RU2708846C1 - Production method of composite core of power transmission line - Google Patents
Production method of composite core of power transmission line Download PDFInfo
- Publication number
- RU2708846C1 RU2708846C1 RU2019118045A RU2019118045A RU2708846C1 RU 2708846 C1 RU2708846 C1 RU 2708846C1 RU 2019118045 A RU2019118045 A RU 2019118045A RU 2019118045 A RU2019118045 A RU 2019118045A RU 2708846 C1 RU2708846 C1 RU 2708846C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- composite core
- manufacturing
- power line
- reinforcing fibers
- prepolymer
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
- B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
- B29C70/28—Shaping operations therefor
- B29C70/40—Shaping or impregnating by compression not applied
- B29C70/50—Shaping or impregnating by compression not applied for producing articles of indefinite length, e.g. prepregs, sheet moulding compounds [SMC] or cross moulding compounds [XMC]
- B29C70/52—Pultrusion, i.e. forming and compressing by continuously pulling through a die
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
- H01B5/00—Non-insulated conductors or conductive bodies characterised by their form
- H01B5/08—Several wires or the like stranded in the form of a rope
- H01B5/10—Several wires or the like stranded in the form of a rope stranded around a space, insulating material, or dissimilar conducting material
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Reinforced Plastic Materials (AREA)
- Moulding By Coating Moulds (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при изготовлении многопроволочных проводов для воздушных линий, предназначенных для передачи электрической энергии в воздушных электрических сетях и линиях электрифицированного транспорта, в частности, при изготовлении несущих сердечников в конструкциях кабелей и проводов.The invention relates to electrical engineering and can be used in the manufacture of multi-wire wires for overhead lines designed to transmit electrical energy in overhead electric networks and electrified transport lines, in particular, in the manufacture of bearing cores in the construction of cables and wires.
Уровень техникиState of the art
Из уровня техники известна технология пултрузии для получения композитных материалов с постоянным сечением, в том числе, неизолированных проводов с композитным сердечником. Технологический процесс пултрузии непрерывный и, в зависимости от происходящих процессов, разделен на следующие стадии: подготовка волокна и связующего, пропитка, формование профиля, отверждение связующего (выдержка при постоянной температуре), охлаждение до конечной температуры, нарезка готового профиля в размер или намотка на катушку. Основным достоинством технологии пултрузии является высокая скорость производства композитных материалов с постоянным (однородным) качеством получаемых изделий.The prior art technology of pultrusion to obtain composite materials with a constant cross section, including uninsulated wires with a composite core. The pultrusion technological process is continuous and, depending on the processes taking place, is divided into the following stages: preparation of the fiber and binder, impregnation, molding of the profile, curing of the binder (holding at a constant temperature), cooling to the final temperature, cutting the finished profile to size or winding onto a coil . The main advantage of pultrusion technology is the high speed of production of composite materials with a constant (uniform) quality of the products obtained.
В традиционной технологии пултрузии в качестве полимерной матрицы (связующего) практически всегда используют различные низковязкие термореактивные связующие (реактопласты) невысокой молекулярной массы (эпоксидные, фенолформальдегидные, кремнийорганические, полиэфирные и др.), обеспечивающие равномерную пропитку армирующих волокон. Так, армирующие волокна преимущественно погружают в емкость с низковязким термореактивным связующим, после чего отжимают обратно в емкость лишнее связующее и пропитанные волокна подаются в формообразующую фильеру, где под действием температуры происходит полимеризация реактопласта. Полученные термореактивные материалы имеют ряд недостатков, особенно значимых при серийном производстве: невозможность постобработки после полимеризации, поскольку они перестают размягчаться при повторном нагревании и не растворяются, а только набухают, в растворителях; хрупкость матрицы после полимеризации, в виду ее высокой твердости; сложность анкеровки (монтажа) готового изделия; сложность в утилизации; большое время производственного цикла; высокая стоимость сырьевых материалов.In the traditional technology of pultrusion, various low-viscosity thermosetting binders (thermosets) of low molecular weight (epoxy, phenol-formaldehyde, organosilicon, polyester, etc.) that provide uniform impregnation of reinforcing fibers are almost always used as a polymer matrix (binder). So, the reinforcing fibers are mainly immersed in a container with a low-viscosity thermosetting binder, after which the excess binder is squeezed back into the container and the impregnated fibers are fed into a forming spinneret, where thermosetting takes place under the influence of temperature. The obtained thermoset materials have a number of drawbacks, especially significant in serial production: the inability to postprocess after polymerization, since they cease to soften when reheated and do not dissolve, but only swell, in solvents; fragility of the matrix after polymerization, in view of its high hardness; the complexity of anchoring (installation) of the finished product; difficulty in disposal; long production cycle; high cost of raw materials.
В последнее время растет интерес к созданию армированных пластиков на основе термопластичных связующих (термопластов). Главные преимущества армированных термопластов по сравнению с полимерными композитными материалами на основе термореактивных связующих: высокая вязкость разрушения, трещиностойкость и постударная прочность; повышенная теплостойкость; устойчивость к воздействию агрессивных сред; неограниченно долгая жизнеспособность матрицы; высокие скорости технологических циклов; возможность вторичной переработки и локального устранения дефектов, последнее возможно благодаря возможности постобработки изготовленного изделия путем его повторного нагрева или обработки его растворителем. Тогда как недостатками, проявляющимися при изготовлении композитных материалов из термопластических связующих с помощью технологии пултрузии, являются высокая вязкость связующего, которая затрудняет процесс пропитки армирующих волокон и приводит к необходимости увеличения давления в процессе прохождения армирующих волокон через формообразующую фильеру, а также возможность неравномерной пропитки армирующих волокон и образования изделий с дефектами.Recently, there has been growing interest in the creation of reinforced plastics based on thermoplastic binders (thermoplastics). The main advantages of reinforced thermoplastics in comparison with polymer composite materials based on thermosetting binders: high fracture toughness, crack resistance and impact resistance; increased heat resistance; resistance to aggressive environments; unlimited long matrix viability; high speeds of technological cycles; the possibility of secondary processing and local elimination of defects, the latter is possible due to the possibility of post-processing of the manufactured product by re-heating it or processing it with a solvent. While the disadvantages manifested in the manufacture of composite materials from thermoplastic binders using pultrusion technology are the high viscosity of the binder, which complicates the process of impregnation of the reinforcing fibers and leads to the need to increase the pressure during the passage of the reinforcing fibers through the forming spinneret, as well as the possibility of uneven impregnation of the reinforcing fibers and the formation of products with defects.
Из евразийского патента на изобретение №11625, МПК B32B 27/04 (2006.01), B05D 3/02 (2006.01), B05D 1/18 (2006.01), D04H 3/08 (2006.01), опубликованного 29.12.2006 г., известен способ изготовления композитного сердечника для электрического кабеля, образованного множеством пропитанных смолой армированных волокон по меньшей мере одного типа, при этом смолой окружают и, по существу, покрывают все армирующие волокна, которые ориентированы в основном параллельно продольной оси сердечника. При этом, как указано в независимом пункте формулы, весовой процент волокон в композите составляет меньше 50%, что является недостаточным для достижения требований к нагрузкам требуемого несущего сердечника. Кроме того, в качестве пропитывающей смолы в способе используются различные связующие, в том числе, термопластичные связующие, при этом, в разделе описания «Известный уровень техники» указаны проблемы, с которыми сталкиваются специалисты в уровне техники, а именно: при использование технологии пултрузии несущий сердечник из термопластика, во-первых, не обладает требуемыми физическими характеристиками для эффективного перераспределения нагрузки и предотвращения провисания кабеля, во-вторых, не соответствует температурным режимам эксплуатации кабельной продукции, в-третьих, ограничен в максимальном количестве используемых волокон по соотношению волокна и связующего в сердечнике, поскольку использование термопласта, как уже было указано выше, затруднено его высокой вязкостью, что, в свою очередь, увеличивает трение между экструзионной головкой (частью фильеры) и формуемым композитным материалом. В указанном изобретении на странице 13 приведено два способа использования термопластичного связующего, снижающего сложности его использования в технологии пултрузии, в которых термопластичное связующе присутствует в твердой форме, и переводится в жидкое состояние при нагреве на более поздней стадии процесса. В первом способе термопластичное связующе присутствует в виде волокон, которые переплетаются с армирующими волокнами и, разогреваясь в фильере, пропитывают армирующие волокна. При этом, недостатками указанного способа являются недостаточная пропитка волокон и наличие пустот в получаемом композитном сердечнике. Во втором способе было предложено покрывать каждую армирующую нить слоем из термопластичного связующего до подачи в фильеру и, также, осуществлять пропитку путем разогревания покрытых волокон в фильере. Так, недостатками указанного способа являются наличие пустот в получаемом композитном сердечнике и трудоемкость предварительной подготовки покрытых термопластичной смолой армирующих волокон. В остальных способах, в том числе и предпочтительном способе, в котором используется эпоксидное связующее, используются термореактивные связующие, которым свойственны указанные выше недостатки.From the Eurasian patent for invention No. 11625, IPC B32B 27/04 (2006.01), B05D 3/02 (2006.01), B05D 1/18 (2006.01), D04H 3/08 (2006.01), published on December 29, 2006, a method is known the manufacture of a composite core for an electric cable formed by a plurality of resin-impregnated reinforced fibers of at least one type, with the resin surrounding and substantially covering all reinforcing fibers that are oriented substantially parallel to the longitudinal axis of the core. Moreover, as indicated in the independent claim, the weight percentage of fibers in the composite is less than 50%, which is insufficient to achieve the load requirements of the required carrier core. In addition, various binders, including thermoplastic binders, are used as an impregnating resin in the method, and the problems described in the prior art are indicated in the “Prior art” description section, namely, when using carrier pultrusion technology thermoplastic core, firstly, does not have the required physical characteristics to effectively redistribute the load and prevent sagging of the cable, and secondly, does not correspond to the temperature conditions of the exp Luatation of cable products, thirdly, is limited in the maximum number of fibers used by the ratio of fiber to binder in the core, since the use of thermoplastic, as mentioned above, is hindered by its high viscosity, which, in turn, increases friction between the extrusion head (part dies) and moldable composite material. In this invention,
Из патента РФ на изобретение №2632454, МПК C08K 3/04 (2006.01), C08K 7/24 (2006.01), C08J 5/24 (2006.01), B32B 5/28 (2006.01), B32B 27/38 (2006.01), опубликованного 04.10.2017 г., известен способ изготовления композитного сердечника, включающего углеродное волокно или стекловолокно. При этом, термопластичное связующее используется в нем только в качестве добавки к эпоксидному связующему, в размере от 5 до 20 мас.%. Достоинством предложенного решения является использование преимуществ термопластичного связующего. При этом, указанному решению свойственны недостатки термореактивных связующих.From the RF patent for invention No. 2632454, IPC C08K 3/04 (2006.01), C08K 7/24 (2006.01), C08J 5/24 (2006.01), B32B 5/28 (2006.01), B32B 27/38 (2006.01), published 10/04/2017, there is a known method of manufacturing a composite core comprising carbon fiber or glass fiber. At the same time, the thermoplastic binder is used in it only as an additive to the epoxy binder, in the amount of from 5 to 20 wt.%. The advantage of the proposed solution is the use of the advantages of a thermoplastic binder. At the same time, the indicated solution is characterized by the disadvantages of thermoset binders.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве ближайшего аналога, является способ изготовления композитного сердечника, известный из международной заявки PCT № WO/2009/130525, МПК B29C 70/52 (2006.01), H01B 5/10 (2006.01), опубликованной 29.10.2009 г., с помощью которого изготавливают композитный сердечник с термопластичной полимерной матрицей по технологии пултрузии. Так, указанный способ производства композитного сердечника провода линии электропередачи включает подготовку армирующих волокон, осуществление равномерной подачи армирующих волокон в формообразующую фильеру, подготовку связующего преполимера, пропитку армирующих волокон преполимером под давлением, осуществление полимеризации в формообразующей фильере, сбор готового продукта. Преимущества указанного способа изготовления композитного сердечника проявляются ввиду использования термопластичного связующего. При этом, недостаток указанного способа изготовления проявляется в результате использования термопластичных волокон в твердом виде для переплетения и дальнейшей пропитки армирующих волокон. Как указано в примере №3, термопластичные волокна, выбранные из карполактама и лауриллактама, нагреваясь в формообразующей фильере расплавляются и пропитывают переплетенные с ними армирующие волокна (углеродные волокна и стекловолокна), с образованием в результате анионной полимеризации полимерной матрицы. Недостатками указанного способа получения полимерной матрицы являются недостаточная пропитка армирующих волокон и наличие пустот в получаемом композитном сердечнике.The closest technical solution, selected as the closest analogue, is a method of manufacturing a composite core, known from international application PCT No. WO / 2009/130525, IPC B29C 70/52 (2006.01),
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачей изобретения является получение композитного сердечника, состоящего из армирующих волокон и термопластичного связующего (матрицы) с исключением дефектов пропитки армирующих волокон и пустот в получаемом композитном сердечнике.The objective of the invention is to obtain a composite core consisting of reinforcing fibers and a thermoplastic binder (matrix) with the exception of defects in the impregnation of reinforcing fibers and voids in the resulting composite core.
Технические результаты, достигаемые предложенным способом производства, заключаются в равномерной пропитке армирующих волокон связующим при равномерном повышении давления, что уменьшает вероятность появления пустот и раковин и непропорциональных усадок, в получение композитного сердечника с высоким содержанием армирующих волокон по объему и весу, что позволяет создавать изделия с высокими прочностными показателями, и в увеличении скорости процесса производства за счет увеличения скорости пропитки армирующих волокон связующим, в возможности вторичной переработки композитного сердечника и использования полученного от переработки сырья, а также в возможности локального устранения дефектов композитного сердечника.The technical results achieved by the proposed production method consist in uniformly impregnating the reinforcing fibers with a binder with a uniform increase in pressure, which reduces the likelihood of voids and shells and disproportionate shrinkage, in obtaining a composite core with a high content of reinforcing fibers in volume and weight, which allows you to create products with high strength indicators, and in increasing the speed of the production process by increasing the speed of impregnation of reinforcing fibers with a binder, in the possibility of secondary processing of the composite core and the use of raw materials obtained from processing, as well as the possibility of local elimination of defects in the composite core.
Указанный технический результат достигается с помощью способа производства композитного сердечника провода линии электропередачи, включающего подготовку армирующих волокон, осуществление равномерной подачи армирующих волокон в формообразующую фильеру, подготовку связующего преполимера, пропитку армирующих волокон преполимером под давлением, осуществление полимеризации в формообразующей фильере, сбор готового продукта. Согласно заявленному решению, на этапе подготовки системы связующего осуществляют получение преполимера путем смещения раствора мономеров ε-капролактама и катализатора с раствором мономеров ε-капролактама и активатора, пропитку армирующего волокна осуществляют полученным преполимером, на этапе осуществления пултрузии, в результате аннионной полимеризации ε-капролактама, получают полимерную матрицу - капролон.The specified technical result is achieved using a method of manufacturing a composite core of a power line wire, including the preparation of reinforcing fibers, the uniform feeding of the reinforcing fibers into the forming die, the preparation of the binder prepolymer, the reinforcing fibers are impregnated with the prepolymer under pressure, the polymerization is carried out in the forming die, collecting the finished product. According to the stated solution, at the stage of preparation of the binder system, the prepolymer is prepared by displacing the solution of ε-caprolactam monomers and the catalyst with the solution of ε-caprolactam monomers and activator, the reinforcing fiber is impregnated with the obtained prepolymer, at the stage of pultrusion, as a result of the annionic polymerization of ε-caprolactam, get a polymer matrix - caprolon.
Преимущественно осуществляют равномерную подачу однонаправленных армирующих волокон.Advantageously, uniform feeding of unidirectional reinforcing fibers is carried out.
При подаче армирующих волокон могут формировать внутреннюю часть сердечника из углеродного волокна и внешнюю часть сердечника из стекловолокна.When reinforcing fibers are fed, they can form the inner part of the carbon fiber core and the outer part of the fiberglass core.
Кроме того, весовой процент волокон в композитном сердечнике составляет от 60 до 90%.In addition, the weight percentage of fibers in the composite core is from 60 to 90%.
Помимо этого, в качестве катализатора могут использовать щелочные и щелочноземельные металлы, их гидриды, амиды, гидроксиды, карбонаты и их соединения.In addition, alkali and alkaline earth metals, their hydrides, amides, hydroxides, carbonates and their compounds can be used as a catalyst.
А в качестве активатора могут использовать -ацил-производные лактама (ацетилкапролактам) или соединения, способные ацилировать лактам в условиях полимеризации.And as the activator can use acyl-derivatives of lactam (acetylcaprolactam) or compounds capable of acylating lactam under polymerization conditions.
При этом, подготовка связующего может осуществляться путем получения раствора мономеров ε-капролактама, смешанного с катализатором при температуре от 70 до 90°С в среде инертного газа, и раствора мономеров ε-капролактама, смешанного с активатором при температуре от 70 до 90°С в среде инертного газа.In this case, the preparation of the binder can be carried out by obtaining a solution of ε-caprolactam monomers mixed with a catalyst at a temperature of from 70 to 90 ° C in an inert gas medium, and a solution of ε-caprolactam monomers mixed with an activator at a temperature of from 70 to 90 ° C inert gas environment.
Также получение преполимера путем смешения раствора мономеров ε-капролактама и катализатора с раствором мономеров ε-капролактама и активатора может осуществляться при температуре от 110 до 140°С.Also, the preparation of the prepolymer by mixing a solution of ε-caprolactam monomers and a catalyst with a solution of ε-caprolactam monomers and an activator can be carried out at a temperature of from 110 to 140 ° C.
Кроме того, пропитку армирующих волокон связующим могут осуществлять путем впрыска преполимера в формообразующую фильеру под давлением от 3 до 5 Бар.In addition, the reinforcing fibers can be impregnated with a binder by injection of the prepolymer into the forming die under a pressure of 3 to 5 Bar.
Пултрузию в формообразующей фильере могут осуществлять при температуре от 140 до 180°СPultrusion in the forming die can be carried out at a temperature of from 140 to 180 ° C
Формующая зона фильеры может иметь угол конусности канала не более 15° и не менее 5° для улучшения качества и равномерности пропитки и удаления воздушных включений из формующей зоны.The forming zone of the die can have a channel taper angle of not more than 15 ° and not less than 5 ° to improve the quality and uniformity of impregnation and removal of air inclusions from the forming zone.
Ко всему прочему, после полимеризации матрицы композитный сердечник могут подвергать плавному постохлаждению в оснастке до 100°С для достижения однородности структуры и исключения внутренних напряжений.In addition, after polymerization of the matrix, the composite core can be subjected to smooth post-cooling in a snap up to 100 ° C in order to achieve uniform structure and eliminate internal stresses.
А после полимеризации матрицы композитный сердечник могут подвергать постобработке, включающей нагрев и формовку под геометрию, обусловленную специальной арматурой проводов.And after the polymerisation of the matrix, the composite core can be subjected to post-processing, including heating and molding according to the geometry, due to the special reinforcement of the wires.
Сбор готового продукта может осуществляться путем намотки полученного композитного сердечника на катушку или нарезки композитного сердечника на заданную длину.The collection of the finished product can be carried out by winding the resulting composite core onto a coil or cutting the composite core to a predetermined length.
В отличии от ближайшего аналога, в приведенном выше способе армирующее волокно пропитывают жидким низковязким преполимером и проводят последующую анионную полимеризацию с образованием термопластической полимерной матрицы, состоящей из капролона.Unlike the closest analogue, in the above method, the reinforcing fiber is impregnated with a liquid low viscosity prepolymer and subsequent anionic polymerization is carried out with the formation of a thermoplastic polymer matrix consisting of caprolon.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Сущность заявленного изобретения и возможность его практической реализации поясняется приведенными ниже описанием, фигурами и таблицами.The essence of the claimed invention and the possibility of its practical implementation is illustrated by the description below, figures and tables.
На фигуре 1 показана общая компоновка линии реактивной термопластичной пултрузии.The figure 1 shows the General layout of the line reactive thermoplastic pultrusion.
На фигуре 2 показан общий вид фильеры.The figure 2 shows a General view of the die.
На фигуре 3 показана схема получения преполимера.The figure 3 shows the scheme for the preparation of the prepolymer.
На фигуре 4 показан общий вид модуля протяжки.Figure 4 shows a General view of the broach module.
На фигуре 5 показан общий вид модуля нарезки.Figure 5 shows a General view of the slicing module.
На фигуре 6 показан общий вид модуля сбора волокна.Figure 6 shows a General view of the module for collecting fiber.
На фигуре 7 показано сечение провода линии электропередачи с композитным сердечником.Figure 7 shows a cross section of a wire of a power line with a composite core.
На фигуре 8 показан общий вид композитного сердечника.The figure 8 shows a General view of the composite core.
В таблице 1 приведены минимальные физико-механические показатели композитного сердечника.Table 1 shows the minimum physical and mechanical properties of the composite core.
В таблице 2 приведены номинальные параметры и характеристики композитных сердечников.Table 2 shows the nominal parameters and characteristics of composite cores.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Предлагаемое изобретение поясняется конкретным способом производства композитного сердечника провода линии электропередачи, однако, приведенный пример не является единственно возможным, но наглядно демонстрируют возможность достижения данной совокупностью существенных признаков заявленного технического результата.The present invention is illustrated by a specific method for the production of a composite core of a power line wire, however, the above example is not the only possible, but clearly demonstrate the possibility of achieving this set of essential features of the claimed technical result.
Способ производства композитного сердечника провода линии электропередачи включает подготовку армирующих волокон. Подготовка включает подачу однонаправленных армирующих волокон из модуля подачи армирующих волокон 1, где армирующие волокна сматываются с катушек (на фигурах не показаны). Процедуры сматывания, выравнивания, натяжения и подачи углеволокна и стекловолокна осуществляются таким образом, чтобы обеспечить равномерное распределение армирующих волокон в композитном сердечнике.A method of manufacturing a composite core of a power line wire includes preparing reinforcing fibers. The preparation includes supplying unidirectional reinforcing fibers from the reinforcing
Далее армирующие волокна подаются в модуль нагрева и сушки волокна 2, преимущественно состоящий из сушильного шкафа (на фигурах не показан) с калибровочными пластинами (на фигурах не показаны), где армирующие волокна проводятся через сушильный шкаф для удаления влаги и предварительного подогрева. Каждый жгут армирующих волокон проходит через отверстия калибровочных пластин (на фигурах не показаны) для исключения спутывания отдельных ровингов. Сушка и подогрев волокон в сушильном шкафу производятся при температуре 180±5 °С.Next, the reinforcing fibers are fed into the heating and drying module of the
После чего армирующие волокна подаются в модуль 3 подготовки армирующих волокон, где пропускаются через преформовочные калибры (на фигурах не показаны). Волокна стеклоровинга проходят через систему калибров по внешнему контуру таким образом, чтобы на входе в фильеру (на фигурах не показана) образовался равномерный внешний слой, равномерно покрывающий центральную часть сердечника, формируемую из углеволокна.After that, the reinforcing fibers are fed into the reinforcing
Весовой процент волокон в композитном сердечнике составляет 80%. Для достижения минимальных физико-механических характеристик, приведенных в таблице 1, содержание волокон выбирается от 60 до 90% масс.композитного сердечника, при этом, нижнее значение обусловлено минимальными прочностными характеристиками, а верхнее значение обусловлено возможностями пропитки армирующего волокна преполимером на основе ε-капролактама.The weight percentage of fibers in the composite core is 80%. To achieve the minimum physical and mechanical characteristics shown in Table 1, the fiber content is selected from 60 to 90% of the mass of the composite core, while the lower value is due to the minimum strength characteristics, and the upper value is due to the possibility of impregnating the reinforcing fiber with an ε-caprolactam prepolymer .
Сформированный таким образом общий пучок волокон подается в модуль формовки волокна 4, где в формообразующей фильере 5 осуществляется пропитка армирующих волокон преполимером под давлением.The common fiber bundle thus formed is fed into the
При этом, в модуле подготовки системы связующего (на фигуре не показан) осуществляется получение преполимера, принципиальная схема получения преполимера показана на фигуре 3. Так, ε-капролактам подвергается сушке до содержания влаги не более 0,1%, а затем плавится в резервуаре плавления 6 при температуре 70-90°С. Сушить ε-капролактам можно в вакуум-сушильном шкафу (на фигуре не показан) при температуре около 50°С или в сушильном шкафу с рециркуляцией воздуха (на фигуре не показан). Наиболее рациональна сушка в среде инертного газа. В процессе плавления ε-капролактама из него удаляется остаточная влага под давлением 0,02 МПа инертного газа, подаваемого в резервуар плавления. Допустимая конечная влажность расплава ε-капролактама - не выше 0,02%. Из резервуара плавления 6 ε-капролактама подается в два отдельных реактора-смесителя: в реакторе 7 в среде инертного газа к раствору добавляют катализатор из резервуара 8, а во втором реакторе 9 в среде инертного газа - активатор из резервуара 10. В качестве инертного газа используется азот, подводимый по трубопроводу 11.At the same time, in the preparation module of the binder system (not shown in the figure), a prepolymer is prepared, a schematic diagram of the preparation of the prepolymer is shown in figure 3. So, ε-caprolactam is dried to a moisture content of not more than 0.1%, and then melted in the
Получение преполимера в модуле подготовки системы связующего осуществляют путем смешения раствора мономеров ε-капролактама и натрия с раствором мономеров ε-капролактама и изоцианата. При этом, содержание ε-капролактама составляет 19,6% масс. композитного сердечника, содержание натрия составляет 0,2% масс. композитного сердечника, а содержание изоцианата составляет 0,2% масс.композитного сердечника. Раствор ε-капролактама с натрием и раствор ε-капролактама с изоцианатом из смесителей (реактора 7 и реактора 9) поступают в миксер 12. Необходимое соотношение катализатора и активатора достигается одновременной подачей растворов по каналам равного сечения. Управлением подачи преполимера из миксера 12 осуществляется блоком управления 13. При смешении растворов образуется преполимер, который поступает в предварительно подготовленную и нагретую фильеру 5. Полимеризация проводится непосредственно в фильере при температуре 140 - 180°С.The preparation of the prepolymer in the binder system preparation module is carried out by mixing a solution of ε-caprolactam and sodium monomers with a solution of ε-caprolactam monomers and isocyanate. Moreover, the content of ε-caprolactam is 19.6% of the mass. composite core, the sodium content is 0.2% of the mass. composite core, and the isocyanate content is 0.2% by weight of the composite core. A solution of ε-caprolactam with sodium and a solution of ε-caprolactam with isocyanate from mixers (
Вместо натрия в качестве катализатора могут быть использованы щелочные и щелочноземельные металлы, их гидриды, амиды, гидроксиды, карбонаты и их соединения, выбираемые в зависимости от выбранного активатора процесса полимеризации. Тогда как вместо изоцианата в качестве активатора могут быть использованы - ацил-производные лактама (ацетилкапролактам) или соединения, способные ацилировать лактам в условиях полимеризации, выбираемые в зависимости от выбранного катализатора процесса полимеризации, а также от необходимой плотности и степени кристалличности полимера. Система катализатора и активатора подбирается исходя из требуемых параметров времени, температуры и давления следующих процессов: подготовки смеси преполимера, пропитки перполимером армирующих волокон, полимеризации преполимера. Наиболее полно полимеризация проходит при эквивалентном соотношении компонентов каталитической системы, когда на одну функциональную группу катализатора приходится одна функциональная группа активирующего соединения. Увеличение мольной концентрации одного из компонентов либо замедляет, либо полностью прекращает процесс полимеризации. Оптимальная концентрация каталитической системы составляет от 0,3 до 0,5% масс.композитного сердечника, что обеспечивает получение высококачественных полимеров.Instead of sodium, alkali and alkaline earth metals, their hydrides, amides, hydroxides, carbonates and their compounds, selected depending on the chosen activator of the polymerization process, can be used as a catalyst. Whereas instead of isocyanate, acyl derivatives of lactam (acetylcaprolactam) or compounds capable of acylating lactam under polymerization conditions, selected depending on the chosen catalyst of the polymerization process, as well as on the required density and degree of crystallinity of the polymer, can be used as activator. The catalyst and activator system is selected based on the required parameters of time, temperature and pressure of the following processes: preparing the prepolymer mixture, impregnating the reinforcing fibers with the prepolymer, and prepolymer polymerizing. The most complete polymerization takes place at an equivalent ratio of the components of the catalytic system, when one functional group of the activating compound falls on one functional group of the catalyst. An increase in the molar concentration of one of the components either slows down or completely stops the polymerization process. The optimum concentration of the catalytic system is from 0.3 to 0.5% by weight of the composite core, which provides high-quality polymers.
Расплав ε-капролактама обладает низкой вязкостью менее 1 Па⋅с, что позволяет пропитывать армирующие волокна.The ε-caprolactam melt has a low viscosity of less than 1 Pa · s, which allows the reinforcing fibers to be impregnated.
После пропитки армирующего волокна осуществляется дальнейшая протяжка армирующих волокон через формообразующую фильеру 5 (пултрузия), и, в результате аннионной полимеризации преполимера ε-капролактама, получают полимерную матрицу - капролон.After the reinforcing fiber is impregnated, the reinforcing fibers are further drawn through the forming die 5 (pultrusion), and, as a result of the annionic polymerization of the ε-caprolactam prepolymer, a caprolon polymer matrix is obtained.
Таким образом, вовремя пултрузии в фильере одновременно протекают следующие процессы: пропитка армирующих волокон, синтез полимера и формирование композитного сердечника, которые зависят от многих факторов: типа активатора, режима полимеризации, скорости охлаждения.Thus, during pultrusion, the following processes simultaneously occur in the die: impregnation of reinforcing fibers, polymer synthesis and the formation of a composite core, which depend on many factors: type of activator, polymerization mode, and cooling rate.
Пропитку армирующих волокон связующим осуществляют путем впрыска преполимера в формообразующую фильеру под давлением от 3 до 5 Бар.The reinforcing fibers are impregnated with a binder by injection of a prepolymer into a forming die under pressure from 3 to 5 Bar.
Формующая зона фильеры имеет угол конусности канала 12°. Формующая зона фильеры имеет сужающийся канал, переходящий от формы и размеров канала входной зоны к форме и размерам изготавливаемого профиля. В этих условиях давление формования создается главным образом за счет уменьшения сечения канала по длине зоны, за счет скорости протягивания материала через фильеру и за счет избыточного количества материала, входящего в фильеру. Важной величиной, характеризующей формующую зону, является угол конусности канала, который, одной стороны, не должен превышать 15°, чтобы расплав термопласта захватывался движущимися волокнами наполнителя, а с другой стороны - должен иметь минимальное значение, чтобы обеспечить плавное нарастание давления, так как это улучшает качество и равномерность пропитки по толщине сечения и способствует более полному удалению воздушных включений из формующей зоны. Однако слишком маленькая конусность (менее 5°) приводит к неоправданному увеличению длины этой зоны, а значит и габаритов всей фильеры, что, в свою очередь, увеличивает время нахождения расплава при высокой температуре, а значит, и степень термодеструкции, и увеличивает отжим связующего с наружной поверхности.The forming zone of the die has a channel taper angle of 12 °. The forming zone of the die has a tapering channel, passing from the shape and size of the channel of the input zone to the shape and size of the manufactured profile. Under these conditions, the molding pressure is created mainly by reducing the channel section along the length of the zone, due to the speed of drawing the material through the die and due to the excess amount of material entering the die. An important quantity characterizing the forming zone is the cone angle of the channel, which, on the one hand, should not exceed 15 °, so that the thermoplastic melt is captured by moving filler fibers, and on the other hand, should be of the minimum value to ensure a smooth increase in pressure, since this improves the quality and uniformity of impregnation over the thickness of the section and contributes to a more complete removal of air inclusions from the forming zone. However, too little taper (less than 5 °) leads to an unjustified increase in the length of this zone, and hence the dimensions of the entire die, which, in turn, increases the residence time of the melt at high temperature, and hence the degree of thermal degradation, and increases the binder outer surface.
Температура преполимера существенно влияет на весь ход процесса получения полимера, а также на свойства и качество готового композитного сердечника. Температура преполимера зависит от активатора, массы и конфигурации сердечника и должна находиться в пределах 110-140°С. При более низких температурах образуется полимер с неоднородной структурой, высоким содержанием низкомолекулярных соединений, а, следовательно, качество сердечника будет низким. При температурах выше 140°С реакция полимеризации протекает с большой скоростью, и вязкость преполимера быстро нарастает, в результате чего воздух и летучие компоненты не успевают полностью выйти и остаются внутри сердечника, а также не успевает произойти качественная пропитка армирующих волокон, что является причиной образования многочисленных мелких пор, усадочных раковин и трещин.The temperature of the prepolymer significantly affects the entire course of the polymer production process, as well as the properties and quality of the finished composite core. The temperature of the prepolymer depends on the activator, mass and configuration of the core and should be in the range of 110-140 ° C. At lower temperatures, a polymer with a heterogeneous structure, a high content of low molecular weight compounds is formed, and, therefore, the quality of the core will be low. At temperatures above 140 ° C, the polymerization reaction proceeds at a high speed, and the viscosity of the prepolymer increases rapidly, as a result of which air and volatile components do not have time to completely exit and remain inside the core, and also there is no time for high-quality impregnation of reinforcing fibers, which causes the formation of numerous small pores, shrinkage shells and cracks.
Температура фильеры зависит от массы сердечника. Нижняя граница температуры фильеры определяется начальной температурой преполимера и должна быть выше 150°С. При более низкой температуре на поверхности композитного сердечника образуется слой незаполимеризовавшегося мономера, а полимер будет иметь пониженные прочностные характеристики. Верхняя граница температуры фильеры устанавливается с таким расчетом, чтобы конечная максимальная температура структурообразования не превысила температуру плавления полимера и не была выше 180°С. При относительно пониженных температурах фильеры образуются значительные усадочные раковины и поры.The die temperature depends on the mass of the core. The lower temperature limit of the die is determined by the initial temperature of the prepolymer and should be above 150 ° C. At a lower temperature, a layer of unpolymerized monomer is formed on the surface of the composite core, and the polymer will have reduced strength characteristics. The upper limit of the die temperature is set so that the final maximum temperature of structure formation does not exceed the melting temperature of the polymer and is not higher than 180 ° C. At relatively low die temperatures, significant shrinkage shells and pores are formed.
Время выдержки при температуре полимеризации устанавливается, исходя из необходимости обеспечить полное протекание процессов затвердевания полимера и в зависимости от скорости полимеризации, размеров и массы композитного сердечника.The exposure time at the polymerization temperature is set based on the need to ensure the complete course of polymer solidification and depending on the polymerization rate, size and weight of the composite core.
Полимеризация ε-капролактама в присутствии катализатора и активатора протекает при температуре ниже температуры плавления полимера и при атмосферном давлении.The polymerization of ε-caprolactam in the presence of a catalyst and activator proceeds at a temperature below the melting point of the polymer and at atmospheric pressure.
Характерной особенностью процесса анионной полимеризации ε-капролактама является то, что он протекает при температуре ниже температуры плавления полимера, благодаря чему процессы роста макромолекул и их упорядочение (кристаллизация) частично накладываются друг на друга. Скорость охлаждения оказывает большое влияние на формирование структуры, и при медленном охлаждении получаются полимеры с однородной структурой, хорошей поверхностью и высокими физико-механическими характеристиками.A characteristic feature of the process of anionic polymerization of ε-caprolactam is that it proceeds at a temperature below the melting temperature of the polymer, due to which the growth processes of macromolecules and their ordering (crystallization) partially overlap each other. The cooling rate has a great influence on the formation of the structure, and with slow cooling, polymers with a uniform structure, a good surface and high physical and mechanical characteristics are obtained.
После полимеризации матрицы композитный сердечник подвергают постобработке, включающей нагрев и формовку под специальную арматуру крепления и соединения проводов.After polymerization of the matrix, the composite core is subjected to post-processing, including heating and molding under special reinforcement of fastening and connecting wires.
Режим охлаждения оказывает влияние не только на однородность структуры, но также на внутренние напряжения, которые возрастают с увеличением скорости охлаждения. Поэтому скорость охлаждения должна регулироваться в зависимости от массы композитного сердечника. Медленное охлаждение композитного сердечника до 100°С, последующее охлаждение в термостате (камера постотверждения, на фигурах не показана) до 50°С и далее на воздухе представляется наиболее оптимальным режимом с точки зрения достижения наилучших характеристик композитного сердечника.The cooling mode affects not only the homogeneity of the structure, but also the internal stresses, which increase with increasing cooling rate. Therefore, the cooling rate should be adjusted depending on the mass of the composite core. Slow cooling of the composite core to 100 ° C, subsequent cooling in a thermostat (post-curing chamber, not shown in the figures) to 50 ° C and then in air seems to be the most optimal mode in terms of achieving the best characteristics of the composite core.
При этом, во время процессов подготовки и формовки осуществляется равномерная подачи армирующих волокон, а затем и получившегося композитного сердечника, с помощью модуля протяжки 14. Также, с помощью модуля нарезки 15 осуществляется нарезка готового продукта. Тогда как сбор готового продукта осуществляется с помощью модуля сбора волокна 16.At the same time, during the processes of preparation and molding, the reinforcing fibers and then the resulting composite core are uniformly fed using the
После изготовления композитный сердечник провода линии электропередачи включает центральную часть 17, состоящую из углеродного волокна и полимерной матрицы из капролона, и внешнюю часть 18, состоящую из стекловолокна и полимерной матрицы из капролона. После чего на композитный сердечник навивают алюминиевые токопроводящие проволоки 19.After manufacturing, the composite core of the power line wire includes a
В таблице 2 раскрываются номинальные параметры и характеристики получаемых композитных сердечников.Table 2 discloses the nominal parameters and characteristics of the resulting composite cores.
Claims (14)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019118045A RU2708846C1 (en) | 2019-06-10 | 2019-06-10 | Production method of composite core of power transmission line |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019118045A RU2708846C1 (en) | 2019-06-10 | 2019-06-10 | Production method of composite core of power transmission line |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2708846C1 true RU2708846C1 (en) | 2019-12-11 |
Family
ID=69006464
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019118045A RU2708846C1 (en) | 2019-06-10 | 2019-06-10 | Production method of composite core of power transmission line |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2708846C1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2268476B1 (en) * | 2008-04-24 | 2015-07-22 | ENERGO-SPARE-TIME Kfc | Process and equipment for producing composite core with thermoplastic matrix for recyclable and thermally stable electrical transmission line conductor |
RU2578038C1 (en) * | 2014-11-25 | 2016-03-20 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Полимерные Композиты" | Composite core for non-insulated wires of overhead power transmission lines |
US20180304578A1 (en) * | 2015-10-13 | 2018-10-25 | Arkema France | Method for Producing a Composite Conductive Material and Composite Material Obtained In This Way |
-
2019
- 2019-06-10 RU RU2019118045A patent/RU2708846C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2268476B1 (en) * | 2008-04-24 | 2015-07-22 | ENERGO-SPARE-TIME Kfc | Process and equipment for producing composite core with thermoplastic matrix for recyclable and thermally stable electrical transmission line conductor |
RU2578038C1 (en) * | 2014-11-25 | 2016-03-20 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Полимерные Композиты" | Composite core for non-insulated wires of overhead power transmission lines |
US20180304578A1 (en) * | 2015-10-13 | 2018-10-25 | Arkema France | Method for Producing a Composite Conductive Material and Composite Material Obtained In This Way |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7152017B2 (en) | Composite thread for reinforcement, prepreg, tape for 3D printing and equipment for preparing same | |
JP7311925B2 (en) | Composite fibers and methods of producing fibers | |
CN108372667A (en) | A kind of fibre reinforced composites twine molded technique and device | |
KR102334459B1 (en) | Continuous fiber reinforced thermoplastic polymer composite and manufacturing method thereof | |
CA1238167A (en) | Process for preparing shaped objects of poly(arylene sulfide) and product thereof | |
CN107866954B (en) | Method and apparatus for manufacturing continuous fiber reinforced thermoplastic resin prepreg tape | |
CN109251332B (en) | Chopped carbon fiber reinforced phenolic resin matrix composite material and preparation method thereof | |
CN100381498C (en) | Method for preparing polycondensation reaction type reinforced thermoplastic resin in long fibres | |
CN112248486A (en) | Basalt fiber reinforced thermoplastic polyethylene prepreg tape and preparation process thereof | |
CN217553378U (en) | Bio-based polyamide composite board | |
CN113232384A (en) | Continuous long fiber reinforced thermoplastic composite board and preparation method and application thereof | |
RU199200U1 (en) | COMPOSITE POWER LINE CORE | |
RU2708846C1 (en) | Production method of composite core of power transmission line | |
US20240052115A1 (en) | Long-carbon-chain polyamide resin composition and continuous fiber reinforced long-carbon-chain polyamide composite material | |
JP2018507128A (en) | Process equipment and manufacturing method for fiber reinforced plastic parts | |
CN110789149B (en) | Method for preparing reinforced shell through prepreg sliver | |
EA003015B1 (en) | Method of producing centrifugally cast, glass fiber reinforced plastic tubes | |
US20210245456A1 (en) | Composite fibers | |
CN109384916B (en) | Preparation method of basalt fiber fabric reinforced nylon 6 prepreg composite material | |
CN109384917B (en) | Preparation method of glass fiber fabric reinforced nylon 6 prepreg composite material | |
CN113185801A (en) | Polyether-ether-ketone composite material 3D printing wire material applicable to space environment and preparation method thereof | |
US20210323251A1 (en) | Production line moulding assembly for manufacturing a non-metallic armature, production line and method of forming a rod use in the manufacture of a composite armature | |
CN109385083B (en) | Continuous basalt fiber reinforced polyamide unidirectional prepreg tape and preparation method thereof | |
Dubey et al. | Manufacturing of Wood Polymer Composites | |
US20210245455A1 (en) | Method of producing improved composite fibers |