CN114057945B - 一种适用于光伏柔性支撑的双护套钢绞线索及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于光伏柔性支撑的双护套钢绞线索，双护套钢绞索包括预应力钢绞线，预应力钢绞线外依次包裹内护套、外护套，预应力钢绞线和内护套间填充有防腐润滑油，外护套的原料包括如下原料：高密度聚乙烯(HDPE)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、接枝单体、引发剂、增韧剂、润滑剂、有机溶剂，接枝单体为不饱和酸与不饱和萘醚的组合物；内护套包括如下原料：高密度聚乙烯(HDPE)、甲基丙烯酸缩水甘油酯、引发剂、润滑剂。本发明以接枝有不饱和酸与不饱和萘醚单体的高密度聚乙烯为主体树脂制作双护套钢绞线索的外护套，得到具有良好耐腐蚀和紫外线性能的光伏柔性支撑线索。

Description

一种适用于光伏柔性支撑的双护套钢绞线索及其制备方法

技术领域

本发明属于预应力钢绞线领域，具体涉及一种用于光伏柔性支撑的双护套钢绞线索及其制备方法。

背景技术

传统能源储量有限，对环境的污染也日益突出，太阳能具有无污染、可再生等突出优点，应用前景广阔。随着国家对太阳能光伏发电支持力度的加大，光伏发电越来越受到企业的青睐，然而传统光伏结构主要采用刚性结构体系作为支撑，支撑构件大，固定光伏支架占用地面空间大，钢材耗费多，工期长经济性差，并且传统固定光伏支架已不能满足各类复杂环境。因此可节约土地资源，且造价成本低的柔性光伏支架应运而生。柔性太阳能光伏支架以承重索或斜拉索(钢绞结构，包括钢丝绳或钢绞线材料)为主，钢斜柱、钢立柱和钢梁为辅，光伏板通过连接件与上、下柔性支撑索连接，具有强度高、弹性模量大、松弛率低的优点。如专利CN201620956069.6公开了预应力钢绞线防护外壳，包括预应力钢绞线，预应力钢绞线外侧由内向外依次为油脂防护套、橡胶缠带、钢管，在钢管连接处设有钢管连接装置。专利CN202110434429.1公开了一种预应力柔性光伏固定支架，包括至少两排光伏支架；每排光伏支架包括至少一组端立柱，端立柱在钢索的长度方向牵拉两根柔性的钢索，两根钢索形成高低结构，两根钢索上可安装太阳能电池板，钢索为预应力镀锌钢绞线，相邻的光伏支架的中间立柱之间设置加强连接结构、以提升中间立柱在排宽方向的承载力及整体稳定性。

以上现有技术均为以钢绞结构为主的柔性固定支架作为光伏板的支撑结构，即增大了环境空间的利用率，解决了大跨度、抗风能力弱等传统光伏支架系统存在的问题，又实现了降低成本的目的。但由于光伏组件多设置于江河、沙漠、峡谷等环境恶劣地域，使承重索或斜拉索这种受连续载荷的钢绞结构长期暴露于潮湿、酸雨、太阳辐射或盐雾含量高的环境中，需要对钢绞结构采取严格、高效的耐腐蚀、耐紫外老化防护。上述以钢管和油脂对钢绞结构进行隔绝空气、防腐防锈，但额外增加了钢材用量、使柔性支架的承重大大增加，造价也提高；使用镀锌钢绞线又存在时效过短，不能满足光伏发电站25年的设计使用年限，因此开发即高耐腐蚀又持久耐紫外线的钢绞线对钢绞线在光伏领域的应用推广具有重大意义。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种适用于光伏柔性支撑的双护套钢绞线索及其制备，本发明利用反应挤出技术向高密度聚乙烯分子中引入不饱和酸与不饱和萘醚单体，并以其为主体树脂制作双护套钢绞线索的外护套，得到具有良好耐腐蚀和紫外线性能的光伏柔性支撑线索；另外内护套利用同样的技术向主体树脂引入环氧侧基，内外护套上的环氧基和外护套上的羧基建立化学连接，有利于提高双护套间的紧密贴合性。

为实现上述目的，本发明采取的具体的技术方案如下：

一种适用于光伏柔性支撑的双护套钢绞线索，所述双护套钢绞索包括预应力钢绞线，所述预应力钢绞线外依次包裹内护套、外护套，所述预应力钢绞线和内护套间填充有防腐润滑油，其特征在于：

所述外护套的原料包括如下原料：高密度聚乙烯(HDPE)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、接枝单体、引发剂、增韧剂、润滑剂、有机溶剂，所述接枝单体包括不饱和酸和不饱和萘醚的组合物；

所述内护套包括如下原料：高密度聚乙烯(HDPE)、甲基丙烯酸缩水甘油酯、引发剂、润滑剂。

进一步地，所述外护套的原料包括如下重量份的原料：100份高密度聚乙烯(HDPE)、5-15份超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、20-30份接枝单体、0.1-1份引发剂、3-8份增韧剂、0.5-3份润滑剂、10-30份有机溶剂，所述不饱和酸与不饱和萘醚二者的重量比为3:5-8；

所述内护套包括如下重量份的原料：100份HDPE、5-10份甲基丙烯酸缩水甘油酯、0.1-1份引发剂、0.5-3份润滑剂。

所述不饱和萘醚的结构式如下：

其中，X为-(CH₂)_n-CH＝CH₂或-CH(C_mH_2m+1)＝CH₂，n为0-3的整数，m为1-3的整数；Y、Z相同或不同，独立地为-(CH₂)_q-O-(CH₂)_pCH₃，-H中的一种，Y、Z不同时为H，q为0-3的整数，p为0-3的整数。

更为优选的，所述不饱和萘醚选自6-甲氧基-2-萘乙烯、2-甲氧基-6-(1-甲基乙烯基)-萘、2-甲氧基-6-(2-丙烯基)-萘中的至少一种。

所述不饱和酸包括马来酸、富马酸、丙烯酸、甲基丙烯酸中的至少一种。

所述增韧剂选自热塑性弹性体、橡胶弹性体、纳米无机粒子中的至少一种。

优选的，所述增韧剂为聚烯烃类热塑性弹性体；更优选为乙烯-辛烯共聚物、乙烯-丁烯共聚物中的至少一种。

所述橡胶弹性体选自丁腈橡胶、三元乙丙橡胶、丁苯橡胶中的至少一种。

所述纳米无机粒子选自纳米碳酸钙、纳米二氧化硅中的至少一种。

所述UHMWPE数均分子量为200-300万。

所述内护套和外护套中的高密度聚乙烯熔体流动速率为0.1-1.0g/10min。

所述内护套和外护套中的引发剂没有特别的限定，本领域常用的即可，包括但不限于过氧化苯甲酰、过氧化月桂酰、异丙苯过氧化氢、叔丁基过氧化氢、过氧化二叔丁基、过氧化二异丙苯中的至少一种。

所述内护套和外护套中的润滑剂选自硅酮粉、聚合物加工助剂PPA、聚四氟乙烯微粉中的至少一种。

所述外护套中的有机溶剂选自丙酮、甲酰胺、DMF、DMSO、己烷中的至少一种。

所述内护套厚度为1-3mm，所述外护套厚度为1-3mm。

所述预应力钢绞线没有特别的限制，本领域常用的预应力钢绞线即可，所述预应力钢绞线的公称直径为5-25mm。

所述防腐润滑油的滴点≥170℃，锥入度260-300(0.1mm)，水分＜0.1％，所述防腐润滑油的用量为45-70g/m。

本发明还提供了上述双护套钢绞线索的制备方法，包括如下步骤：

1)对表面洁净、干燥的钢绞线进行涂覆防腐油脂处理；

2)将上述涂覆有防腐油脂的钢绞线牵引至平行双螺杆挤出机前挤塑，通过双层共挤出分别将内护套(3)的原料和外护套(4)原料均匀的覆塑在涂覆有防腐油脂的钢绞线上，经空冷，水冷，干燥，最后盘卷得上述双护套钢绞线索。

步骤2)所述挤塑工艺为，主机：室温下，将接枝单体和引发剂溶解在有机溶剂中，然后与高密度聚乙烯(HDPE)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、增韧剂、润滑剂一起混合均匀，烘干，最后加至平行双螺杆挤出机主机喂料口中进行熔融挤出；辅机：将HDPE、甲基丙烯酸缩水甘油酯、引发剂、润滑剂混合均匀，然后加至辅机喂料口进行熔融挤出；

所述主机的挤出温度为140-150℃，150-160℃，160-180℃，180-200℃，180-200℃，200-220℃，220-240℃，220-240℃，220-240℃，220-240℃，220-230℃，220-200℃；

所述辅机的挤出温度为150-160℃，160-180℃，180-200℃，200-220℃，230-240℃，230-240℃，230-240℃，220-230℃，220-200℃；

所述主机螺杆直径90-120mm，长径比为20-50:1，螺杆转速为300-600rpm，所述辅机的螺杆直径为75-90mm，长径比为20-50:1，螺杆转速为300-600rpm；

所述平行双螺杆挤出机的挤出模具采用挤压式模具和挤管式模具中的至少一种，优选为挤压式模具，所述牵引速度为20-40m/s。

所述空冷段长为0.3-0.8m，所述水冷为两阶温水冷，一阶温水冷温度为90-60℃，一阶温水冷槽长0.5-1.5m，二阶温水冷温度为45-40℃，二阶温水冷槽长0.5-1.5m。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用反应挤出技术向高密度聚乙烯分子中引入不饱和酸与不饱和萘醚单体，并以其为主体树脂制作双护套钢绞线索的外护套，得到具有良好耐腐蚀和紫外线性能的光伏柔性支撑线索，另外利用同样的技术向内护套的主体树脂引入带环氧侧基，内外护套上的环氧基与外护套上的羧基建立化学连接，提高双护套间的紧密贴合性。

本发明预想不到的发现，聚烯烃类热塑性弹性体与基体树脂间具有协同调节外护套树脂热收缩性，使其具有与内护套一致的热收缩率的作用。

附图说明

图1为实施例1制备的双护套钢绞线索剖面图，1预应力钢绞线，2防腐润滑油，3内护套，4外护套。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但并不局限于说明书上的内容。若无特殊说明，本发明实施例中所述“份”均为重量份。所用试剂均为本领域可商购的试剂。

高密度聚乙烯购自大庆石化公司，熔体流动速率为0.53g/10min；

超高分子量聚乙烯购自北京助剂二厂，分子量为265万；

乙烯-辛烯共聚物POE购自埃克森美孚化工，POE牌号8201-8201；

聚四氟乙烯微粉购自山东东岳化工有限公司，粒径5-10μm；

防腐润滑油购自天津市金海利有限公司。

实施例1

1)利用高压注油机对表面洁净、干燥的公称直径为18.90mm的1×7钢绞线1进行涂覆防腐润滑油2处理，控制每米涂覆60g；

2)将上述涂覆有防腐油脂的钢绞线牵引至平行双螺杆挤出机前挤塑，其中，在室温下将11.25份马来酸、18.75份6-甲氧基-2-萘乙烯、0.8份过氧化苯甲酰溶解在30份丙酮中，然后与100份高密度聚乙烯(HDPE)、10份超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、8份POE、3份聚四氟乙烯微粉在高速混合机内混合均匀，于60℃的烘箱中烘干，最后加至平行双螺杆挤出机主机喂料口中，主机挤出模具采用挤管式模具，主机螺杆直径为120mm，长径比为25:1，螺杆转速为310rpm，主机挤出温度为150℃，60℃，180℃，200℃，200℃，220℃，240℃，240℃，240℃，240℃，220℃，200℃，辅机中将100份高密度聚乙烯(HDPE)、10份甲基丙烯酸缩水甘油酯、0.5份过氧化苯甲酰、2份聚四氟乙烯微粉在高混机中混合均匀，加至辅机喂料口进行熔融挤出，辅机螺杆主机模具采用挤管式模具，辅机螺杆直径为90mm，长径比为28:1，螺杆转速为298rpm，挤出温度为160℃，180℃，200℃，220℃，240℃，240℃，240℃，230℃，220℃；牵引速度为30m/s，覆塑有双护套的线索经0.3m空冷，85℃、1.5m长的一阶温水冷槽，45℃、1mm长的二阶温水冷槽，35℃鼓风机干燥后盘卷得内护套3厚1.5mm，外护套4厚1.6mm的双护套钢绞线索。

实施例2

其余与实施例1相同，不同之处在于，步骤2)中外护套的配方中马来酸的用量为8.18份，6-甲氧基-2-萘乙烯的用量为21.82份。

实施例3

其余与实施例1相同，不同之处在于，步骤2)中外护套的配方中马来酸的用量为6份，6-甲氧基-2-萘乙烯的用量为14份。

实施例4

其余与实施例1相同，不同之处在于，步骤2)中外护套的配方中马来酸的用量为15份，6-甲氧基-2-萘乙烯的用量为15份。

实施例5

其余与实施例1相同，不同之处在于，步骤2)中外护套的配方中马来酸的用量为3.75份，6-甲氧基-2-萘乙烯的用量为6.25份。

实施例6

其余与实施例1相同，不同之处在于，步骤2)中外护套的配方中7.5份马来酸、12.5份6-甲氧基-2-萘乙烯。

实施例7

其余与实施例1相同，不同之处在于，将增韧剂POE改为8份粒度为3-5μm的纳米碳酸钙。

实施例8

其余与实施例1相同，不同之处在于，将增韧剂POE改为8份20-60目的三元乙丙橡胶。

对比实施例1

其余与实施例1相同，不同之处在于，步骤2)外护套配方中接枝单体为30份马来酸，即不添加6-甲氧基-2-萘乙烯。

对比实施例2

其余与实施例1相同，不同之处在于，步骤2)外护套配方中接枝单体为30份6-甲氧基-2-萘乙烯，即不添加马来酸。

将上述实施例及对比实施例得到的线索进行以下性能测试：

耐紫外老化性：参照标准塑料实验室光源暴露试验方法第2部分:氙弧灯进行测试，其中，参照标准GB/T 1040-92Ⅰ型拉伸样条尺寸制取外护套配方样条，测量紫外老化前后拉伸强度下降率，采用3kW紫外光源，波长为310nm，辐照强度为110W/m²，老化箱相对湿度(85±5)％，箱体温度(55±5)℃，测试时间为2000h。

耐腐蚀性能：采用失重法衡量，将上述外护套配方Ⅰ型拉伸样条浸泡在室温35％盐酸溶液中，浸泡42天后取出，用滤纸将表面水分擦拭干净，称取质量，记m₂，浸泡前质量记m₁，按照下式计算试样的质量变化率：

热收缩性：参照标准GB/T2951.13-2008电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法第13部分进行测试，在线索上切取长50mm，宽13mm，厚为护套厚的试样，在不损伤护套的情况下将内外护套进行分离置于滑石粉槽内，然后放进对流型烘箱中保持4h，烘箱温度为125℃±1，取出后自然冷却至室温，冷却后测量长度、宽度，精确至0.1毫米，根据下式计算收缩率：

L₀加热前试样的长度，mm；L₁为加热冷却后试样的长度，mm。

表1

由表1可以看出本发明以接枝有不饱和酸与不饱和萘醚单体的高密度聚乙烯为主体树脂制作的双护套钢绞线索的外护套，具有良好耐腐蚀和紫外线性能，满足光伏发电站25年的设计使用年限。另外护套利用同样的技术向内护套的主体树脂引入带环氧侧基，内外护套上的环氧基和羧基建立化学连接，提高了双护套间的紧密贴合性。

由表1中实施例和对比实施例的热收缩测试结果发现，聚烯烃类热塑性弹性体与基体树脂间具有协同调节外护套树脂热收缩性，使其具有与内护套一致的热收缩率的作用。因光伏柔性支撑一部分时间处于曝晒、高温的坏境中，内护套和外护套具有一致的热收缩性非常重要，若收缩率不一致则会出现，起皱、松包、剥落的现象，严重降低柔性支撑的使用寿命。

上述详细说明是针对本发明其中之一可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种适用于光伏柔性支撑的双护套钢绞线索，所述双护套钢绞线索包括预应力钢绞线(1)，预应力钢绞线(1)外依次包裹内护套(3)、外护套(4)，所述预应力钢绞线(1)和内护套(3)间填充有防腐润滑油(2)，其特征在于：所述外护套(4)的原料包括如下重量份的原料：100份高密度聚乙烯(HDPE)、5-15份超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、20-30份接枝单体、0.1-1份引发剂、3-8份增韧剂、0.5-3份润滑剂、10-30份有机溶剂，所述接枝单体包括不饱和酸和不饱和萘醚，不饱和酸与不饱和萘醚二者的重量比为3:5-8；

所述内护套(3)包括如下重量份的原料：100份HDPE、5-10份甲基丙烯酸缩水甘油酯、0.1-1份引发剂、0.5-3份润滑剂；

所述不饱和萘醚的结构式如下：

其中，X为-(CH₂)_n-CH＝CH₂，n为0-3的整数；Y、Z相同或不同，独立地为-(CH₂)_q-O-(CH₂)_pCH₃，-H中的一种，Y、Z不同时为H，q为0-3的整数，p为0-3的整数；

所述不饱和萘醚选自6-甲氧基-2-萘乙烯、2-甲氧基-6-(2-丙烯基)-萘中的至少一种；

所述不饱和酸包括马来酸、富马酸、丙烯酸、甲基丙烯酸中的至少一种；

所述增韧剂为聚烯烃类热塑性弹性体；选自乙烯-辛烯共聚物、乙烯-丁烯共聚物中的至少一种。

2.如权利要求1所述双护套钢绞线索，其特征在于，所述内护套(3)中的超高分子量聚乙烯分子量为200万-300万；所述内护套(3)和外护套(4)中的高密度聚乙烯熔体流动速率为0.1-1.0g/10min。

3.如权利要求1所述双护套钢绞线索，其特征在于，所述内护套(3)厚度为1-3mm，所述外护套(4)厚度为1-3mm；所述预应力钢绞线(1)的公称直径为5-25mm。

4.权利要求1-3任一项所述双护套钢绞线索的制备方法，包括如下步骤：

1)对表面洁净、干燥的钢绞线进行涂覆防腐油脂处理；

2)将上述涂覆有防腐油脂的钢绞线牵引至平行双螺杆挤出机前挤塑，通过双层共挤出分别将内护套(3)的原料和外护套(4)原料均匀的覆塑在涂覆有防腐油脂的钢绞线上，经空冷，水冷，干燥，最后盘卷得所述双护套钢绞线索。

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