專利名稱：超聲波浸膠槽、大絲束碳纖維制造復合芯線的設備及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種超聲波浸膠槽、架空輸電導線用復合材料芯線的制備方法及設 備，尤其是使用大絲束碳纖維制造復合材料芯線的方法及設備。
背景技術：
隨著我國經濟的飛速發(fā)展，對電力的需求日益增大，電力負荷不斷增大，對輸電線 路的要求越來越高，原來的輸電線路已經不能滿足傳輸容量快速擴容的要求，如何提高電 網的輸電能力成為一個迫切的問題。架空輸電導線作為輸送電力的載體，在輸電線路中占有極為重要的地位。傳統(tǒng)的 架空輸電導線為鋼芯鋁絞線類型，外圍的鋁絞線為輸電導體，內部鋼絞線作為承重芯材，不 僅自重大，抗張強度不高，磁損大，而且在受熱情況下會產生松弛現象，嚴重威脅了輸電線 路安全。為了安全可靠地多送電力，各國有關科技工作者一直不斷地努力尋求理想的架空 輸電線路用導線，以取代傳統(tǒng)的各種導線。碳纖維復合材料合成導線是一種全新概念的架 空輸電線路用導線，采用耐熱鋁合金軟絞線作為輸電導體，內部由碳纖維復合材料芯線替 代傳統(tǒng)的鋼絞線，密度僅為鋼絞線的1/4，抗張強度大，無磁損，線膨脹系數小，而且使用溫 度高，導線面積大，由此大大提高了導線的載流量，理論載流量為傳統(tǒng)鋼芯的2倍，達到增 容的效果。請參見楊寧，國家電網北京經濟技術研究院，《ACCC碳纖維復合芯導線技術在 我國的應用前景分析》。但是，現階段碳纖維復合材料合成導線的價格為一般鋼芯導線的3倍，而碳纖維 復合材料芯線成本又占了總成本的絕大部分，高昂的價格限制了其的應用，要在輸電線路 上推廣普及，必須降低成本。請參見朱愛均，尤志巍，張錦秀，上海電力設計院有限公司， 《碳纖維復合導線在上海電網應用前景初探》?，F階段市場上的碳纖維復合材料芯線使用的原料為小絲束碳纖維，如果替換為價 格低很多而力學性能相當的大絲束碳纖維，就能夠明顯的降低成本。但是大絲束碳纖維和 樹脂的浸潤性與小絲束碳纖維相差很多，由此造成了碳纖維與樹脂的界面結合性與力學性 能明顯下降。

發(fā)明內容
本發(fā)明設計了一種超聲波浸膠槽、大絲束碳纖維制造復合材料芯線的設備及方 法，其解決了以下技術問題(1)現階段市場上的碳纖維復合材料芯線使用的原料為小絲束碳纖維，因而造成 碳纖維復合材料芯線成本高和價格昂貴。(2)由于大絲束碳纖維和樹脂的浸潤性與小絲束碳纖維相差很多，由此造成了碳 纖維與樹脂的界面結合性與力學性能明顯下降，導致現階段市場上的碳纖維復合材料芯線 不能使用的原料為大絲束碳纖維。
為了解決上述存在的技術問題，本發(fā)明采用了以下方案一種超聲波浸膠槽，包括浸膠區(qū)，在所述浸膠區(qū)底部設有一液體介質層，在所述液 體介質層底部設有超聲波發(fā)生器，所述超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲波通過所述液體介質層均 勻的作用在所述浸膠區(qū)內裝填的大絲束碳纖維和樹脂混合物上。進一步，所述液體介質層內還設置溫度控制裝置。進一步，所述溫度控制裝置包括加熱器和熱電偶。進一步，所述液體介質層中的液體介質為水。一種大絲束碳纖維制造復合材料芯線的設備，包括紗架、加熱除濕裝置、所述超聲 波浸膠槽、擠膠輥、預成型模具、成型模具、多臺后固化爐、牽引機以及收卷機。一種大絲束碳纖維制造復合材料芯線的方法，包括以下步驟第一步，將大絲束碳纖維和玻璃纖維從所述紗架上牽引出，同時施加張力，束絲后 進入加熱除濕器中干燥；第二步，經過干燥后的大絲束纖維和玻璃纖維進入所述超聲波浸膠槽，超聲波發(fā) 生器發(fā)出的超聲波通過水層作用在樹脂上，通過溫度控制裝置的調節(jié)溫度，超聲波強度和 作用時間使大絲束碳纖維開纖；第三步，浸膠后的纖維通過所述擠膠輥控制樹脂含量，通過所述預成型模導絲，依 次進入所述成型模具三段分區(qū)加熱固化；第四步，復合材料芯線產品從成型模具出來后，進入所述后固化爐，提高固化度的 同時消除由于溫度梯度反應不均勻而造成的內應力； 第五步，復合材料芯線經過冷卻，通過所述牽弓I機牽引，用所述收卷機進行收卷。其中，第一步中大絲束碳纖維和玻璃纖維從所述紗架上牽引出的速度為0. I-Im/ min0其中，第二步中樹脂的溫度控制在40-80°C ；所述超聲波發(fā)生器的超聲波功率為 100-500W，每作用 3-5min 間歇 3_5min。其中，第三步中浸膠后的纖維進入所述成型模具三段分區(qū)的溫度區(qū)間依次為 150-180°C，200-2400C，190-230°C。其中，第四步中所述后固化爐溫度為100-180°C。該超聲波浸膠槽、大絲束碳纖維制造復合材料芯線的設備及其方法具有以下有益 效果(1)本發(fā)明超聲波浸膠槽了改變傳統(tǒng)的接觸式浸膠，在浸膠槽外部引入超聲波發(fā) 生器，超聲波同時作用在大絲束碳纖維和樹脂上，通過調整超聲波的強度和作用時間，使大 絲束碳纖維物理開纖，同時樹脂體系維持在適宜的溫度和粘度范圍內，達到理想的浸潤效 果；(2)本發(fā)明超聲波浸膠槽帶有溫度控制裝置和超聲波發(fā)生器，并不是直接作用 在樹脂體系上，而是通過中間的水層將溫度和超聲能量傳遞給樹脂體系，使其受力受熱均 勻；(3)本發(fā)明大絲束碳纖維制造復合材料芯線的設備與傳統(tǒng)拉擠設備相比較，提高 了纖維與樹脂之間的浸潤性，樹脂體系內各組分分布穩(wěn)定，制得的大絲束碳纖維復合材料 芯材內部無氣泡，結構均勻，拉伸強度以及層間剪切強度均有明顯的提高，達到小絲束碳纖維復合材料芯材水平，降低了碳纖維復合材料芯材的成本，有利于其在架空導線中的推廣 和應用。


圖1是本發(fā)明超聲波浸膠槽的截面示意圖；圖2是本發(fā)明大絲束碳纖維制造復合材料芯線的設備部件連接示意圖。附圖標記說明1-紗架；2-加熱除濕裝置；3-超聲波浸膠槽；31-浸膠區(qū)；32-液體介質層；33-超 聲波發(fā)生器；34-溫度控制裝置；341-加熱器；342-熱電偶；4-擠膠輥；5-預成型模具； 6-成型模具；7-后固化爐；8-后固化爐；9-牽引機；10-收卷機。
具體實施例方式下面結合圖1和圖2，對本發(fā)明做進一步說明如圖1所示，一種超聲波浸膠槽3，包括浸膠區(qū)31，在所述浸膠區(qū)31底部設有一液 體介質層32，在所述液體介質層32底部設有超聲波發(fā)生器33，所述超聲波發(fā)生器33發(fā)出 的超聲波通過所述液體介質層32均勻的作用在所述浸膠區(qū)31內裝填的大絲束碳纖維和樹 脂混合物上。所述液體介質層32內還設置溫度控制裝置34。所述溫度控制裝置34包括加 熱器341和熱電偶342。超聲波浸膠槽3帶有溫度控制裝置34和超聲波發(fā)生器33，并不是 直接作用在樹脂體系上，而是通過中間的液體介質層32將溫度和超聲能量傳遞給樹脂體 系，使其受力受熱均勻。超聲波對大絲束碳纖維和樹脂主要有三種作用第一、超聲波震蕩作用在大絲束碳纖維上，使其物理開纖，與樹脂有更多的接觸面 積，改善浸潤效果。第二、超聲波作用在樹脂上，誘發(fā)空化效應，釋放出巨大的空化能，一方面排除氣 泡，另一方面克服樹脂體系分子運動的摩擦阻力，降低樹脂體系的粘度和表面張力，提高浸 潤性。第三、基于超聲波的分散作用，使樹脂體系中的樹脂，固化劑，促進劑，填料等各組 分保持均勻的分布，穩(wěn)定產品質量。所述液體介質層32中的液體介質為水。水具有良好的導熱性以及成本低廉性，可 以大規(guī)模使用。因此，在超聲波浸膠槽3外部引入超聲波發(fā)生器33，超聲波同時作用在大絲束碳 纖維和樹脂上，通過調整超聲波的強度和作用時間，使大絲束碳纖維物理開纖，同時樹脂體 系維持在適宜的溫度和粘度范圍內，達到理想的浸潤效果。如圖2所示，一種大絲束碳纖維制造復合材料芯線的設備，包括紗架1、加熱除濕 裝置2、所述超聲波浸膠槽3、擠膠輥4、預成型模具5、成型模具6、多臺后固化爐7、8、牽引 機9以及收卷機10。其中，該超聲波浸膠槽3包括浸膠區(qū)31，在所述浸膠區(qū)31底部設有一 液體介質層32，在所述液體介質層32底部設有超聲波發(fā)生器33，所述超聲波發(fā)生器33發(fā) 出的超聲波通過所述液體介質層32均勻的作用在所述浸膠區(qū)31內裝填的大絲束碳纖維和 樹脂混合物上。
因而，大絲束碳纖維制造復合材料芯線的設備與傳統(tǒng)拉擠設備相比較，提高了纖 維與樹脂之間的浸潤性，樹脂體系內各組分分布穩(wěn)定，制得的大絲束碳纖維復合材料芯材 內部無氣泡，結構均勻，拉伸強度以及層間剪切強度均有明顯的提高，達到小絲束碳纖維復 合材料芯材水平，降低了碳纖維復合材料芯材的成本，有利于其在架空導線中的推廣和應用。該大絲束碳纖維制造復合材料芯線的方法如下第一步，將大絲束碳纖維和玻璃纖維從所述紗架1上牽引出，同時施加張力，束絲 后進入加熱除濕器2中干燥；大絲束碳纖維和玻璃纖維從所述紗架1上牽引出的速度為 0.l-lm/min。第二步，經過干燥后的大絲束纖維和玻璃纖維進入所述超聲波浸膠槽3，超聲波發(fā) 生器33發(fā)出的超聲波通過水層作用在樹脂上，通過溫度控制裝置34的調節(jié)溫度，超聲波強 度和作用時間使大絲束碳纖維開纖；樹脂的溫度控制在40-80°C ；所述超聲波發(fā)生器33的 超聲波功率為100-500W，每作用3-5min間歇3_5min。第三步，浸膠后的纖維通過所述擠膠輥4控制樹脂含量，通過所述預成型模5導 絲，依次進入所述成型模具6三段分區(qū)加熱固化；浸膠后的纖維進入所述成型模具6三段分 區(qū)的溫度區(qū)間依次為 150-180°C，200-240°C，190-230°C。第四步，復合材料芯線產品從成型模具6出來后，進入所述后固化爐7、8，提高固 化度的同時消除由于溫度梯度反應不均勻而造成的內應力；第四步中所述后固化爐7、8溫 度為 100-180°C。第五步，復合材料芯線經過冷卻，通過所述牽引機9牽引，用所述收卷機10進行收卷。上面結合附圖對本發(fā)明進行了示例性的描述，顯然本發(fā)明的實現并不受上述方式 的限制，只要采用了本發(fā)明的方法構思和技術方案進行的各種改進，或未經改進將本發(fā)明 的構思和技術方案直接應用于其它場合的，均在本發(fā)明的保護范圍內。
權利要求
一種超聲波浸膠槽(3)，包括浸膠區(qū)(31)，其特征在于在所述浸膠區(qū)(31)底部設有一液體介質層(32)，在所述液體介質層(32)底部設有超聲波發(fā)生器(33)，所述超聲波發(fā)生器(33)發(fā)出的超聲波通過所述液體介質層(32)均勻的作用在所述浸膠區(qū)(31)內裝填的大絲束碳纖維和樹脂混合物上。
2.根據權利要求1所述超聲波浸膠槽，其特征在于所述液體介質層(32)內還設置溫 度控制裝置(34)。
3.根據權利要求2所述超聲波浸膠槽，其特征在于所述溫度控制裝置(34)包括加熱 器(341)和熱電偶(342)。
4.根據權利要求1、2或3所述超聲波浸膠槽，其特征在于所述液體介質層(32)中的 液體介質為水。
5.一種根據權利要求1、2、3或4大絲束碳纖維制造復合材料芯線的設備，包括紗架 (1)、加熱除濕裝置(2)、所述超聲波浸膠槽(3)、擠膠輥(4)、預成型模具(5)、成型模具(6)、 多臺后固化爐(7、8)、牽引機(9)以及收卷機(10)。
6.一種根據權利要求5的大絲束碳纖維制造復合材料芯線的方法，包括以下步驟 第一步，將大絲束碳纖維和玻璃纖維從所述紗架(1)上牽引出，同時施加張力，束絲后進入加熱除濕器(2)中干燥；第二步，經過干燥后的大絲束纖維和玻璃纖維進入所述超聲波浸膠槽(3)，超聲波發(fā)生 器(33)發(fā)出的超聲波通過水層作用在樹脂上，通過溫度控制裝置(34)的調節(jié)溫度，超聲波 強度和作用時間使大絲束碳纖維開纖；第三步，浸膠后的纖維通過所述擠膠輥(4)控制樹脂含量，通過所述預成型模(5)導 絲，依次進入所述成型模具(6)三段分區(qū)加熱固化；第四步，復合材料芯線產品從成型模具(6)出來后，進入所述后固化爐(7、8)，提高固 化度的同時消除由于溫度梯度反應不均勻而造成的內應力；第五步，復合材料芯線經過冷卻，通過所述牽引機(9)牽引，用所述收卷機(10)進行收卷。
7.根據權利要求6所述大絲束碳纖維制造復合材料芯線的方法，其特征在于第一步 中大絲束碳纖維和玻璃纖維從所述紗架(1)上牽引出的速度為0. 1-lm/min。
8.根據權利要求7所述大絲束碳纖維制造復合材料芯線的方法，其特征在于第二步 中樹脂的溫度控制在40-80°C ；所述超聲波發(fā)生器(33)的超聲波功率為100-500W，每作用 3_5min 間歇 3-5min。
9.根據權利要求8所述大絲束碳纖維制造復合材料芯線的方法，其特征在于第 三步中浸膠后的纖維進入所述成型模具(6)三段分區(qū)的溫度區(qū)間依次為150--180°C， 200—240°C，190—230 °C。
10.根據權利要求9所述大絲束碳纖維制造復合材料芯線的方法，其特征在于第四步 中所述后固化爐(7、8)溫度為100-180°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超聲波浸膠槽、大絲束碳纖維制造復合芯線的設備及方法，包括浸膠區(qū)，在所述浸膠區(qū)底部設有一液體介質層，在所述液體介質層底部設有超聲波發(fā)生器，所述超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲波通過所述液體介質層均勻的作用在所述浸膠區(qū)內裝填的大絲束碳纖維和樹脂混合物上。本發(fā)明中超聲波浸膠槽了改變傳統(tǒng)的接觸式浸膠，在浸膠槽外部引入超聲波發(fā)生器，超聲波同時作用在大絲束碳纖維和樹脂上，通過調整超聲波的強度和作用時間，使大絲束碳纖維物理開纖，同時樹脂體系維持在適宜的溫度和粘度范圍內，達到理想的浸潤效果。
文檔編號D06M15/00GK101949094SQ20101022375
公開日2011年1月19日 申請日期2010年7月12日 優(yōu)先權日2010年7月12日
發(fā)明者孫曉光, 孟秀青, 張靜, 楊剛, 高磊 申請人:藍星(北京)化工機械有限公司