一种复合材料电缆增强芯的制造方法

摘要

一种复合材料电缆增强芯的制造方法属于高性能复合材料领域。现有技术电缆增强芯问题：①外绝缘层厚度不均匀，甚至局部有碳纤维裸露；②横向抗压强度差，纵向易开裂；③拉挤速度较慢，一般在(0.2～0.6)m/min。本发明选用多官能团环氧树脂(环氧值0.80～0.95mol/100g)、改性酸酐固化剂、改性咪唑促进剂、内脱模剂及增韧剂，通过优化树脂混配比例，同时引入纤维编织技术，在增强芯轴向排列的内芯纤维束外编制一层套管，制得高性能复合材料电缆增强芯。本发明提供一种绝缘层厚度均匀、横向抗压强度大、生产速度快、高韧性的高性能复合材料电缆增强芯制造方法。

权利要求

1.一种复合材料电缆增强芯的制造方法，其特征在于步骤如下：

A.胶液配制：将环氧值为0.80～0.95mol/100g的多官能团环氧树脂、改性酸酐固化剂、改性咪唑促进剂、内脱模剂、纳米核壳橡胶增韧剂以质量比为100：（100～150）：（0.1～10）：（0.1～2）：（5～25）进行混合，充分搅拌30～60分钟后静置2～3小时得到胶液待用；

B.内芯预成型：将碳、凯夫拉、玄武岩、玻璃、芳族聚酰胺、硼和液晶中的一种或多种纤维在60～100℃下烘干1～2小时后安装在纱架上并引出，通过内部放有步骤A中配制好的胶液的胶槽Ⅰ进行第一次浸胶，之后通过预成型模具形成截面为圆形的内芯；胶槽Ⅰ温度为30～50℃；

C.外包覆层预成型：将碳、凯夫拉、玄武岩、玻璃、芳族聚酰胺、硼和液晶纤维中的一种或多种纤维在使用前在60～100℃下烘干1～2小时，去除纤维中的水分；然后将纤维安装在编织机上，并在内芯外面编织一层0.5～1.5mm厚的纤维套管后通过胶槽Ⅱ进行第二次浸胶，胶槽Ⅱ内部有步骤A中配制的胶液，胶槽Ⅱ温度40～70℃；

D.拉挤固化：外包覆层预成型后的中间产品在牵引力的作用下进入模具固化成形，牵引速度为1.0～1.3 m/min，模具长0.6～1.5m，温度从入口到出口均分为三段，施行分段控温，第一段温度为150～180℃，第二段温度为180～230℃，第三段温度比第二段低10～

20℃；经模具固化后的产品经热处理炉进行后固化处理，热处理炉均分成两段，每段长度为

2～3米，第一段温度为180～230℃，第二段温度比第一段高５～20℃；制得复合材料电缆增强芯。

说明书

一种复合材料电缆增强芯的制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种复合材料电缆增强芯的制造方法。

背景技术

[0002] 目前，随着经济的发展和工业化进程的推进，对当前电力的需求量日益增加。通常解决这一问题的办法是新架输电线路或对原有线路的进行增容。前者工程量大，花销甚巨，且要占用宝贵的土地资源，因此通过对原有线路的增容是解决这一矛盾之首选办法。传统的大容量钢芯铝绞线具有重量大、强度低、热膨胀系数高、弧垂大、耐温性能差等问题。国内外的诸多院校、科研机构、公司等单位对大容量架空导线开展了大量工作，采用纤维增强的复合芯来代替传统的钢芯结构。美国CTC电缆公司公织物的专利号CN 1898085A的专利声明其采用的混杂纤维复合材料增强芯，通常该芯棒是在碳纤维芯外层拉挤一层玻璃纤维复合材料，外层起到保护内层和防止电化学腐蚀的作用。上海电缆研究所在其CN 101727998A专利书中声明在其复合芯棒的外增加一金属护套，此种结构的电缆在多次热胀冷缩的情况下，由于二者之间的热膨胀系数不匹配导致芯材和导体之间的产生空隙。此外，大庆石油新科庆联防腐有限公司在其ZL 200820090630.2的实用新型专利中声明其外径大于12mm的缆芯的碳纤维芯体为空心，且以填料填充。这些方法对制造高性能复合材料电缆增强芯具有重要指导意义，但是上述专利的产品尚存在以下问题：①外绝缘层厚度不均匀，甚至局部有碳纤维裸露；②横向抗压强度差，纵向易开裂；③拉挤速度较慢，一般在(0.2～0.6)m/min。

发明内容

[0003] 本发明的目的是通过优化树脂实施方案，引入纤维编织技术，提供一种绝缘层厚度均匀、横向抗压强度大、生产速度快、高韧性的高性能复合材料电缆增强芯制造方法。

[0004] 本发明所涉及的复合材料电缆增强芯包括内芯和外包覆层。内芯由纤维和热固性树脂复合而成，外包覆层由纤维编织套管和热固性树脂复合而成。为实现上述目的，本发明选用多官能团环氧树脂(环氧值0.80～0.95mol/100g)、改性酸酐固化剂、改性咪唑促进剂、内脱模剂及增韧剂，通过优化树脂混配比例，同时引入纤维编织技术，在增强芯轴向排列的内芯纤维束外编制一层纤维套管，制得高性能复合材料电缆增强芯。具体操作方案如下：

[0005] A.胶液配制：将环氧值为0.80～0.95mol/100g的多官能团环氧树脂、改性酸酐固化剂、改性咪唑促进剂、内脱模剂、纳米核壳橡胶增韧剂以质量比为100∶(100～150)∶(0.1～10)∶(0.1～2)∶(5～25)进行混合，充分搅拌30～60分钟后静置2～
3小时得到胶液待用；

[0006] B.内芯预成型：将碳、凯夫拉、玄武岩、玻璃、芳族聚酰胺、硼、液晶和碳纳米纤维中的一种或多种纤维在60～100℃下烘干1～2小时后安装在纱架上并引出，通过内部放有步骤A中配制好的胶液的胶槽I进行第一次浸胶，之后通过预成型模具形成截面为圆形的内芯；胶槽I温度为30～50℃；

[0007] C.外包覆层预成型：将碳、凯夫拉、玄武岩、玻璃、芳族聚酰胺、硼、液晶和碳纳米纤维中的一种或多种纤维在使用前在60～100℃下烘干1～2小时，去除纤维中的水分；然后将纤维安装在编织机上，并在内芯外面编织一层0.5～1.5mm厚的纤维套管后通过胶槽II进行第二次浸胶，胶槽II内部有步骤A中配制的胶液，胶槽II温度40～70℃；

[0008] D.拉挤固化：外包覆层预成型后的中间产品在牵引力的作用下进入模具固化成形，牵引速度为1.0～1.3m/min，模具长0.6～1.5m，温度从入口到出口均分为三段，施行分段控温，第一段温度为150～180℃，第二段温度为180～230℃，第三段温度一般比第二段低10～20℃；经模具固化后的产品经热处理炉进行后固化处理，热处理炉均分成两段，每段长度为2～3米，第一段温度为180～230℃，第二段温度比第一段高5～20℃；制得复合材料电缆增强芯。

[0009] 本发明涉及的方法和其他方法相比，具有以下的优点；①改性的咪唑促进剂，常温下(25℃)呈液态，粘度仅为(300～700)mPa.s，便于和树脂体系的均匀混合。该体系在50℃下，适用期大于10小时，适用于拉挤成形工艺。②如表1所示，改性的咪唑促进剂的加入，可大大缩短体系的凝胶时间，生产速度(即牵引速度)可提高至(0.8～1.5)m/s，大幅度提高拉挤生产效率。③改性的咪唑促进剂分子结构中有叔胺，在酸酐/环氧体系固化时，有助于提高交联度，进而提高固化物的耐热性；此外，这种促进剂分子结构中有较长的分子链节，因而有助于提高固化物的韧性；④如表2所示，纳米核壳橡胶增韧剂的加入，不但没有降低固化物的玻璃化转变温度(Tg)，反而大大提高了其韧性。⑤由于在外包覆层引入纤维编织技术，可确保无碳纤裸露，且产品绝缘层厚度均匀，纵向无开裂，在包覆角为45°时，横向抗压强度提高了70％。

[0010] 表1.改性咪唑促进剂LMY2404和常用促进剂下的凝胶时间

[0011]

[0012] *测试条件：采用凝胶时间测定仪，将仪器升温至试验温度，放入配好的树脂，计时开始，并不断搅拌，直到树脂产生凝胶为止，停止计时。测定的时间即为树脂体系在该温度下的凝胶时间。

[0013] 表2不同增韧剂下的树脂固化物性能

[0014]

[0015] *体系的固化条件：50℃开始真空脱泡1h，然后以(3～5)℃/min的速度升温至180℃，保温1h后自然降温到60℃以下。破坏强度是在平面扭曲条件下测量。

附图说明

[0016] 图1：本发明材料示意图。图中1为内芯，2为外包覆层。

具体实施方式

[0017] 本发明涉及一种高性能复合材料电缆增强芯，现将在下文中参照附图更充分地描述本发明的示例性方案。需要指出的是①本发明可以体现为许多不同的形式，并不仅限于本文所提出的实施方案；②本发明中用到的纤维包括碳、玻璃、凯夫拉(kevlar)、玄武岩、芳族聚酰胺、硼、液晶和碳纳米纤维中的一种或多种；③本发明中提及的玻璃化转变温度(Tg)为采用差示扫描量热法(DSC)测得的Tmidpoint。

[0018] 实例1

[0019] 如图1所示，本发明的电缆增强芯包括内芯C和外包覆层S。内芯C和外包覆层S由多根纤维或其织物和树脂复合而成。内芯C采用TORAY T700S(12K)碳纤维，外包覆层S采用南京玻璃纤维研究设计院HS2(SC-1200)无捻玻璃纤维粗纱，所用树脂为常熟佳发化学有限责任公司生产的JEh-012改性多元缩水甘油胺耐高温环氧树脂，其环氧值为(0.80～0.85)mol/100g，所用固化剂为常熟佳发化学有限责任公司生产的改性四氢苯酐，促进剂为上海理亿科技发展有限公司生产的LMY-2404改性液态咪唑促进剂，脱模剂为美国AXEL公司生产的INT-1890M，增韧剂为深圳初创应用材料有限公司生产的ICAM-8610纳米核壳橡胶增韧剂。其制造流程如下：

[0020] ①准备工作：

[0021] ● 将环 氧 树 脂、固化 剂、促 进 剂、脱模 剂 和 增 韧 剂以 质 量 比 为100∶130∶8∶1∶25进行混合并搅拌30分钟后静置2小时待用；

[0022] ●将78束碳纤维和24束玻璃纤维在80℃烘箱中烘干1小时，并将其分别装在纱架和编织机的纱锭上。

[0023] ●参数设定：胶槽I和II的温度分别为40℃和50℃，模具三段温度分别设置为175℃，205℃，195℃。热处理炉的温度分别设定为205℃，215℃；

[0024] ②内芯预成型

[0025] 将碳纤维由纱架引出，通过内部放有前述待用胶液的胶槽I进行第一次浸胶，之后通过预成型模具形成截面为圆形的内芯C。

[0026] ③外包覆层预成型

[0027] 内芯C通过编织机的中心孔，按照的35°编织角在内芯外面编织一层1.0mm厚的玻璃纤维包覆层S后通过胶槽II进行第二次浸胶。

[0028] ④拉挤成型

[0029] 将上述的预成型品在牵引设备牵引力的作用下，进入模具固化成型。牵引速度1.0m/min；

[0030] 本实例中所配制的胶液经真空脱泡1h后，在90℃/2h+120/2h+150℃/4h的条件下固化所得的树脂浇注体的玻璃化转变温度(Tg)为212℃。制备的直径为9.50mm的复合材料增强芯，拉伸强度达2.41Gpa。横向抗压载荷可达75kN，压缩强度为78.9MPa，较外包覆层未采用编织套管的复合材料增强芯提高了近50％。

[0031] 实例2

[0032] 如图1所示，本实例中所用为美国亨斯迈(Huntsman)公司生产的Araldite MY 721多官能束耐高温环氧树脂，其环氧值为(0.90～0.95)mol/100g，所用固化剂为天津合成材料工业研究所生产的液态改性四氢苯酐，促进剂为天津化学化学试剂公司生产的改性液态咪唑，其他组分及实施方式同实例1。本实例的胶液以质量比为100∶145∶1∶0.7∶15进行混合。外包覆层S为编织的一层1mm厚的玻璃纤维外包覆层S，经第二次浸胶后进模具和热处理炉分别进行固化和后固化。胶槽I和II的温度分别为45℃、54℃，模具三段温度设置为175℃，210℃，188℃，牵引速度1.1m/min。该体系经
210℃，225℃两段后固化制得的复合材料增强芯的拉伸强度达2.23Gpa，横向抗压强度提高了54％。本实例中所配制的胶液经真空脱泡1h后，在90℃/2h+120/2h+150℃/4h的条件下固化所得的树脂浇注体的玻璃化转变温度(Tg)为223℃。

[0033] 实例3

[0034] 实例3的实施方式同实例1，采用38束TORAY T700S(12K)碳纤维和24束南京玻璃纤维研究设计院HS2(SC-1200)玻璃纤维，可制得外径为7.11mm的复合材料增强芯，拉伸强度达2.28Gpa，横向抗压强度提高60％。同样道理，可根据纤维数量的多少制得直径从5mm到15mm不同规格的碳纤维复合材料增强芯。一般纤维体积含量在(60～80)％。

[0035] 实例4

[0036] 本实例中的内芯C采用38束TORAY T700S(12K)碳纤维，外包覆层S采用江苏天龙玄武岩连续纤维高新科技有限公司生产的24束1200tex玄武岩纤维，胶液及实施方式同实例1。牵引速度1.3m/min。制得复合材料的玻璃化转变温度达184℃，复合材料增强芯的拉伸强度达2.30Gpa，横向抗压强度提高50％。

[0037] 实例5

[0038] 本实例中，内芯C采用44束TORAY T700S(12K)碳纤维，外包覆层S采用的南京玻璃纤维24束HS2(SC8-960)无捻粗纱，胶液及实施方式同实例1。牵引速度1.2m/min，制得复合材料的玻璃化转变温度达182℃，复合材料增强芯的拉伸强度达2.62Gpa，横向抗压强度也提高45％。