份数依次为：30-50份、20-40份、10-30份、1-10份、3-12份。

8.一种电力杆塔复合结构的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)通过拉挤成型工艺将环氧树脂、聚氨酯树脂、增强材料、填料和固化剂制备成复合材料单丝；

2)将复合材料单丝绞制成圆柱结构，得到第一树脂基体材料层；

3)将柔性石墨布预浸环氧乙烯基树脂得到柔性石墨布层，将所述柔性石墨布层包裹在所述第一树脂基体材料层的表面，两端设置绝缘泡沫段；

3)将环氧树脂、聚氨酯树脂、增强材料、填料和固化剂混合均匀，涂覆在所述柔性石墨布层的外表面，待固化，即得。

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