CN114496369B - 一种轻质加强件及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于线缆材料领域，尤其涉及一种轻质加强件及其制备方法和应用。所述轻质加强件包括空心铝金属线，空心铝金属线内填充有硅凝胶填料；所述硅凝胶填料为饱和吸附有二氧化硅分散液的SAP凝胶；所述空心铝金属线外表面氧化形成氧化铝层。本发明的轻质加强件能够有效用于光缆、电缆或光电混合缆中，实现轻量化线缆的制备；具有良好的力学性能，能够起到轴向定型以及抗冲击的作用。
Description
技术领域
本发明属于线缆材料领域，尤其涉及一种轻质加强件及其制备方法和应用。
背景技术
加强件是线缆中常用的、用于提高光缆、电缆和光电混合缆等线缆力学性能的重要组成部件。由于对加强件有较高的力学性能要求，通常采用钢丝或纤维增强复合材料(FRP)作为线缆的加强件。
但是，随着对线缆需求的多样化，钢丝和FRP加强件产生了使用的局限性。在常规的GYTA、GYTS光缆中，钢丝加强件占据比重较小，但若应用在特定的超轻质光缆中，钢丝加强件则比重过高，因此，超轻质光缆往往避免使用钢丝加强件。FRP的密度远低于钢丝密度，轻质光缆采用FRP加强件时，由于光缆布线需要频繁弯曲，FRP加强件虽然在拉伸强度上满足使用需求，但其脆性较高，因此其在用于超轻质光缆时，容易导致光缆产品质量下降，用使用寿命短、局限性较大。
因此，开发一种具有良好力学性能的轻质加强件是超轻质光缆进一步发展的关键。
发明内容
为解决现有的线缆加强件无法同时满足轻质和力学性能的双重要求，或存在密度过大、比重过大，或存在容易脆断、拉伸强度低等缺陷，导致现有的线缆加强件无法有效适用于超轻质光缆使用的问题，本发明提供了一种轻质加强件及其制备方法和应用。
本发明的目的在于：
一、通过简洁高效的工艺实现超轻量化加强件的制备；
二、所制得的加强件具有质轻的特点，同时保有良好的力学性能。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
一种轻质加强件，
所述轻质加强件包括空心铝金属线，空心铝金属线内填充有硅凝胶填料；
所述硅凝胶填料为饱和吸附有二氧化硅分散液的SAP凝胶；
所述空心铝金属线外表面氧化形成氧化铝层。
作为优选，
所述二氧化硅分散液由硅粉与其1.65～1.7倍体积的无水乙醇和1.55～1.6倍体积丁二醇混匀制成。
作为优选，
所述硅粉包括至少85wt％二氧化硅。
本发明技术方案实际是对空心铝线进行强化后，作为用于超轻质光缆的轻量化加强件。空心铝线本身即拥有较为良好的轻量化特征，但其直接作为光缆加强件使用时，不具备加强件所需的力学性能，如强韧性、抗拉强度等，并且其在受到冲击后容易断裂。而本发明技术方案采用在空心铝线内填充特殊凝胶的方式，实现对空心铝线的强化。所填充的凝胶为本申请人特有的光缆强化用填充凝胶，其曾用于提高光缆的抗压性能，但于本发明技术方案中，其主要起到强化空心铝线冲击韧性的作用。因为空心铝线在受到切向力作用时，容易破损，而所填充的硅凝胶填料具有良好的吸收切向作用力的作用，并且其质量相对较轻、密度较小。
另一方面，本发明需要在空心铝线外表面形成氧化铝膜，实际也是为了强化空心铝线的力学性能，使其具有更加耐磨且不易破损的外表面。氧化铝的硬度和耐磨性均优于金属铝，以空心铝线为载体在其外表面直接原位形成氧化铝，相对较为可控并且能够避免铝线的直接硬化，导致其无法弯折、弯曲等。
一种轻质加强件的制备方法，
所述方法包括：
1)以空心铝金属管为主体，向铝金属管内填充硅凝胶填料，填充完成后以镁粉进行端部封口处理得到预管材；
2)将步骤1)所得的预管材拉拔至所需的长度，得到预线材；
3)对步骤2)所得的预线材进行表面氧化处理，在线材外表面形成氧化铝层，即得到复合线状轻质加强件。
作为优选，
步骤1)所述的空心铝金属管的管壁厚度为δ，内径为d，其厚度、内径和长度满足下式：
0.2d≤δ≤0.35d。
作为优选，
步骤1)所述的空心铝金属管内壁作擦纹处理；
擦纹批花平行于空心铝金属管的轴向方向。
作为优选，
步骤2)所述拉拔采用冷拉拔工艺，重复进行≥12次冷拉拔，单次冷拉拔变形量≤10％，控制总变形量≤91.5％；
所述冷拉拔工艺于20～30℃环境中进行。
作为优选，
步骤2)冷拉拔结束后对其外表面以及端部进行抛光处理。
作为优选，
步骤3)所述表面氧化处理为利用钝化液对预线材表面进行氧化；
所述钝化液为三价铬钝化液；
所述表面氧化处理前以耐候树脂对预线材端部进行封闭处理；
所述表面氧化处理过程中钝化液温度保持在15～25℃。
在本发明的技术方案实施过程中，需要尤为注意的是，单次冷拉拔变形量需要≤10％。如前述所言，本发明技术方案中为提高空心铝线的力学性能，采用了独特的硅凝胶填料，硅凝胶填料具有良好的抗剪切性能，能够大幅度提高空心铝线的冲击韧性，使其具有良好的抗冲击性，但其也会在拉拔过程中形成阻碍。虽然拉拔并不直接对空心铝线产生径向的剪切力，但是单次拉拔变形量过大的情况下，由于拉拔时材料会快速变形，凝胶相互的摩擦挤压其内部容易产生沿轴向的剪切力，在实际制备过程中发现，当单次拉拔变形量≥12％时，容易导致部分空心铝线/空心铝管变形甚至由内至外发生破裂，因此为有效避免该情况发生，需要严格控制单次拉拔的变形量。
另一方面，本发明技术方案需要严格采用冷拉拔的方式进行，因为热拉拔相较于冷拉拔而言，通常效果更好，因为其同时能够实现一定程度的热处理，使得成分更加均匀，但对于本发明技术方案而言，采用热拉拔的工艺也容易导致拉拔过程空心铝管/空心铝线发生破裂，这是因为拉拔过程中，凝胶内的液体会不断地被挤出、再被凝胶二次吸附，有一个动态的饱和过程，而由于凝胶中的醇沸点均相对较低，一旦受热非常容易产生醇蒸汽，导致其内部会形成较大的蒸气压，而随着拉拔的进行，壁厚不断减小，蒸气压容易导致管壁或线壁破裂，因而采用冷拉拔是非常关键的。
另一方面，本发明方案中还采用了镁粉进行封端处理，因为镁粉具有较强的还原性。其不但能够进行密闭封端，避免硅凝胶填料的泄漏，其还具备良好的还原性。由于加强件通常所需的长度极长，需要适配光缆长度，而采用拉拔法所得的单根线长十分有限，难以满足实际的生产使用需求，因此必不可少地需要进行接线。而镁粉填充后，能够在本发明轻质加强件在用于热接线时，提高接线处的连接效果。因为镁的熔点更低，并且具有良好的还原性，能够大幅度提高空心铝线的热连接效果。但需要注意的是，镁粉应当与环氧树脂以(3～6)：1的质量比混合作为混合填充物，且需控制在填充物总量的5wt％以内，以确保硅凝胶填料能够有效地强化空心铝线的力学性能。
一种轻质加强件的应用，其特征在于，
所述轻质加强件用于光缆和/或电缆和/或光电混合缆。
本发明的有益效果是：
1)本发明的轻质加强件能够有效用于光缆、电缆或光电混合缆中，实现轻量化线缆的制备；
2)具有良好的力学性能，能够起到轴向定型以及抗冲击的作用；
3)制备工艺简洁高效，适用于批量化大规模生产。
具体实施方式：
以下结合具体实施例对本发明作出进一步清楚详细的描述说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如无特殊说明，本发明实施例所用原料均为市售或本领域技术人员可获得的原料；如无特殊说明，本发明实施例所用方法均为本领域技术人员所掌握的方法。
实施例1
一种轻质加强件的制备方法，
所述方法包括：
1)以内径为8.0mm、壁厚为2.0mm的空心铝金属管为主体，向铝金属管内填充硅凝胶填料，填充完成后以镁粉进行端部封口处理得到预管材，预管材内硅凝胶填料占总填充量的97wt％，镁粉占总填充量的2.4wt％，环氧树脂占总填充量的0.6wt％且与镁粉混匀共同进行封端；
其中：硅凝胶填料为饱和吸附有二氧化硅分散液的SAP凝胶，二氧化硅分散液由硅粉(硅含量87.5wt％)与其1.65倍体积的无水乙醇和1.6倍体积丁二醇混匀制成，SAP凝胶目数为20目；
2)于22±1℃条件下对步骤1)所得的预管材进行14次冷拉拔，每次拉拔控制变形量≤10％，拉拔总变形量为91％，拉拔完成得到预线材；
3)对步骤2)所得的预线材的端部以耐候树脂封端处理，并置于三价铬钝化液中在20±1℃恒温条件下进行表面氧化处理，在线材外表面形成氧化铝层，即得到复合线状轻质加强件。
实施例2
一种轻质加强件的制备方法，
所述方法包括：
1)以内径为8.0mm、壁厚为2.0mm的空心铝金属管为主体，向铝金属管内填充硅凝胶填料，填充完成后以镁粉进行端部封口处理得到预管材，预管材内硅凝胶填料占总填充量的95wt％，镁粉占总填充量的3.75wt％，环氧树脂占总填充量的1.25wt％且与镁粉混匀共同进行封端；
其中：硅凝胶填料为饱和吸附有二氧化硅分散液的SAP凝胶，二氧化硅分散液由硅粉(硅含量87.5wt％)与其1.65倍体积的无水乙醇和1.6倍体积丁二醇混匀制成，SAP凝胶目数为20目；
2)于22±1℃条件下对步骤1)所得的预管材进行14次冷拉拔，每次拉拔控制变形量≤10％，拉拔总变形量为91％，拉拔完成得到预线材；
3)对步骤2)所得的预线材的端部以耐候树脂封端处理，并置于三价铬钝化液中在20±1℃恒温条件下进行表面氧化处理，在线材外表面形成氧化铝层，即得到复合线状轻质加强件。
实施例3
一种轻质加强件的制备方法，
所述方法包括：
1)以内径为8.0mm、壁厚为2.0mm的空心铝金属管为主体，空心铝管内壁作擦纹批花，批花沿铝管的轴向方向，向铝金属管内填充硅凝胶填料，填充完成后以镁粉进行端部封口处理得到预管材，预管材内硅凝胶填料占总填充量的97wt％，镁粉占总填充量的2.4wt％，环氧树脂占总填充量的0.6wt％且与镁粉混匀共同进行封端；
其中：硅凝胶填料为饱和吸附有二氧化硅分散液的SAP凝胶，二氧化硅分散液由硅粉(硅含量87.5wt％)与其1.65倍体积的无水乙醇和1.6倍体积丁二醇混匀制成，SAP凝胶目数为20目；
2)于22±1℃条件下对步骤1)所得的预管材进行12次冷拉拔，每次拉拔控制变形量≤10％，拉拔总变形量为91％，拉拔完成得到预线材；
3)对步骤2)所得的预线材的端部以耐候树脂封端处理，并置于三价铬钝化液中在20±1℃恒温条件下进行表面氧化处理，在线材外表面形成氧化铝层，即得到复合线状轻质加强件。
实施例4
一种轻质加强件的制备方法，
所述方法包括：
1)以内径为8.0mm、壁厚为2.0mm的空心铝金属管为主体，向铝金属管内填充硅凝胶填料，填充完成后以镁粉进行端部封口处理得到预管材，预管材内硅凝胶填料占总填充量的97wt％，镁粉占总填充量的2.4wt％，环氧树脂占总填充量的0.6wt％且与镁粉混匀共同进行封端；
其中：硅凝胶填料为饱和吸附有二氧化硅分散液的SAP凝胶，二氧化硅分散液由硅粉(硅含量87.5wt％)与其1.7倍体积的无水乙醇和1.55倍体积丁二醇混匀制成，SAP凝胶目数为20目；
2)于22±1℃条件下对步骤1)所得的预管材进行14次冷拉拔，每次拉拔控制变形量≤10％，拉拔总变形量为91％，拉拔完成得到预线材；
3)对步骤2)所得的预线材的端部以耐候树脂封端处理，并置于三价铬钝化液中在20±1℃恒温条件下进行表面氧化处理，在线材外表面形成氧化铝层，即得到复合线状轻质加强件。
对比例1
具体制备方法同实施例1，所不同的是：
采用吸附饱和吸附去离子水的SAP树脂替换硅凝胶填料进行填充。
对比例2
具体制备方法同实施例1，所不同的是：
步骤1)中封端全部采用环氧树脂进行。
对比例3
具体制备方法同实施例1，所不同的是：
步骤3)不进行表面氧化处理。
测试
对上述实施例1～4和对比例1～3所制得的轻质加强件进行测试。测试包括试生产测试，以测试其工艺成品率为指标，判断工艺的规模化生产可行性。测试还包括线缆性能测试，性能测试以其进行厂标轻量化光缆的制备，测试光缆的力学性能并与采用等线径不锈钢加强件的同型号轻质光缆(CK组)进行对比。测试结果如下表所示。
其中厂标检测包括加强件的抗拉强度、抗弯强度和冲击韧性测试，以符合轻量化光缆使用标准为准，具体的，以CK组作为参照，上述三项性能均检测达到CK组的85％及以上则判定为合格，任一不达标则判定为不合格。本发明实施例1～4所制得的加强件，抗拉强度、抗弯强度均约为等线径不锈钢加强件的约92～96％，基本满足实用需求，同时冲击韧性为等线径不锈钢加强件的107～110％，表明其具有更加优异的抗冲击能力。此外，可以看出本发明技术方案在实际生产制备中具有极高的产品成品率，工艺简洁且制备难度较低，所制得的加强件用于光缆时能够产生非常显著地降低比重效果。
此外，接线强度检测为：取两段所制得轻质加强件通过熔接方式连接在一起，对其施加轴向力使其拉长5％，检测其是否发生断裂。每组进行150次，若断裂率达到4％以上，则判定为不合格。经检测，实际实施例1～4的断裂率均≤0.7％，仅有实施例4发生一次断裂，具有非常良好的使用效果。
Claims (10)
1.一种轻质加强件，其特征在于，
所述轻质加强件包括空心铝金属线，空心铝金属线内填充有硅凝胶填料；
所述硅凝胶填料为饱和吸附有二氧化硅分散液的SAP凝胶；
所述空心铝金属线外表面氧化形成氧化铝层。
2.根据权利要求1所述的一种轻质加强件，其特征在于，
所述二氧化硅分散液由硅粉与其1.65～1.7倍体积的无水乙醇和1.55～1.6倍体积丁二醇混匀制成。
3.根据权利要求2所述的一种轻质加强件，其特征在于，
所述硅粉包括至少85 wt%二氧化硅。
4.一种权利要求1至3任一所述轻质加强件的制备方法，其特征在于，
所述方法包括：
1）以空心铝金属管为主体，向铝金属管内填充硅凝胶填料，填充完成后以镁粉进行端部封口处理得到预管材；
2）将步骤1）所得的预管材拉拔至所需的长度，得到预线材；
3）对步骤2）所得的预线材进行表面氧化处理，在线材外表面形成氧化铝层，即得到复合线状轻质加强件；
步骤2）所述拉拔采用冷拉拔工艺，单次冷拉拔变形量≤10 %。
5.根据权利要求4所述的一种轻质加强件的制备方法，其特征在于，
步骤1）所述的空心铝金属管的管壁厚度为δ，内径为d，其厚度、内径满足下式：
0.2d≤δ≤0.35d。
6.根据权利要求4或5所述的一种轻质加强件的制备方法，其特征在于，
步骤1）所述的空心铝金属管内壁作擦纹处理；
擦纹批花平行于空心铝金属管的轴向方向。
7.根据权利要求4所述的一种轻质加强件的制备方法，其特征在于，
步骤2）所述拉拔，重复进行12 次以上冷拉拔，控制总变形量≤91.5 %；
所述冷拉拔工艺于20～30 ℃环境中进行。
8.根据权利要求4或7所述的一种轻质加强件的制备方法，其特征在于，
步骤2）冷拉拔结束后对其外表面以及端部进行抛光处理。
9.根据权利要求4所述的一种轻质加强件的制备方法，其特征在于，
步骤3）所述表面氧化处理为利用钝化液对预线材表面进行氧化；
所述钝化液为三价铬钝化液；
所述表面氧化处理前以耐候树脂对预线材端部进行封闭处理；
所述表面氧化处理过程中钝化液温度保持在15～25 ℃。
10.一种如权利要求1至3任一所述轻质加强件的应用，其特征在于，
所述轻质加强件用于光缆和/或电缆和/或光电混合缆。
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