一种新型电缆增强芯及其制备方法 【技术领域】
本发明涉及电力输送用材料领域，尤其涉及一种新型电缆增强芯及其制备方法。
背景技术
当前电力发展已无法满足经济的发展要求，需要不断增大输送线路的输送容量，因而会涉及到电力线路的改造和架设问题，而改造线路、改换电路塔杆不但会影响经济、国民生活，而且费用非常庞大、土地资源有限，因此对于开发大容量架空导线已成为当下之需。针对传统架空导线用增强芯为钢芯结构具有重量大、热膨胀系数高、强度低等缺点，在实际运用中，会带来诸如弧垂严重、不耐高温、载流量低等问题，目前国内外各公司、院校进行大量该方面的研究工作，采用纤维增强有机复合芯来代替钢芯结构。由于纤维复合芯具有比钢芯更高的强度、更高的耐温性能、低的膨胀系数、低密度等一些列优点，使得架空导线可以大幅度提高载流量，增大输送容量，降低弧垂，增大安全系数。目前国内外研发的纤维复合芯电缆增强芯由于采用单向纤维增强树脂体系，使得芯棒的横向抗压强度差、易产生纵向开裂。而且在施工架设过程中，为避免造成对复合电缆芯的损伤，施工金具必须经过改进才能够使用，在使用中带来不便。且芯棒与导体及外界环境直接接触，在长期高温环境下热老化会导致芯棒寿命降低。
因此，设计一种保证纵向强度前提下，并具有一定横向强度的电缆增强芯结构及制备方法，解决复合材料增强芯在在运输、安装敷设和使用过程中易产生纵向开裂等问题，意义重大。
【发明内容】
针对当前架空导线增强芯存在的缺点，本发明的目的在于提供一种采用新型纤维复合材料制得的新型电缆增强芯；
本发明的另一目的在于提供这种电缆增强芯的制备方法。
本发明的发明目的是通过如下技术方案实现的。
一种新型电缆增强芯，由纤维增强复合材料构成，该纤维增强复合材料包含至少一种在树脂中纵向定向且基本连续的增强纤维类型作为内层复合材料芯；以及围绕内层复合材料芯的编织或缠绕增强保护外层，该增强保护外层包含至少一种在树脂中编织且基本连续的增强纤维类型。
所述内层复合材料芯的增强纤维类型为玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的一种或多种。
所述的保护外层中的增强纤维为玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的一种或一种以上的组合纤维，或者为玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的一种或一种以上的组合纤维的预浸纤维或预浸纤维带。增强纤维的拉伸强度范围在2000MPa～4000MPa，弹性模量80GPa～300GPa。
其中所述的树脂选择耐温高、韧性好、成型工艺性能良好的热固性树脂或热塑性树脂，包括环氧树脂、改性环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基树脂、不饱和聚酯等。树脂体系应满足：固化后的玻璃化转变温度达到140℃以上；树脂或经过改性后的树脂具有良好的韧性，与纤维具有良好的相容性；凝胶时间能够满足30～60s；树脂具有合适的粘度，能够短时间内浸透纤维，使纤维与树脂充分浸润。
为了满足电缆增强芯的柔韧性、耐温性，还可通过加入超短纤维、各种助剂、填料等来提高增强芯的性能，提高复合芯基体的强度和韧性，从而改善复合芯的横向强度，助剂包括低收缩剂、脱模剂、抗紫外剂、阻燃剂等。
在树脂基体中添加超短绝缘纤维，使其均匀分布树脂中，将提高树脂基体的强度和韧性，从而改善增强芯的横向强度。该超短纤维可为玻璃纤维、玄武岩纤维、芳族聚酰胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的一种或多种，长径比在10～40之间。
新型电缆增强芯的制备方法是采用拉挤-编织成型方式或拉挤-缠绕成型方式，采用拉挤-编织成型方式或拉挤-缠绕成型方式，首先将位于纱架1上的纤维通过纤维导向器2、4进行取向布置，浸入树脂槽3浸胶，通过预成型装置5预成型，通过加热装置6进行固化，在牵引装置7的作用下完成制备，在预成型5和加热固化6步骤之间或者纤维导向器4和预成型5之间增加纤维编织或缠绕装置8步骤，编织或缠绕时对编织的纤维或缠绕的纤维、纤维带施加预张力，使其与预成型材料紧密结合。
本发明首先制备复合材料增强芯，该复合材料增强芯可以是单根纤维复合芯棒，也可由多根纤维复合芯棒绞合组成，也可是纤维复合芯棒与纤维结合的形式。
本发明采用纵向纤维和编织纤维复合，具有如下优势：第一，纵向纤维提高了电缆增强芯在纵向的抗拉强度，可使电缆架空导线降低弧垂，增大安全系数。第二，增加了外层编织纤维，并在编织过程中施加预张力，既为复合材料增强芯提供横向约束作用，也大大提高了其在纵向既纤维方向的抗拉强度、抗压强度、抗弯强度及抗剪切强度；第三，外层编织纤维复合材料保护内层纵向纤维复合材料，使纤维复合芯避免在运输途中、敷设安装和运行过程中因受外界磨损或撞击产生缺陷而导致的机械性能损失。
【附图说明】
图1是由内部纵向纤维内芯和外部编织纤维层构成的电缆增强芯结构示意图。
图2是由内部纵向纤维芯1和包围它的纵向纤维芯2及外部编织纤维层构成地电缆增强芯结构示意图。
图3是由内部纵向纤维芯1和包围它的纵向纤维芯2及外部编织纤维层1和编织纤维层2构成的电缆增强芯结构示意图。
图4至图6是本发明中采用的电缆增强芯成型工艺流程图。
图中标号说明：
1--纤维纱架 2--纤维导向器 3--树脂槽 4--纤维导向器
5--预成型装置 6--加热固化装置 7--牵引装置 8--纤维编织或缠绕装置
9-编织纤维层 91--编织纤维层1 92--编织纤维层2
10-纵向纤维芯 11-纵向纤维芯1 12-纵向纤维芯2
【具体实施方式】
实施例1
纤维复合芯采用环氧树脂体系，增强芯内层纤维采用碳纤维，其中碳纤维的强度为4900MPa，模量为230GPa。外层编织纤维采用玄武岩纤维，其中玄武岩纤维的强度为3000MPa模量为90GPa。芯棒采用拉挤成型方式，芯棒直径为9.5mm，纤维复合芯棒拉伸强度可达到2300MPa，模量可达到100GPa，芯棒密度为1.7～1.9g/cm3。
实施例2
纤维复合芯采用环氧树脂体系，增强芯内层纤维采用玄武岩纤维和碳纤维，其中玄武岩纤维的强度为3000MPa模量为90GPa；碳纤维强度为3300MPa，模量220GPa。外层编织纤维采用碳纤维，碳纤维强度为3300MPa，模量220GPa。芯棒采用拉挤-编织成型方式，纤维由内到外逐渐由碳纤维过渡到玄武岩纤维，外层采用编织玄武岩纤维，芯棒直径为9.5mm，纤维复合芯棒拉伸强度可达到1900MPa，模量可达到100GPa，芯棒密度为1.8～2.0g/cm3。
实施例3
复合芯采用乙烯基树脂体系，增强芯内层纤维采用芳族聚酰胺纤维和碳纤维，其中芳族聚酰胺纤维的强度为3200MPa，模量为70GPa；碳纤维强度为3300MPa，模量220GPa。增强芯外层编织纤维为芳族聚酰胺纤维，芳族聚酰胺纤维的强度为3200MPa，模量为70GPa。芯棒采用拉挤-编织成型方式，纤维由内到外逐渐由碳纤维过渡到芳族聚酰胺纤维，再过渡到外层的编织芳族聚酰胺纤维，整体复合芯棒直径为7.8mm，纤维复合芯棒拉伸强度可达到1960MPa，模量可达到120GPa，芯棒密度为1.5～1.7g/cm3。
实施例4
纤维复合芯采用环氧树脂体系，增强芯内层纤维采用碳纤维，其中碳纤维的强度为4900MPa，模量为240GPa。外层采用预浸编织玄武岩纤维带，其玄武岩纤维的强度为3000MPa，模量为90GPa。芯棒采用拉挤-缠绕成型方式，芯棒直径为9.5mm，纤维复合芯棒拉伸强度可达到2300MPa，模量可达到100GPa，芯棒密度为1.8～1.9g/cm3。
实施例5
纤维复合芯采用环氧树脂体系，在环氧树脂中添加直径为10μm，长度为0.2mm的玻璃纤维(质量分数为20％)。增强芯内层纤维采用玄武岩纤维和碳纤维，其中玄武岩纤维的强度为3000MPa，模量为90GPa；碳纤维强度为3300MPa，模量220GPa。外层编织纤维采用玄武岩纤维，玄武岩纤维强度为3000MPa，模量90GPa。芯棒采用拉挤-编织成型方式，纤维由内到外逐渐由碳纤维过渡到玄武岩纤维，再过渡到外层的编织玄武岩纤维，芯棒直径为9.5mm，纤维复合芯棒拉伸强度可达到2000MPa，模量可达到110GPa，芯棒密度为1.9～2.1g/cm3。