本發(fā)明涉及復(fù)合材料電纜芯以及其制備方法。
背景技術(shù)：
人們不斷地努力尋求理想的架空輸電線路用導(dǎo)線，以取代傳統(tǒng)導(dǎo)線，比如耐熱鋁合金導(dǎo)線((TACSR)、殷鋼芯耐熱鋁合金導(dǎo)線((ZTACSR)、間隙型鋼芯耐熱鋁合金(GTACSR)、鋁基陶瓷纖維鋁絞線ACCR(Alaminum ConductorComposite Reinforced)，碳纖維芯復(fù)合材料合成芯軟鋁導(dǎo)線(JRLX/T)等種類。
20世紀90年代日本采用碳纖維和熱硬化性樹脂構(gòu)成的復(fù)合材料芯線代替鋼芯，開發(fā)出了一種新型復(fù)合材料合成芯導(dǎo)線，即碳纖維芯鋁絞線。先將單絲直徑為7微米的PAN基12K碳纖維絲涂上未硬化的熱固性樹脂絞在一起，再纏上有機纖維形成1根股線，7根這樣的股線絞合起來，最后熱處理使樹脂完全硬化形成復(fù)合材料芯線。與鋼芯導(dǎo)線相比，復(fù)合材料芯線導(dǎo)線的質(zhì)量約為其1/5，線膨脹系數(shù)約為其1/120。TAFR的抗拉強度遠遠超過ACSR。復(fù)合材料芯線的抗拉強度保持90％時的連續(xù)許容溫度和短時許容溫度分別可達128℃和193℃，耐腐蝕性良好，弛度特性良好。
美國復(fù)合材料技術(shù)公司(Composite Technology Corporation，CTC)于2003年開發(fā)了復(fù)合材料芯線鋁導(dǎo)線(Aluminum Conductor Composite Core，ACCC)，其芯線是以聚酞胺耐火處理、碳化而成的碳纖維為中心，玻璃纖維及高強度、高韌性配方的環(huán)氧樹脂包覆制成的單根芯棒。外層與鄰?fù)鈱愉X線股為梯形截面。這種導(dǎo)線已完成各種型式試驗，包括機械全性能、應(yīng)力一應(yīng)變曲線、蠕變、線膨脹系數(shù)、載流量、自阻尼特性等，特別是驗證了高溫條件下的低弛度特性。其主要技術(shù)特點：強度高、導(dǎo)電率高、載流量大、運行溫度高、線膨脹系數(shù)小、弛度小、重量輕、耐腐蝕，使用壽命長；減少了電磁輻射和電暈損失。
美國3M公司開發(fā)的加強型復(fù)合鋁芯架空導(dǎo)線(Aluminum Conductor Composite Reinforced，ACC)，是由耐熱鋁錯絞線包圍一種輕便陶瓷纖維增強型鋁芯，每根芯線包含數(shù)千根小直徑(12微米)、高強度的鋁氧化物纖維，由陶瓷纖維連續(xù)地與芯線方向一致地嵌在高純度的鋁中。它的重量不到鋼芯的一半，強度比鋁幾乎高8倍，硬度是鋁的3倍，復(fù)合芯的熱膨脹系數(shù)為6X10-6/℃，導(dǎo)電率是鋼的4倍，可長期運行在超過200℃的環(huán)境下，ACCR導(dǎo)線具有高的載流容量(2倍增長)，導(dǎo)線截面有不同規(guī)格，并可做成梯形截面的緊湊導(dǎo)線。
目前以上三種新型復(fù)合材料電纜芯，有的尚未實際使用，有的已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)本地銷售合作，有的還沒有在國內(nèi)的合作廠商。根據(jù)在實際使用時對電纜芯各方面性能指標的需要進行分析與探討，得出以下幾點主要性能指標：質(zhì)量比、耐熱性、線膨脹系數(shù)、拉伸強度、彎曲強度、剪切強度，這些靜態(tài)性能指標很重要，但是考慮到在實際使用中的各種特殊情況，對于電纜芯的動態(tài)熱分析測試也尤為重要。
拉擠工藝是一種環(huán)氧樹脂復(fù)合材料連續(xù)成型方法。連續(xù)纖維粗紗和織物浸漬基體樹脂，經(jīng)過預(yù)成型系統(tǒng)，被加熱到給定溫度的成型模具(通常稱之為拉擠模具)內(nèi)，基體樹脂從模具壁上吸熱溫度升高，當溫度達到一定程度，樹脂發(fā)生固化反應(yīng)，形成固體復(fù)合材料，從模具內(nèi)連續(xù)拉出，即制造出復(fù)合材料拉擠制品。
雖然環(huán)氧樹脂的耐熱性等性能很好，但是其固化特性：固化速度慢、固化過程中體積收縮小，反應(yīng)放熱量大。這也導(dǎo)致了拉擠工藝的困難。復(fù)合材料電纜芯拉擠工藝中主要存在以下一些難點與問題：消除白粉現(xiàn)象，提高表面光滑度；降低拉擠過程中的拉力大?。辉诒ＷC產(chǎn)品質(zhì)量與性能的前提下提高拉擠速度。
因此，仍然希望進一步改善適合于環(huán)氧樹脂復(fù)合材料拉擠工藝的樹脂配方以及拉擠工藝參數(shù)來解決以上拉擠工藝中的關(guān)鍵問題。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為此，發(fā)明人進行積極的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過特定的樹脂體系配方以及特定的拉擠工藝參數(shù)，能夠更好地進行工藝控制，很好的解決白粉問題，提高拉擠速度，獲得性能卓越的復(fù)合材料電纜芯，最終使復(fù)合材料電纜芯拉擠工藝無論在理論上還是在工藝上都能夠有所突破。
因此，在一個方面中，本發(fā)明提供了一種復(fù)合材料電纜芯的制備方法，包括：(1)用樹脂體系溶液浸漬連續(xù)的玻璃纖維；(2)用包括拉擠模具的拉擠設(shè)備將浸漬的玻璃纖維拉擠成型，拉擠速度為20-40cm/min，并且拉擠模具實施固化的三區(qū)溫度分別為180-200℃、210-215℃和210-215℃；以及(3)通過加熱室使所述樹脂體系進一步固化。
優(yōu)選的，所述樹脂體系包含環(huán)氧樹脂、固化劑、填料、脫模劑和促進劑，其中，相對于100重量份的所述環(huán)氧樹脂，固化劑的量為130-150重量份，填料的量為3-8重量份，脫模劑的量為20-50重量份并且促進劑的量為2-5重量份。
優(yōu)選地，固化劑選自脂肪多元胺型固化劑、脂環(huán)多元胺型固化劑、芳香胺類固化劑或其任意組合。
如上所述，適合于拉擠工藝的樹脂體系包含填料。填料就是指添加在樹脂中起到改善樹脂性能或起增量作用的物質(zhì)。從化學(xué)成分上講，無機填料一般分為硅酸鹽類、碳酸鹽類、硫酸鹽類和氧化物類。使用填料可改善制品表面狀況，降低收縮，并且可以降低成本，但其作用遠不止這些。填料使用得當，可改善樹脂系統(tǒng)的成型工藝性和固化后制品的性能，賦予原來單一樹脂所不易得到的優(yōu)異性能，但是如果使用不當，也會嚴重影響樹脂與復(fù)合材料制品的性能。
優(yōu)選的，所述填料選自硅酸鹽類、碳酸鹽類、硫酸鹽類和氧化物類。
優(yōu)選地，所述脫模劑選自滑石粉、脂肪酸皂、硅油、聚乙二醇、石蠟、甘油或其任意混合物。
優(yōu)選地，所述促進劑選自叔胺類、季銨鹽類、取代脲類或其任意組合。
優(yōu)選地，所述玻璃纖維為1200-2400dex的玻纖紗。更優(yōu)選地，復(fù)合材料的固含量為75-85重量％。固含量指的是拉擠產(chǎn)品中纖維所占比例。固含量過小，樹脂含量過多，導(dǎo)致產(chǎn)品表面出現(xiàn)大量白色粉末；固含量過大，模內(nèi)壓力過大，導(dǎo)致牽拉力過大，模具損傷，產(chǎn)品表面出現(xiàn)裂紋。固含量最優(yōu)選為80％-82重量％。
優(yōu)選地，拉擠設(shè)備包括①增強材料架；②穿紗板；③預(yù)成型導(dǎo)向裝置；④樹脂浸膠裝置；⑤帶加熱裝置的模具；⑥牽引裝置。
為了使纖維得到良好的浸潤，浸膠槽中的環(huán)氧樹脂粘度需保持在1000-2000Pa·s范圍內(nèi)，相應(yīng)的浸膠槽溫度在50-80℃最佳。溫度過低，粘度不夠，浸潤效果差，拉擠產(chǎn)品的機電性能受影響，而溫度過高，則樹脂預(yù)熱溫度高，使凝膠點提前，粘模嚴重，是拉擠工藝失敗的原因之一。
如上所述，本發(fā)明的工藝采用的是耐熱的環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂拉擠工藝較為獨特，相對其它樹脂拉擠工藝而言要求更高。在環(huán)氧樹脂拉擠工藝中主要會面臨以下困難：(1)環(huán)氧樹脂固化反應(yīng)速度慢，反應(yīng)放熱量大，造成樹脂粘度下降；(2)固化反應(yīng)過程中收縮率小(僅為1％-6％)；(3)拉擠過程中復(fù)合材料表面起粉，復(fù)合材料表面不光滑；(4)粉末過多導(dǎo)致復(fù)合材料在模具腔中堵塞，造成牽弓力上升；(5)當牽引力超過設(shè)備拉力極限，會導(dǎo)致生產(chǎn)中斷。
然而，通過利用本發(fā)明的拉擠工藝以及特定的樹脂配方，本發(fā)明解決了上述問題，特別是降低了表面鱗裂粉塵現(xiàn)象。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，可以采用下列的拉擠成型工藝來實施本發(fā)明的方法：
(1)穿紗，將玻璃纖維粗紗平均分布置于紗架上，將粗紗穿過導(dǎo)紗板、浸膠槽壓紗器以及模具孔；
(2)按配比配制樹脂體系，攪拌均勻、靜置；
(3)設(shè)置三區(qū)溫度、拉擠速度，牽拉纖維一段時間，使其均勻分布、平行伸直；
(4)將配好的樹脂倒入膠槽，使纖維充分浸漬；
(5)牽拉纖維束，開始生產(chǎn)；
(6)改變?nèi)齾^(qū)溫度、浸膠槽溫度及拉擠速度等工藝參數(shù)，尋找最好工藝參數(shù)；
(7)結(jié)束后空拉纖維一段時間，直至模具中沒有殘留樹脂，徹底清理儀器。
此外，在實施本發(fā)明的方法時，應(yīng)該注意下列事項：(1)不要高速攪拌樹脂混合液，浸潤槽內(nèi)的樹脂量越少越好，以確保低粘度；(2)環(huán)氧樹脂一次混合量不要太多，以免加速反應(yīng)；(3)預(yù)熱浸潤纖維，以確保低起始拉力；(4)操作時，模具溫度分布要穩(wěn)定；(5)拉擠速度由慢而快，確保溫度分布平穩(wěn)；(6)固含量在80％}-82％之間，以避免產(chǎn)生鱗裂粉塵，但需要提高拉力；(7)起始填料用量為10％，要能均勻分散，不能干預(yù)反應(yīng)；(8)纖維與模具中軸線對齊，以減少不必要的摩擦力；(9)浸潤槽樹脂及時補充，適時更換；(10)隨時監(jiān)控浸潤槽內(nèi)樹脂溫度；(11)停機時先放空浸潤槽，讓干纖維繼續(xù)拉入模具，清除模具內(nèi)的殘余樹脂后再停機。
具體實施方式
以下將描述實施本發(fā)明的實施方案。然而，本發(fā)明的范圍不局限于所述的實施方式，只要不損害主旨，可以對本發(fā)明進行各種更改。除非另有說明，否則以下的配比是指重量比例。
實施例和對照例
按下表所示的配方并且根據(jù)上文所述的方法制備實施例和對照例的樣品，其中采用的玻璃纖維為兩種無捻玻璃纖維粗紗，規(guī)格分別為2400tex和1200Tex。實施例中采用的樹脂配方I：樹脂∶固化劑∶脫模劑∶填料∶促進劑＝100∶141∶5∶30∶3，對照例采用的樹脂配方II如下：樹脂∶固化劑∶促進劑＝100∶140∶0.8。
結(jié)果如下：
針對樹脂體系I：當三區(qū)溫度為200℃/210℃/210℃時，制品表面光滑無粉。若預(yù)熱區(qū)溫度太高，凝膠點前移，導(dǎo)致體系粘度過早增大，牽引力增加，發(fā)生局部粘模，產(chǎn)品表面粗糙；溫度太低，預(yù)熱不充分，易引起樹脂在凝膠區(qū)粘模，造成脫模困難，牽引力增大，最后堵模，拉擠成型失敗。凝膠區(qū)的溫度應(yīng)控制在190-200℃內(nèi)，若溫度太高，加上環(huán)氧樹脂凝膠時放出的熱量可能導(dǎo)致復(fù)合材料裂解而使性能降低；若溫度太低，凝膠時間長，粘模會使牽引力增加，從而導(dǎo)致制品表面不光滑。恒溫區(qū)溫度也應(yīng)適中，若太低則固化不完全，太高則可能引起制品裂解，均會降低制品的性能。
可以得出，三區(qū)溫度對拉擠制品外觀的影響尤為重要，預(yù)熱區(qū)凝膠區(qū)、固化區(qū)的溫度應(yīng)該是一個科學(xué)合理的搭配，才能拉擠出表面光滑的制品，而不能過低，這樣會影響拉擠速度，也不能過高，這樣也會適得其反，使制品的性能大大降低。樹脂體系工在經(jīng)過多次實驗與調(diào)試后，能夠通過工藝溫度的調(diào)整獲得光滑表面的制品，而樹脂體系II，無論如何調(diào)整三區(qū)溫度都無法獲得符合要求的制品。