CN110105717B - 一种碳纤维复合芯导线及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维复合芯导线，包括碳纤维复合芯和导体层，所述的碳纤维复合芯包括如下重量份数的原料：改性环氧树脂50‑70份，端羧基丁腈橡胶40‑60份，固化剂100‑120份，促进剂0.5‑3份，稀释剂20‑30份，碳纤维30‑55份，玻璃纤维25‑40份。本发明所得碳纤维复合芯机械性能良好，而且表面平整、光滑、色泽一致，质量好，所制作的导线机械性能和导线电气性能优异。
Description
技术领域
本发明属于输电导线技术领域，具体涉及一种碳纤维复合芯导线及其制备方法。
背景技术
输电导线是架空线路的主要组成部分，它担负着电源向电力负荷中心传递电能的作用，在输电线路中占有极其重要的位置。架空输电导线一般采用钢芯铝绞线，目前国外超高压输电线路采用钢芯铝绞线的占80%以上，钢芯铝绞线可减轻导线自身的重量，减少导线的外径和风压的负荷，从而可轻化杆塔结构，导线和杆塔均可节约大量钢材，每公里线路造价降低，经济效益显著。但是，钢芯铝绞线导电性能差，传输容易受到限制，电能损耗大，又容易锈蚀，因此，近年来复合材料芯导线逐渐得到推广应用，是用复合材料芯替代传统钢芯铝绞线中的钢芯制成，是一种全新概念的架空输电线路用导线，是高性能复合材料在输电导线中的创新性应用。
公告号为CN101698739B的中国专利公开了一种电力导线，具体涉及碳纤维复合芯组合物及碳纤维复合芯的制备方法。由高温环氧树脂，固化剂，促进剂，碳纤维组成，制备方法为碳纤维由纱架经导纱机构，张力控制机构进入偶联剂喷涂器；张力控制器调节张力，偶联剂喷涂器中装高压喷头喷涂雾状溶剂，纤维经偶联剂喷涂器进入真空注射预浸装置浸渍高温环氧树脂胶后进入加热成型模具固化成型，成型模具分三区加热，预热区、凝胶区和固化区，固化后再经烘干筒二次固化，整个过程由液压牵引机连续牵引。碳纤维复合芯导线与传统导线相比具有重量轻、强度大、低线损、弛度小、耐高温、耐腐蚀与环境亲和等优点，实现了电力传输的节能、环保与安全，广泛用于电力架空线路。但是，该专利碳纤维复合芯仅仅靠固化剂固化高温环氧树脂，造成复合芯线内应力较大，韧性较差，容易开裂。
公告号为CN103646718B的中国专利公开了一种输电线路用纤维复合芯导线，该导线由依次设置的纤维复合芯、涂层和外层绞线组成，涂层为选自氟碳树脂涂料、聚脲弹性体涂料、聚氨酯涂料中的一种或多种涂料的涂覆层。该输电线路用纤维复合芯导线耐磨、耐腐蚀、耐湿热、耐水汽、抗紫外，涂层保护纤维复合芯免受环境腐蚀和铝线磨损，提高了纤维复合芯抗老化性能，有效延长了纤维复合芯的使用寿命，提高了纤维复合芯导线的安全可靠性。但是，该专利纤维复合芯导线由于采用聚合物涂层，粘合不牢固，而且制作复杂，成本高。
发明内容
为克服上述缺陷，本发明的目的在于提供一种碳纤维复合芯导线及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种碳纤维复合芯导线，包括碳纤维复合芯和导体层，所述的碳纤维复合芯包括如下重量份数的原料：改性环氧树脂50-70份，端羧基丁腈橡胶40-60份，固化剂100-120份，促进剂0.5-3份，稀释剂20-30份，碳纤维30-55份，玻璃纤维25-40份；
所述的改性环氧树脂的制备方法为：将环氧树脂和n-丙基三甲氧基硅烷80-100℃条件下搅拌混合2-3h，然后加入羟甲基化木质素，真空度0.04-0.1MPa条件下搅拌脱泡1-2h，降至室温，即得；所述的环氧树脂、n-丙基三甲氧基硅烷和羟甲基化酶解木质素的重量比为100：0.5-2：5-10。
优选地，所述的环氧树脂的型号为E-44或者E-51。
优选地，所述的固化剂为甲基四氢苯酐、甲基六氢苯酐或者甲基纳迪克酸酐。
优选地，所述的促进剂为2-乙基-4-甲基咪唑、DMP-30或者苄基二甲胺。
优选地，所述的稀释剂为辛基缩水甘油醚或者环己二醇二缩水甘油醚。
优选地，所述的导体层为铝层。
一种碳纤维复合芯导线的制备方法，包括以下步骤：
（1）将改性环氧树脂、端羧基丁腈橡胶和稀释剂搅拌混合10-20min，然后加入固化剂和促进剂，在温度60-80℃、真空度0.05-0.1MPa条件下脱泡2-3h，降至室温，放入浸胶槽；
（2）将碳纤维、玻璃纤维烘干，通过拉挤机在浸胶槽内浸胶，然后于高温固化模具内固化成型，即得碳纤维复合芯；
（3）在步骤（2）碳纤维复合芯外绞合铝导线，即得。
优选地，步骤（2）所述的高温固化模具分为三区，三区加热温度分别为：140-150℃，160-170℃，170-190℃。
本发明的积极有益效果：
1. 本发明n-丙基三甲氧基硅烷中的甲氧基与环氧树脂中的仲羟基发生化学键合，减低环氧树脂表面的自由能，进一步经过羟甲基化木质素改性，增加环氧树脂的相容性、韧性和耐高温性能；在固化剂和促进剂作用下，端羧基丁腈橡胶两端羧基进一步将环氧树脂的环氧基打开，提高了碳纤维、玻璃纤维与环氧树脂表面的粘结性，稀释剂的加入还避免了体系粘度的升高。本发明所得碳纤维复合芯密度≤1.81g/cm3，重量轻，抗拉强度≥2355MPa，卷绕性能能达到卷绕2圈50D未破坏，玻璃化转变温度≥204℃，耐热性好，表面平整、光滑、色泽一致，质量好；所制作的导线拉断力≥149.5kN，直流电阻≤0.077Ω/km，机械性能和电气性能优异。
2. 本发明碳纤维复合芯导线的制备方法将各原料分散均匀，充分键合，提高了碳纤维复合芯导线的机械性能和电气性能，而且制备方法简单，成本低廉。
具体实施方式
下面结合一些具体实施方式，对本发明进一步说明。
实施例1
一种碳纤维复合芯导线，包括碳纤维复合芯和导体层，所述的碳纤维复合芯包括如下重量份数的原料：改性环氧树脂50份，端羧基丁腈橡胶40份，固化剂100份，促进剂0.5份，稀释剂20份，碳纤维30份，玻璃纤维25份；
所述的改性环氧树脂的制备方法为：将环氧树脂和n-丙基三甲氧基硅烷80℃条件下搅拌混合2h，然后加入羟甲基化木质素，真空度0.04MPa条件下搅拌脱泡1h，降至室温，即得；所述的环氧树脂、n-丙基三甲氧基硅烷和羟甲基化酶解木质素的重量比为100：0.5：5。
所述的环氧树脂的型号为E-44。
所述的固化剂为甲基四氢苯酐。
所述的促进剂为DMP-30。
所述的稀释剂为辛基缩水甘油醚。
所述的碳纤维为T700碳纤维。
所述的玻璃纤维为E型玻璃纤维。
所述的导体层为铝层。
上述碳纤维复合芯导线的制备方法，包括以下步骤：
（1）将改性环氧树脂、端羧基丁腈橡胶和稀释剂搅拌混合10min，然后加入固化剂和促进剂，在温度60℃、真空度0.05MPa条件下脱泡2h，降至室温，放入浸胶槽；
（2）将碳纤维、玻璃纤维烘干，通过拉挤机在浸胶槽内浸胶，然后于高温固化模具内固化成型，即得碳纤维复合芯；
步骤（2）所述的高温固化模具分为三区，三区加热温度分别为：140-150℃，160-170℃，170-190℃；
（3）在步骤（2）碳纤维复合芯外绞合铝单线，即得。
实施例2
一种碳纤维复合芯导线，包括碳纤维复合芯和导体层，所述的碳纤维复合芯包括如下重量份数的原料：改性环氧树脂52份，端羧基丁腈橡胶43份，固化剂105份，促进剂0.6份，稀释剂23份，碳纤维35份，玻璃纤维26份；
所述的改性环氧树脂的制备方法为：将环氧树脂和n-丙基三甲氧基硅烷90℃条件下搅拌混合3h，然后加入羟甲基化木质素，真空度0.05MPa条件下搅拌脱泡2h，降至室温，即得；所述的环氧树脂、n-丙基三甲氧基硅烷和羟甲基化酶解木质素的重量比为100：0.8：6。
所述的环氧树脂的型号为E-51。
所述的固化剂为甲基纳迪克酸酐。
所述的促进剂为2-乙基-4-甲基咪唑。
所述的稀释剂为环己二醇二缩水甘油醚。
所述的碳纤维为T700碳纤维。
所述的玻璃纤维为E型玻璃纤维。
所述的导体层为铝层。
上述碳纤维复合芯导线的制备方法，包括以下步骤：
（1）将改性环氧树脂、端羧基丁腈橡胶和稀释剂搅拌混合15min，然后加入固化剂和促进剂，在温度70℃、真空度0.06MPa条件下脱泡3h，降至室温，放入浸胶槽；
（2）将碳纤维、玻璃纤维烘干，通过拉挤机在浸胶槽内浸胶，然后于高温固化模具内固化成型，即得碳纤维复合芯；
步骤（2）所述的高温固化模具分为三区，三区加热温度分别为：140-150℃，160-170℃，170-190℃；
（3）在步骤（2）碳纤维复合芯外绞合铝单线，即得。
实施例3
一种碳纤维复合芯导线，包括碳纤维复合芯和导体层，所述的碳纤维复合芯包括如下重量份数的原料：改性环氧树脂55份，端羧基丁腈橡胶46份，固化剂108份，促进剂0.8份，稀释剂25份，碳纤维40份，玻璃纤维28份；
所述的改性环氧树脂的制备方法为：将环氧树脂和n-丙基三甲氧基硅烷100℃条件下搅拌混合2h，然后加入羟甲基化木质素，真空度0.06MPa条件下搅拌脱泡1h，降至室温，即得；所述的环氧树脂、n-丙基三甲氧基硅烷和羟甲基化酶解木质素的重量比为100：1：8。
所述的环氧树脂的型号为E-44。
所述的固化剂为甲基六氢苯酐。
所述的促进剂为苄基二甲胺。
所述的稀释剂为辛基缩水甘油醚。
所述的碳纤维为T700碳纤维。
所述的玻璃纤维为E型玻璃纤维。
所述的导体层为铝层。
上述碳纤维复合芯导线的制备方法，包括以下步骤：
（1）将改性环氧树脂、端羧基丁腈橡胶和稀释剂搅拌混合20min，然后加入固化剂和促进剂，在温度80℃、真空度0.1MPa条件下脱泡2h，降至室温，放入浸胶槽；
（2）将碳纤维、玻璃纤维烘干，通过拉挤机在浸胶槽内浸胶，然后于高温固化模具内固化成型，即得碳纤维复合芯；
步骤（2）所述的高温固化模具分为三区，三区加热温度分别为：140-150℃，160-170℃，170-190℃；
（3）在步骤（2）碳纤维复合芯外绞合铝单线，即得。
实施例4
一种碳纤维复合芯导线，包括碳纤维复合芯和导体层，所述的碳纤维复合芯包括如下重量份数的原料：改性环氧树脂58份，端羧基丁腈橡胶50份，固化剂110份，促进剂1份，稀释剂26份，碳纤维45份，玻璃纤维30份；
所述的改性环氧树脂的制备方法为：将环氧树脂和n-丙基三甲氧基硅烷90℃条件下搅拌混合3h，然后加入羟甲基化木质素，真空度0.08MPa条件下搅拌脱泡2h，降至室温，即得；所述的环氧树脂、n-丙基三甲氧基硅烷和羟甲基化酶解木质素的重量比为100：1：8。
所述的环氧树脂的型号为E-51。
所述的固化剂为甲基六氢苯酐。
所述的促进剂为2-乙基-4-甲基咪唑。
所述的稀释剂为辛基缩水甘油醚。
所述的碳纤维为T700碳纤维。
所述的玻璃纤维为E型玻璃纤维。
所述的导体层为铝层。
上述碳纤维复合芯导线的制备方法，包括以下步骤：
（1）将改性环氧树脂、端羧基丁腈橡胶和稀释剂搅拌混合20min，然后加入固化剂和促进剂，在温度80℃、真空度0.1MPa条件下脱泡3h，降至室温，放入浸胶槽；
（2）将碳纤维、玻璃纤维烘干，通过拉挤机在浸胶槽内浸胶，然后于高温固化模具内固化成型，即得碳纤维复合芯；
步骤（2）所述的高温固化模具分为三区，三区加热温度分别为：140-150℃，160-170℃，170-190℃；
（3）在步骤（2）碳纤维复合芯外绞合铝单线，即得。
实施例5
一种碳纤维复合芯导线，包括碳纤维复合芯和导体层，所述的碳纤维复合芯包括如下重量份数的原料：改性环氧树脂60份，端羧基丁腈橡胶51份，固化剂112份，促进剂1.2份，稀释剂27份，碳纤维46份，玻璃纤维35份；
所述的改性环氧树脂的制备方法为：将环氧树脂和n-丙基三甲氧基硅烷90℃条件下搅拌混合2h，然后加入羟甲基化木质素，真空度0.08MPa条件下搅拌脱泡1.5h，降至室温，即得；所述的环氧树脂、n-丙基三甲氧基硅烷和羟甲基化酶解木质素的重量比为100：1.5：8。
所述的环氧树脂的型号为E-44。
所述的固化剂为甲基四氢苯酐。
所述的促进剂为2-乙基-4-甲基咪唑。
所述的稀释剂为辛基缩水甘油醚。
所述的碳纤维为T700碳纤维。
所述的玻璃纤维为E型玻璃纤维。
所述的导体层为铝层。
上述碳纤维复合芯导线的制备方法，包括以下步骤：
（1）将改性环氧树脂、端羧基丁腈橡胶和稀释剂搅拌混合20min，然后加入固化剂和促进剂，在温度80℃、真空度0.1MPa条件下脱泡3h，降至室温，放入浸胶槽；
（2）将碳纤维、玻璃纤维烘干，通过拉挤机在浸胶槽内浸胶，然后于高温固化模具内固化成型，即得碳纤维复合芯；
步骤（2）所述的高温固化模具分为三区，三区加热温度分别为：140-150℃，160-170℃，170-190℃；
（3）在步骤（2）碳纤维复合芯外绞合铝单线，即得。
实施例6
一种碳纤维复合芯导线，包括碳纤维复合芯和导体层，所述的碳纤维复合芯包括如下重量份数的原料：改性环氧树脂63份，端羧基丁腈橡胶52份，固化剂115份，促进剂1.5份，稀释剂28份，碳纤维48份，玻璃纤维38份；
所述的改性环氧树脂的制备方法为：将环氧树脂和n-丙基三甲氧基硅烷100℃条件下搅拌混合2h，然后加入羟甲基化木质素，真空度0.1MPa条件下搅拌脱泡1.5h，降至室温，即得；所述的环氧树脂、n-丙基三甲氧基硅烷和羟甲基化酶解木质素的重量比为100：2：9。
所述的环氧树脂的型号为E-51。
所述的固化剂为甲基纳迪克酸酐。
所述的促进剂为DMP-30。
所述的稀释剂为环己二醇二缩水甘油醚。
所述的碳纤维为T700碳纤维。
所述的玻璃纤维为E型玻璃纤维。
所述的导体层为铝层。
上述碳纤维复合芯导线的制备方法，包括以下步骤：
（1）将改性环氧树脂、端羧基丁腈橡胶和稀释剂搅拌混合15min，然后加入固化剂和促进剂，在温度70℃、真空度0.08MPa条件下脱泡2h，降至室温，放入浸胶槽；
（2）将碳纤维、玻璃纤维烘干，通过拉挤机在浸胶槽内浸胶，然后于高温固化模具内固化成型，即得碳纤维复合芯；
步骤（2）所述的高温固化模具分为三区，三区加热温度分别为：140-150℃，160-170℃，170-190℃；
（3）在步骤（2）碳纤维复合芯外绞合铝单线，即得。
实施例7
一种碳纤维复合芯导线，包括碳纤维复合芯和导体层，所述的碳纤维复合芯包括如下重量份数的原料：改性环氧树脂69份，端羧基丁腈橡胶56份，固化剂118份，促进剂2份，稀释剂29份，碳纤维50份，玻璃纤维40份；
所述的改性环氧树脂的制备方法为：将环氧树脂和n-丙基三甲氧基硅烷80℃条件下搅拌混合3h，然后加入羟甲基化木质素，真空度0.09MPa条件下搅拌脱泡2h，降至室温，即得；所述的环氧树脂、n-丙基三甲氧基硅烷和羟甲基化酶解木质素的重量比为100：2：10。
所述的环氧树脂的型号为E-44。
所述的固化剂为甲基四氢苯酐。
所述的促进剂为2-乙基-4-甲基咪唑。
所述的稀释剂为环己二醇二缩水甘油醚。
所述的碳纤维为T700碳纤维。
所述的玻璃纤维为E型玻璃纤维。
所述的导体层为铝层。
上述碳纤维复合芯导线的制备方法，包括以下步骤：
（1）将改性环氧树脂、端羧基丁腈橡胶和稀释剂搅拌混合10min，然后加入固化剂和促进剂，在温度70℃、真空度0.09MPa条件下脱泡3h，降至室温，放入浸胶槽；
（2）将碳纤维、玻璃纤维烘干，通过拉挤机在浸胶槽内浸胶，然后于高温固化模具内固化成型，即得碳纤维复合芯；
步骤（2）所述的高温固化模具分为三区，三区加热温度分别为：140-150℃，160-170℃，170-190℃；
（3）在步骤（2）碳纤维复合芯外绞合铝单线，即得。
实施例8
一种碳纤维复合芯导线，包括碳纤维复合芯和导体层，所述的碳纤维复合芯包括如下重量份数的原料：改性环氧树脂70份，端羧基丁腈橡胶60份，固化剂120份，促进剂3份，稀释剂30份，碳纤维55份，玻璃纤维40份；
所述的改性环氧树脂的制备方法为：将环氧树脂和n-丙基三甲氧基硅烷90℃条件下搅拌混合2h，然后加入羟甲基化木质素，真空度0.06MPa条件下搅拌脱泡2h，降至室温，即得；所述的环氧树脂、n-丙基三甲氧基硅烷和羟甲基化酶解木质素的重量比为100：2：10。
所述的环氧树脂的型号为E-51。
所述的固化剂为甲基六氢苯酐。
所述的促进剂为苄基二甲胺。
所述的稀释剂为辛基缩水甘油醚。
所述的碳纤维为T700碳纤维。
所述的玻璃纤维为E型玻璃纤维。
所述的导体层为铝层。
上述碳纤维复合芯导线的制备方法，包括以下步骤：
（1）将改性环氧树脂、端羧基丁腈橡胶和稀释剂搅拌混合20min，然后加入固化剂和促进剂，在温度60℃、真空度0.06MPa条件下脱泡3h，降至室温，放入浸胶槽；
（2）将碳纤维、玻璃纤维烘干，通过拉挤机在浸胶槽内浸胶，然后于高温固化模具内固化成型，即得碳纤维复合芯；
步骤（2）所述的高温固化模具分为三区，三区加热温度分别为：140-150℃，160-170℃，170-190℃；
（3）在步骤（2）碳纤维复合芯外绞合铝单线，即得。
对比实施例1
本实施例碳纤维复合芯导线与实施例4碳纤维复合芯导线基本相同，相同之处不重述，有些不同的是：
一种碳纤维复合芯导线，包括碳纤维复合芯和导体层，所述的碳纤维复合芯包括如下重量份数的原料：环氧树脂58份，端羧基丁腈橡胶50份，固化剂110份，促进剂1份，稀释剂26份，碳纤维45份，玻璃纤维30份。
对比实施例2
本实施例碳纤维复合芯导线与实施例4碳纤维复合芯导线基本相同，相同之处不重述，有些不同的是：
一种碳纤维复合芯导线，包括碳纤维复合芯和导体层，所述的碳纤维复合芯包括如下重量份数的原料：改性环氧树脂58份，聚醚醚酮50份，固化剂110份，促进剂1份，稀释剂26份，碳纤维45份，玻璃纤维30份。
将本发明实施例1-8以及对比实施例1-2的碳纤维复合芯外绞合两层铝单线，内层6根，外层10根，内外两层导线绞合方向相反，绞合铝单线后导线直径为22mm，其中复合芯股数为1根，直径为7mm，对碳纤维复合芯及导线进行性能测试，检测结果见表1。
表1 本发明碳纤维复合芯及导线的性能检测结果
由表1可知，对比实施例1将改性环氧树脂替换为不进行改性的环氧树脂，对比实施例2将端羧基丁腈橡胶替换为聚醚醚酮，复合芯的抗拉强度下降明显，玻璃化转变温度下降明显，耐热性能下降，表面有质量缺陷；而且导线直流电阻明显升高，拉断力下降明显，电气性能和机械性能下降明显。
本发明实施例1-8的碳纤维复合芯密度≤1.81g/cm3，重量轻，抗拉强度≥2355MPa，卷绕性能能达到卷绕2圈50D未破坏，玻璃化转变温度≥204℃，耐热性好，表面平整、光滑、色泽一致，质量好；所制作的导线拉断力≥149.5kN，直流电阻≤0.077Ω/km，机械性能和电气性能优异。
Claims (8)
1.一种碳纤维复合芯导线，包括碳纤维复合芯和导体层，其特征在于，所述的碳纤维复合芯包括如下重量份数的原料：改性环氧树脂50-70份，端羧基丁腈橡胶40-60份，固化剂100-120份，促进剂0.5-3份，稀释剂20-30份，碳纤维30-55份，玻璃纤维25-40份；
所述的改性环氧树脂的制备方法为：将环氧树脂和n-丙基三甲氧基硅烷80-100℃条件下搅拌混合2-3h，然后加入羟甲基化木质素，真空度0.04-0.1MPa条件下搅拌脱泡1-2h，降至室温，即得；所述的环氧树脂、n-丙基三甲氧基硅烷和羟甲基化酶解木质素的重量比为100：0.5-2：5-10。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合芯导线，其特征在于，所述的环氧树脂的型号为E-44或者E-51。
3.根据权利要求1所述的碳纤维复合芯导线，其特征在于，所述的固化剂为甲基四氢苯酐、甲基六氢苯酐或者甲基纳迪克酸酐。
4.根据权利要求1所述的碳纤维复合芯导线，其特征在于，所述的促进剂为2-乙基-4-甲基咪唑、DMP-30或者苄基二甲胺。
5.根据权利要求1所述的碳纤维复合芯导线，其特征在于，所述的稀释剂为辛基缩水甘油醚或者环己二醇二缩水甘油醚。
6.根据权利要求1所述的碳纤维复合芯导线，其特征在于，所述的导体层为铝层。
7.一种权利要求1所述的碳纤维复合芯导线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将改性环氧树脂、端羧基丁腈橡胶和稀释剂搅拌混合10-20min，然后加入固化剂和促进剂，在温度60-80℃、真空度0.05-0.1MPa条件下脱泡2-3h，降至室温，放入浸胶槽；
（2）将碳纤维、玻璃纤维烘干，通过拉挤机在浸胶槽内浸胶，然后于高温固化模具内固化成型，即得碳纤维复合芯；
（3）在步骤（2）碳纤维复合芯外绞合铝导线，即得。
8.根据权利要求7所述的碳纤维复合芯导线的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的高温固化模具分为三区，三区加热温度分别为：140-150℃，160-170℃，170-190℃。
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