CN114220615A - 一种避免热应力开裂的一次拉挤成型大截面绝缘芯棒及其制备方法 - Google Patents

一种避免热应力开裂的一次拉挤成型大截面绝缘芯棒及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种避免热应力开裂的一次拉挤成型大截面绝缘芯棒及其制备方法，包括棒体，棒体直径为280～400mm，棒体中心位置为内圈部、位于内圈部外的中圈部、位于中间部外的外圈部，内圈部、中圈部、外圈部均轴向分布有玻璃纤维，玻璃纤维间填充有环氧树脂和固化剂；内圈部的环氧树脂中含有第一固化促进剂；中圈部的环氧树脂中含有第二固化促进剂；外圈部的环氧树脂中含有第三固化促进剂；第一固化剂为咪唑；第二固化剂为三苯基膦；第三固化剂为四丁基溴化膦。选用不同固化促进剂，从而使得不同位置的环氧树脂固化速率不同，固化温度不同，从而使得从内部先固化，外部最后固化，从而使得热应力不会集中，有效传热，使得芯棒内部不会产生裂纹。

Description

一种避免热应力开裂的一次拉挤成型大截面绝缘芯棒及其制 备方法
技术领域
本发明涉及超高压输变电领域，更具体的说是涉及一种避免热应力开裂的一次拉挤成型大截面绝缘芯棒及其制备方法。
背景技术
绝缘子是涉及超高压输变电工程中关键的部件，其核心组件绝缘芯棒，是以环氧树脂为基体，以玻璃纤维为增强体，在一定温度和压力下经交联固化所成型的复合绝缘棒材。在超高压输变电领域中，随着输变电压的提升，对于支撑型绝缘子所耐受的电压及相关力学性能的要求也越来越高，所用绝缘芯棒的直径要求也越来越大，目前超高压直、交流输变电压已达到800-1000kV，同时满足电学、力学性能要求的芯棒直径需达到φ280-300mm，并且，为避免芯棒内生界面的影响，必须是一次拉挤成型。大直径绝缘芯棒一次成型工艺最大的技术难点是，拉挤过程中，由于棒体表面和型芯部分的固化反应不同步，所导致的热应力开裂问题。中温固化树脂体系的反应主要依靠模具的表面传热，而直径变大后，芯棒外层环氧树脂先行受热固化，并放出热量，叠加模具传导热流，沿着径向逐渐向芯部引发内层固化反应，直至达到预定固化程度。在此过程中，伴随外层固化，基体由液相转变为固相，形成刚性交联体型结构，其热传导能力也相应变差，同时，反应放出热量会叠加模具导入热流，进一步向型芯部分传递，进而沿径向引发更为剧烈的反应放热。由于靠近表面先行固化的体型结构导热性较差，因而反向热传导受阻，势必在棒体中心部位产生最大热积累，伴随中心部位基体树脂的反应放热，热积累的现象将进一步加剧，甚至导致曝聚和灼烧现象的发生。这样，芯棒沿径向不同部位的温度和反应起始时间的不同，将使不同部位基体的交联密度有所不同，固化收缩量也将产生相当大的差异，从而导致热应力的产生。热应力的累积达到一定程度，会以局部产生裂纹形式向外释放，这就是一次拉挤成型大直径芯棒产生应力开裂的原因，并最终导致绝缘子服役过程中，在超高电压下的击穿。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种避免热应力开裂的一次拉挤成型大截面绝缘芯棒。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种大直径避免放热特性的绝缘芯棒，包括棒体，所述棒体直径为280～400mm，所述棒体中心位置为内圈部、位于内圈部外的中圈部、位于中间部外的外圈部，所述内圈部、中圈部、外圈部均轴向分布有玻璃纤维，所述玻璃纤维间填充有环氧树脂和固化剂；
所述内圈部的环氧树脂中含有第一固化促进剂；
所述中圈部的环氧树脂中含有第二固化促进剂；
所述外圈部的环氧树脂中含有第三固化促进剂；
所述第一固化剂为咪唑；
所述第二固化剂为三苯基膦；
所述第三固化剂为四丁基溴化膦。
作为本发明的进一步改进，
所述第一固化促进剂用量为内圈部环氧树脂和酸酐质量之和的0.5％～5％；
所述第二固化促进剂用量为中圈部环氧树脂和酸酐质量之和的0.5％～5％；
所述第三固化促进剂用量为外圈部环氧树脂和酸酐质量之和的0.5％～5％。
作为本发明的进一步改进，
所述固化剂为甲基四氢苯酐。
作为本发明的进一步改进，
所述环氧树脂与固化剂质量比为1∶1。
作为本发明的进一步改进，
所述玻璃纤维占棒材总质量的75～80％。
作为本发明的进一步改进，
所述内圈部、中圈部、外圈部的截面面积相同。
作为本发明另一发明目的，提供一种避免热应力开裂的一次拉挤成型大截面绝缘芯棒的制备方法，
步骤一：将环氧树脂、固化剂与第一固化促进混合，置于第一浸胶槽中；将环氧树脂、固化剂与第二固化促进剂混合，置于第二浸胶槽中；将环氧树脂、固化剂与第三固化促进剂混合，置于第三浸胶槽中；
步骤二：将玻璃纤维分成三股，分别经过第一浸胶槽、第二浸胶槽、第三浸胶槽；
步骤三：将浸胶后的玻璃纤维经过预成型装置，经过第一浸胶槽的玻璃纤维位于中心位置，经过第二浸胶槽的玻璃纤维位于经过第一浸胶槽玻璃纤维的周向外侧，将经过第三浸胶槽的玻璃纤维位于经过第二浸胶槽玻璃纤维的周向外侧，形成一个棒材；
步骤四：将棒材置于加热模具中，进行连续固化成型。
作为本发明的进一步改进，
所述步骤四中加热模具温度为120℃～200℃。
作为本发明的进一步改进，
所述步骤四中加热模具具有若干个加热区间，从棒体进入加热模具到离开加热模具温度依次为递增温度。
作为本发明的进一步改进，从棒体进入加热模具到离开加热模具温度依次为120℃、140℃、160℃、180℃、200℃。
在本发明中，玻璃纤维主要采用无碱无捻玻璃纤维纱，并且采用的是紧密贴合的方式进入到成型模具中，只有在缝隙中填充有环氧树脂、固化剂、固化促进剂，在实测过程中，玻璃纤维可以达到75～80％，作为本发明的关键点，就是在固化促进剂的选择上，选用不同固化促进剂，从而使得不同位置的环氧树脂固化速率不同，固化温度不同，从而使得从内部先固化，外部最后固化，从而使得热应力不会集中，有效传热，使得芯棒内部不会产生裂纹。并且将内圈部、中圈部、外圈部的截面面积设置成相同，主要是为了让热量释放更加均匀。
本发明的有益效果，在本发明中，内圈部采用咪唑，其固化区间较小，固化快，在156℃的时候就终止固化反应，而外圈部采用四丁基溴化膦，其固化区间较大，在181℃终止固化反应，其需要较高的温度才会终止，而中圈部采用的是三苯基膦，其固化反应在162℃结束，因而在内圈部完全固化后，中圈层再固化，最后才是外圈层，这样就形成了固化区间差，这样就能够将内部的热量完全传导出去，在冷却之后，不会产生裂纹，从而适用大直径的绝缘芯棒。
附图说明
图1为本发明实施例的工艺流程图；
图2为本发明实施例的棒材截面示意图；
图3为本发明实施例制备的棒材的截面图；
图4为本发明对比例制备的棒材的截面图；
图5为本发明的DSC测试结果图。
附图标记：
1、第一浸胶槽；2、第二浸胶槽；3、第三浸胶槽；4、预成型装置；5、加热模具；6、内圈部；7、中圈部；8、外圈部。
具体实施方式
下面将结合附图所给出的实施例对本发明做进一步的详述。
参照图1至5所示，
实施例：
一种大直径避免放热特性的绝缘芯棒，包括棒体，所述棒体直径为300mm，所述棒体中心位置为内圈部、位于内圈部外的中圈部、位于中间部外的外圈部，所述内圈部、中圈部、外圈部均轴向分布有玻璃纤维，所述玻璃纤维间填充有环氧树脂和固化剂；内圈部、中圈部、外圈部截面积相同。
所述内圈部的环氧树脂中含有第一固化促进剂；
所述中圈部的环氧树脂中含有第二固化促进剂；
所述外圈部的环氧树脂中含有第三固化促进剂；
所述第一固化剂为咪唑；
所述第二固化剂为三苯基膦；
所述第三固化剂为四丁基溴化膦。
所述第一固化促进剂用量为内圈部环氧树脂和酸酐质量之和的1％；
所述第二固化促进剂用量为中圈部环氧树脂和酸酐质量之和的1％；
所述第三固化促进剂用量为外圈部环氧树脂和酸酐质量之和的1％。
所述固化剂为甲基四氢苯酐。
所述环氧树脂与固化剂质量比为1∶1。
所述玻璃纤维占棒材总质量的78％。
步骤一：将环氧树脂、固化剂与第一固化促进混合，置于第一浸胶槽中；将环氧树脂、固化剂与第二固化促进剂混合，置于第二浸胶槽中；将环氧树脂、固化剂与第三固化促进剂混合，置于第三浸胶槽中；
步骤二：将玻璃纤维分成三股，分别经过第一浸胶槽、第二浸胶槽、第三浸胶槽；
步骤三：将浸胶后的玻璃纤维经过预成型装置，经过第一浸胶槽的玻璃纤维位于中心位置，经过第二浸胶槽的玻璃纤维位于经过第一浸胶槽玻璃纤维的周向外侧，将经过第三浸胶槽的玻璃纤维位于经过第二浸胶槽玻璃纤维的周向外侧，形成一个棒材；
步骤四：将棒材置于加热模具中，进行连续固化成型。
所述步骤四中加热模具温度为120℃～200℃。
所述步骤四中加热模具具有若干个加热区间，从棒体进入加热模具到离开加热模具温度依次为递增温度。
从棒体进入加热模具到离开加热模具温度依次为120℃、140℃、160℃、180℃、200℃。
对比例：
制备直径为300mm的棒材：
步骤一：将环氧树脂、甲基四氢苯酐、四丁基溴化膦混合，置于第一浸胶槽、第二浸胶槽、第三浸胶槽中；其中环氧树脂、甲基四氢苯酐、四丁基溴化膦质量比为50∶50∶1；
步骤二：将玻璃纤维分成三股，分别经过第一浸胶槽、第二浸胶槽、第三浸胶槽；
步骤三：将浸胶后的玻璃纤维经过预成型装置，经过第一浸胶槽的玻璃纤维位于中心位置，经过第二浸胶槽的玻璃纤维位于经过第一浸胶槽玻璃纤维的周向外侧，将经过第三浸胶槽的玻璃纤维位于经过第二浸胶槽玻璃纤维的周向外侧，形成一个帮材；
步骤四：将棒材置于加热模具中，进行连续固化成型。
从棒体进入加热模具到离开加热模具温度依次为120℃、140℃、160℃、180℃、200℃。
经过测试，本实施例和对比例中，玻璃纤维总质量达到78％。
测试：
一、观察实施例和对比例的截面；
参照图3和图4，其中图3为本发明实施例制备的棒材截面，表面均匀无裂纹，而图4为对比例制备的可以看到表面有大量的龟裂纹，由于直径变大之后，由于内部热量无法散发，产生了热应力，从而产生了内部裂纹。
二、DSC测试；
1、取50g环氧树脂、50g甲基四氢苯酐和1g咪唑混合，进行DSC测试；
2、取50g环氧树脂、50g甲基四氢苯酐和1g三苯基膦，进行DSC测试；
3、取50g环氧树脂、50g甲基四氢苯酐和1g四丁基溴化膦，进行DSC测试。参照图5，在本实施例中，主要采用三种固化促进剂，对不同部位的玻璃纤维采用不同的固化剂的环氧树脂，经过DSC测试，咪唑的固化区间在130℃～156℃，半峰宽在14.5℃，三苯基膦的固化区间在124℃～162℃，半峰宽在21.3℃，四丁基溴化膦的固化区间在124℃～181℃，半峰宽在27.6℃，在判断起始温度的时候，会在DSC曲线中的半峰宽的位置，两侧做切线，与X轴相交的位置，判断为起始温度和终止温度。在本实施例中，内圈部采用咪唑，其固化区间较小，固化快，在156℃的时候就终止固化反应，而外圈部采用四丁基溴化膦，其固化区间较大，固化慢，在181℃终止固化反应，其需要较高的温度才会终止，而中圈部采用的是三苯基膦，其固化反应在162℃结束，因而在内圈部完全固化后，中圈层再固化，最后才是外圈层，这样就形成了固化区间差，这样就能够将内部的热量完全传导出去，在冷却之后，不会产生裂纹，从而适用大直径的绝缘芯棒。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种避免热应力开裂的一次拉挤成型大截面绝缘芯棒，包括棒体，所述棒体直径为280～400mm，所述棒体中心位置为内圈部、位于内圈部外的中圈部、位于中间部外的外圈部，所述内圈部、中圈部、外圈部均轴向分布有玻璃纤维，所述玻璃纤维间填充有环氧树脂和固化剂；
其特征在于：
所述内圈部的环氧树脂中含有第一固化促进剂；
所述中圈部的环氧树脂中含有第二固化促进剂；
所述外圈部的环氧树脂中含有第三固化促进剂；
所述第一固化剂为咪唑；
所述第二固化剂为三苯基膦；
所述第三固化剂为四丁基溴化膦。
2.根据权利要求1所述的一种避免热应力开裂的一次拉挤成型大截面绝缘芯棒，其特征在于：
所述第一固化促进剂用量为内圈部环氧树脂和酸酐质量之和的0.5％～5％；
所述第二固化促进剂用量为中圈部环氧树脂和酸酐质量之和的0.5％～5％；
所述第三固化促进剂用量为外圈部环氧树脂和酸酐质量之和的0.5％～5％。
3.根据权利要求1所述的一种避免热应力开裂的一次拉挤成型大截面绝缘芯棒，其特征在于：
所述固化剂为甲基四氢苯酐。
4.根据权利要求1所述的一种避免热应力开裂的一次拉挤成型大截面绝缘芯棒，其特征在于：
所述环氧树脂与固化剂质量比为1∶1。
5.根据权利要求1所述的一种避免热应力开裂的一次拉挤成型大截面绝缘芯棒，其特征在于：
所述玻璃纤维占棒材总质量的75～80％。
6.根据权利要求1所述的一种避免热应力开裂的一次拉挤成型大截面绝缘芯棒，其特征在于：
所述内圈部、中圈部、外圈部的截面面积相同。
7.如权利要求1至6任意所述的避免热应力开裂的一次拉挤成型大截面绝缘芯棒的制备方法，其特征在于：
步骤一：将环氧树脂、固化剂与第一固化促进混合，置于第一浸胶槽中；将环氧树脂、固化剂与第二固化促进剂混合，置于第二浸胶槽中；将环氧树脂、固化剂与第三固化促进剂混合，置于第三浸胶槽中；
步骤二：将玻璃纤维分成三股，分别经过第一浸胶槽、第二浸胶槽、第三浸胶槽；
步骤三：将浸胶后的玻璃纤维经过预成型装置，经过第一浸胶槽的玻璃纤维位于中心位置，经过第二浸胶槽的玻璃纤维位于经过第一浸胶槽玻璃纤维的周向外侧，将经过第三浸胶槽的玻璃纤维位于经过第二浸胶槽玻璃纤维的周向外侧，形成一个棒材；
步骤四：将棒材置于加热模具中，进行连续固化成型。
8.根据权利要求7所述的避免热应力开裂的一次拉挤成型大截面绝缘芯棒的制备方法，其特征在于：
所述步骤四中加热模具温度为120℃～200℃。
9.根据权利要求8所述的避免热应力开裂的一次拉挤成型大截面绝缘芯棒的制备方法，其特征在于∶
所述步骤四中加热模具具有若干个加热区间，从棒体进入加热模具到离开加热模具温度依次为递增温度。
10.根据权利要求9所述的避免热应力开裂的一次拉挤成型大截面绝缘芯棒的制备方法，其特征在于：从棒体进入加热模具到离开加热模具温度依次为120℃、140℃、160℃、180℃、200℃。
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