CN115109386B - 一种复合绝缘横担用玄武岩纤维增强环氧树脂基芯棒及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合绝缘横担用玄武岩纤维增强环氧树脂基芯棒及其制备方法。本发明复合绝缘横担用芯棒由玄武岩纤维和树脂混合料制备而成；所述树脂混合料占芯棒体积的15～35％，所述玄武岩纤维占芯棒体积的65％‑85％；按重量份计，所述树脂混合料是由100份环氧树脂、75‑80份固化剂、0.1‑1份促进剂、1‑2份内脱模剂配制而成；所述环氧树脂为双酚A二缩水甘油醚或双酚A二缩水甘油醚和3,4‑环氧环己基甲基‑3',4'‑环氧环己烷甲酸酯的共混树脂。本发明的芯棒能够提升复合横担高温下的机械强度、提升沿海、重污区等盐碱地区的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及绝缘横担芯棒加工技术领域，特别是涉及一种复合绝缘横担用玄武岩纤维增强环氧树脂基芯棒及其制备方法。
背景技术
针对复合横担的开发应用已有40年的历史，由于其优良的机械性能及绝缘性能使得其在部分特殊地区中得到应用，用于解决线路耐雷水平不足、施工安装不便等的输电问题。复合横担由芯棒、金具及绝缘伞裙构成，其中芯棒是复合横担的关键部件，不仅提供复合横担所需的结构强度，还提供复合横担内绝缘强度。因此针对复合横担芯棒进行改进，提升芯棒性能对复合横担的广泛应用及安全稳定运行具有重要意义。
目前，行业内所广泛使用的复合横担芯棒是由连续玻璃纤维纱浸渍环氧树脂后拉挤制成。此类芯棒制成的复合横担在高温环境下的机械性能不足，同时无法在沿海、重污区等盐碱地区实现长期使用。造成上述问题的原因在于玻璃纤维的耐热性及耐碱性能不足。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种复合绝缘横担用玄武岩纤维增强环氧树脂基芯棒及其制备方法。
本发明所述复合绝缘横担用玄武岩纤维增强环氧树脂基芯棒是由玄武岩纤维和树脂混合料制备而成，所述玄武岩纤维占芯棒体积的65％-85％，所述树脂混合料占芯棒体积的15～35％；所述玄武岩纤维和树脂混合料优选体积占比例为70-80％：20-30％，更优选为70％：30％。
按重量份计，所述树脂混合料是由100份环氧树脂、75-80份固化剂、0.1-1份促进剂、1-2份内脱模剂配制而成。
优选的，所述玄武岩纤维为细度9000-20000tex的连续玄武岩纤维纱。
优选的，所述玄武岩纤维的细度为9600tex或19600tex，单丝直径为15μm，单丝强度为3000MPa，单丝弹性模量为85GPa。
优选的，所述环氧树脂为双酚A二缩水甘油醚或双酚A二缩水甘油醚和3,4-环氧环己基甲基-3',4'-环氧环己烷甲酸酯的共混树脂；所述共混树脂中双酚A二缩水甘油醚与3,4-环氧环己基甲基-3',4'-环氧环己烷甲酸酯的质量比为8-9：1-2。
优选的，所述固化剂为甲基六氢苯酐或甲基四氢苯酐，所述促进剂为2,4,6-三(二甲胺基甲基)苯酚或咪唑，所述内脱模剂为二甲基硅油。
本发明还提供了所述复合绝缘横担用玄武岩纤维增强环氧树脂基芯棒的制备方法，包括以下步骤:
(1)按比例称取环氧树脂、固化剂、促进剂以及内脱模剂，混合均匀后制成树脂混合料；
(2)按比例取玄武岩纤维，合股后浸入所述树脂混合料所在的胶槽中，充分浸渍后送入拉挤成型模具；
(3)将步骤(2)得到的浸渍树脂混合料后的连续纤维纱采用拉挤成型工艺制成截面为圆形或多边形的芯棒，所述多边形为矩形、正五边形、正六边形、正八边形中的一种。
优选的，所述拉挤成型采用三段拉挤模具，所述三段拉挤模具的温度分别为110-120℃、140-150℃、120-130℃，拉挤速率为1m/h。
优选的，所述芯棒截面为矩形时，最小截面宽为30mm，长为50mm；所述芯棒截面为正五边形时，最小截面的内接圆半径为27mm；所述芯棒截面为正六边形时，最小截面的内接圆半径为26mm；所述芯棒截面为正八边形时，最小截面的内接圆半径为25mm。
与现有技术相比，本发明公开了以下技术效果：
(1)本发明采用连续玄武岩纤维结合树脂混合料制备复合横担芯棒，能够提升复合横担高温下的机械强度、提升沿海、重污区等盐碱地区的使用寿命。
(2)本发明所制备复合横担芯棒，显著提升弯曲模量、水扩散泄漏电流等性能，其中高弯曲模量能够带来缩小截面尺寸、更高的工艺性、以及服役时承受极限荷载下的低位移等优势，而且水扩散泄漏电流是复合横担界面结合以及耐湿热的重要指标。
(3)本发明所制备复合横担芯棒，满足线路力学设计要求的前提下，可以缩减复合横担的截面尺寸，进一步凸显复合横担轻质高强的优点。
附图说明
图1为利用本发明所述芯棒制备的复合绝缘横担结构示意图；
图中：1-挂线金具上夹件、2-挂线金具下夹件、3-端部固定金具、4-玄武岩纤维增强环氧树脂基芯棒、5-绝缘伞裙。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种复合绝缘横担用玄武岩纤维增强环氧树脂基芯棒及其制备方法。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明实施例使用玄武岩纤维为细度为9600tex，单丝直径为15μm，单丝强度为3000MPa，单丝弹性模量为85GPa的连续玄武岩纤维纱。
实施例1
一种玄武岩纤维增强环氧树脂基芯棒，按体积比计，其由70％的9600tex的连续玄武岩纤维纱和30％的树脂混合料为原料制备而成，具体制备步骤如下：
(1)按重量份计，按比例称取100份的双酚A二缩水甘油醚、75份甲基六氢苯酐固化剂、0.5份2,4,6—三(二甲胺基甲基)苯酚、1份二甲基硅油，然后在室温下混合均匀后制成树脂混合料；
(2)按体积比例取连续玄武岩纤维纱，合股后浸入所述树脂混合料所在的胶槽中，充分浸渍后送入拉挤成型模具；
(3)将步骤(2)得到的混合物料采用拉挤成型工艺制成截面为34mm×54mm矩形的芯棒，其中拉挤过程中三段拉挤模具的温度分别为110℃、140℃、120℃，拉挤速率为1m/h。
实施例2
一种玄武岩纤维增强环氧树脂基芯棒，按体积比计，其由70％的9600tex的连续玄武岩纤维纱和30％的树脂混合料为原料制备而成，具体制备步骤如下：
(1)按重量份计，按比例称取90重量份的双酚A二缩水甘油醚、10份3,4-环氧环己基甲基-3',4'-环氧环己烷甲酸酯、85份甲基六氢苯酐固化剂、0.5份2,4,6—三(二甲胺基甲基)苯酚、1份二甲基硅油，然后在室温下混合均匀后制成树脂混合料；
(2)按体积比例取连续玄武岩纤维纱，合股后浸入所述树脂混合料所在的胶槽中，充分浸渍后送入拉挤成型模具；
(3)将步骤(2)得到的混合物料采用拉挤成型工艺制成截面为34mm×54mm矩形的芯棒，其中拉挤过程中三段拉挤模具的温度分别为120℃、150℃、130℃，拉挤速率为1m/h。
对比例1
一种玻璃纤维增强环氧树脂基芯棒，按体积比计，其由70％的9600tex的连续玻璃纤维纱和30％的树脂混合料为原料制备而成，具体制备步骤如下：
(1)按重量份计，按比例称取100份的双酚A二缩水甘油醚、75份甲基六氢苯酐固化剂、0.5份2,4,6—三(二甲胺基甲基)苯酚、1份二甲基硅油，然后在室温下混合均匀后制成树脂混合料；
(2)按体积比例取连续玻璃纤维纱，合股后浸入所述树脂混合料所在的胶槽中，充分浸渍后送入拉挤成型模具；
(3)将步骤(2)得到的混合物料采用拉挤成型工艺制成截面为34mm×54mm矩形的芯棒，其中拉挤过程中三段拉挤模具的温度分别为110℃、140℃、120℃，拉挤速率为1m/h。
将实施例1、实施例2以及对比例1制备的芯棒制成复合绝缘横担，具体制备方法如下：
首先将芯棒进行表面磨砂处理；然后将芯棒两端压接金具，最后放入伞裙注射模具中进行伞裙加工，伞裙加工中中氟硅橡胶的硫化温度为180℃，分别获得1#复合绝缘横担、2#复合绝缘横担、3#复合绝缘横担，并对上述绝缘横担进行性能检测，具体检测如表1和表2所示：
1)弯曲破坏负荷试验：本试验在20℃±10K温度下进行，用于测定复合绝缘横担的破坏负荷，由于复合绝缘横担挠曲变形大，所使用的设备应有足够的能力保证复合绝缘横担破坏。有必要使用特制螺栓或构件把复合绝缘横担牢固地固定在试验夹具上，弯曲负荷应逐步增加到芯体或端部附件出现破坏，其间应尽可能使施加负荷方向与未施加负荷时复合绝缘横担的轴线方向保持垂直。
2)水扩散试验：从复合绝缘横担上锯取试样，锯取方向与芯体轴线呈90°，试样长度30mm±0.5mm。两端切面应是清洁和平行的。试样置于含0.1％氯化钠(重量)的去离子水的玻璃容器中沸腾100h±0.5h。水煮后应将试样从玻璃容器中取出，在室温下置于装满自来水的另一个玻璃容器中至少放置15min，并在从煮沸容器中取出后的3h内完成耐压试验。耐压试验前把试样从玻璃容器中取出，并立即用滤纸擦干。将试样分别置于两电极间，试验电压以约1kV/s的速率上升到12kV，在此电压下持续1min，然后卸除电压到零。记录泄漏电流情况。
3)工频击穿试验：按照标准IEC 60243-1-2013对芯体材料进行测试。将厚度为1mm的试片置于装有二甲基硅油的透明玻璃容器中，保证硅油没过试样5-7mm。取至少10个击穿测试点作统计。
4)芯棒材料热机械性能测试：使用Q800仪器(美国TA)通过动态热机械分析(DMA)表征样品在不同温度下的储能模量，测试频率为2Hz，振动幅度为10um，温度点选取为50℃、100℃。
表1
| 组别 | 弯曲模量/GPa | 水扩散泄漏电流/μA | 击穿场强/kV/mm |
| 1#复合绝缘横担 | 62.28 | 47.26 | 20.5 |
| 2#复合绝缘横担 | 114.07 | 46.11 | 20.9 |
| 3#复合绝缘横担 | 51.12 | 40.83 | 20.7 |
表2
| 组别 | 50℃下储能模量(GPa) | 100℃下储能模量(GPa) |
| 1#复合绝缘横担 | 12.6 | 12.1 |
| 2#复合绝缘横担 | 13.0 | 12.3 |
| 3#复合绝缘横担 | 11.5 | 10.6 |
可见，本发明的一种基于玄武岩纤维增强环氧树脂基复合材料芯棒的复合横担与传统的玻璃纤维芯棒复合横担相比，具有足够的弯曲模量上的优势，实施例1-2所述芯棒强度较对比例1提升了1.5％～4％，弯曲模量较对比例提升了21％～123％。鉴于弯曲模量提升较高，因此可对芯棒截面作针对性设计，在满足线路力学条件的前提下，获得更小的截面尺寸。在50℃及150℃高温环境下，得益于玄武岩纤维在高温环境下的力学稳定性，采用玄武岩纤维芯棒材料的弹性模量普遍高于传统的玻璃纤维芯棒材料。实施例1、2的泄漏电流与对比例仅存在微弱差距，但仍然通过了不超过50μA的要求，并不影响复合横担挂网时的绝缘性能。本发明的复合横担能够通过标准要求的拉伸负荷试验、染料渗透试验及水扩散试验，具备挂网运行的基本要求。
对比例2
一种玄武岩纤维增强环氧树脂基芯棒，按体积比计，其由70％的9600tex的连续玄武岩纤维纱和30％的树脂混合料为原料制备而成，具体制备步骤如下：
(1)按重量份计，按比例称取100份的六氢邻苯二甲酸双缩水甘油酯、85份甲基六氢苯酐固化剂、0.5份咪唑、2份二甲基硅油，然后在室温下混合均匀后制成树脂混合料；
(2)按体积比例取连续玄武岩纤维纱，合股后浸入所述树脂混合料所在的胶槽中，充分浸渍后送入拉挤成型模具；
(3)将步骤(2)得到的混合物料采用拉挤成型工艺制成截面为34mm×54mm矩形的芯棒，其中拉挤过程中三段拉挤模具的温度分别为110℃、140℃、120℃，拉挤速率为1m/h。
对比例3
一种玄武岩纤维增强环氧树脂基芯棒，按体积比计，其由70％的9600tex的连续玄武岩纤维纱和30％的树脂混合料为原料制备而成，具体制备步骤如下：
(1)按重量份计，按比例称取80份的双酚A二缩水甘油醚、20份二聚酸改性环氧树脂、85份甲基六氢苯酐固化剂、0.5份咪唑、2份二甲基硅油，然后在室温下混合均匀后制成树脂混合料；
(2)按体积比例取连续玄武岩纤维纱，合股后浸入所述树脂混合料所在的胶槽中，充分浸渍后送入拉挤成型模具；
(3)将步骤(2)得到的混合物料采用拉挤成型工艺制成截面为34mm×54mm矩形的芯棒，其中拉挤过程中三段拉挤模具的温度分别为110℃、140℃、120℃，拉挤速率为1m/h。
按照上述方法将对比例2-3分别制成复合绝缘横担，并对其进行性能检测，具体检测如表3所示：
对比例2-3所制备芯棒的弯曲模量尚可，但对比例2-3所制备芯棒均是在水扩散后泄漏电流处存在劣势。其中水扩散泄漏电流是复合横担界面结合以及耐湿热的重要指标(通过要求不得超过50μA)。
另外，可以在实施例基础上，制备芯棒截面为矩形(截面宽为30mm，长为50mm)；或制备芯棒截面为正五边形(内接圆半径为27mm)；或制备芯棒截面为正六边形(内接圆半径为26mm)；或制备芯棒截面为正八边形(内接圆半径为25mm)。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种复合绝缘横担用玄武岩纤维增强环氧树脂基芯棒，其特征在于，所述芯棒是由玄武岩纤维和树脂混合料制备而成；所述树脂混合料占芯棒体积的15~35%，所述玄武岩纤维占芯棒体积的65%-85%；按重量份计，所述树脂混合料由100份环氧树脂、75-80份固化剂、0.1-1份促进剂、1-2份内脱模剂配制而成，所述环氧树脂为双酚A二缩水甘油醚和3,4-环氧环己基甲基-3',4'-环氧环己烷甲酸酯的共混树脂；
所述玄武岩纤维为细度9000-20000tex的连续玄武岩纤维纱；
所述共混树脂中双酚A二缩水甘油醚与3,4-环氧环己基甲基-3',4'-环氧环己烷甲酸酯的质量比为8~9：1~2。
2.根据权利要求1所述的复合绝缘横担用玄武岩纤维增强环氧树脂基芯棒，其特征在于，所述玄武岩纤维的细度为9600tex或19600tex，单丝直径为15μm，单丝强度为3000MPa，单丝弹性模量为85GPa。
3.根据权利要求1所述的复合绝缘横担用玄武岩纤维增强环氧树脂基芯棒，其特征在于，所述固化剂为甲基六氢苯酐或甲基四氢苯酐，所述促进剂为2,4,6-三(二甲胺基甲基)苯酚或咪唑，所述内脱模剂为二甲基硅油。
4.根据权利要求1所述的复合绝缘横担用玄武岩纤维增强环氧树脂基芯棒，其特征在于，所述树脂混合料占芯棒体积的30%，所述玄武岩纤维占芯棒体积的70%。
5.根据权利要求1-4任一项所述复合绝缘横担用玄武岩纤维增强环氧树脂基芯棒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:
(1)按比例称取环氧树脂、固化剂、促进剂以及内脱模剂，混合均匀后制成树脂混合料；
(2)按比例取玄武岩纤维，合股后浸入所述树脂混合料所在的胶槽中，充分浸渍后送入拉挤成型模具；
(3)将步骤(2)得到的浸渍树脂混合料后的玄武岩纤维采用拉挤成型工艺制成截面为圆形或多边形的芯棒，所述多边形为矩形、正五边形、正六边形、正八边形中的一种。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述拉挤成型采用三段拉挤模具，所述三段拉挤模具的温度分别为110-120℃、140-150℃、120-130℃，拉挤速率为1m/h。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述芯棒截面为矩形时，最小截面宽为30mm，长为50mm；所述芯棒截面为正五边形时，最小截面的内接圆半径为27mm；所述芯棒截面为正六边形时，最小截面的内接圆半径为26mm；所述芯棒截面为正八边形时，最小截面的内接圆半径为25mm。
8.一种复合绝缘横担，其特征在于，利用权利要求1-4任一项所述的芯棒或者权利要求5-7任一项所述的制备方法所制得的芯棒制备而成。
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