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用于架空 电缆的 碳 纤维-树脂 复合材料芯

阅读：4发布：2020-08-01

专利汇可以提供用于架空电缆的碳纤维-树脂复合材料芯专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种用于电缆的碳纤维 - 树脂复合材料芯，其由碳纤维 -树脂复合材料芯层与环绕所述芯层的保护层构成，其中，该保护层是由纤维毡和/或纤维织物增强的树脂材料层。本发明的电缆用碳纤维-树脂复合材料芯相较于前述现有技术降低了产品的单位长度重量，并改善了抗压扁性。，下面是用于架空电缆的碳纤维-树脂复合材料芯专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于架空电缆的碳纤维-树脂复合材料芯，其特征在于，其由碳纤维-树脂复合材料芯层与环绕所述芯层的保护层构成，其中，所述保护层是纤维毡和纤维织物增强的树脂材料层，所述碳纤维的K数在1K-80K之间，所述纤维毡和纤维织物交错复合在一起形成缝编毡，所述缝编毡通过树脂固化在所述芯层表面形成所述保护层。
2.根据权利要求1所述的复合材料芯，其中，所述纤维毡是热塑性树脂纤维毡。
3.根据权利要求1所述的复合材料芯，其中，所述纤维毡是玻璃纤维毡。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的复合材料芯，其中，所述保护层的厚度在
0.02～1.5mm之间。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的复合材料芯，其中，所述电缆芯的纤维体积含量在50％～74％之间。

说明书全文

用于架空 电缆的 碳 纤维-树脂 复合材料芯

技术领域

[0001] 本发明涉及一种纤维增强复合材料，更具体地涉及架空电缆的芯材。

背景技术

[0002] 近十年来，随着架空电缆技术的发展，原先的钢芯已经被强度更高的非金属纤维复合芯所取代，该复合材料芯增强电缆(ACCC)较钢芯电缆显著地降低了电缆重量和下垂程度。已知用于架空电缆的非金属增强纤维有碳纤维、凯夫拉、玄武岩、玻璃纤维、芳香族聚酰胺、液晶纤维、高性能聚乙烯等。其中，由于碳纤维具有高的拉伸强度和低的热膨胀系数，在架空电缆芯中已被越来越多地采用。

[0003] 中国专利ZL03809284.0披露了一种用于电缆的复合材料芯，该复合材料芯包括内芯和外芯。其中内芯包括多根纵向且连续的、具有较高弹性模量的碳纤维，外芯包括多根纵向且连续的、具有较低弹性模量的玻璃纤维。该内、外层纤维皆包裹在热固性树脂中。该复合材料芯可以达到符合需要的拉伸强度、热膨胀系数和耐高温性，因此可以很好地克服钢芯电缆的重量较重和弧垂较严重的问题。

[0004] 该专利认为，单纯利用碳纤维复合环氧树脂作为复合芯材料不太可行，因为碳环氧树脂芯的柔性很小，不易卷绕包装。为此，该专利将玻璃纤维-树脂层设计在材料芯的外层，而且从芯材中碳纤维和玻璃纤维的截面积来看，玻璃纤维的用量不低于碳纤维的用量。同时，将玻璃纤维设计在外层的另一个目的是将碳纤维层与铝导体隔开，以防止具有电导性的碳纤维与铝导体接触，造成电位差腐蚀，从而缩短使用寿命。

[0005] 但是，这种二类纤维复合的设计也存在缺陷，工艺复杂，质量控制要求较高，制品的横向强度低。首先，为了制造出玻璃纤维外层包覆碳纤维内层的线芯，在制造工艺上需要较为复杂的操作。在生产中，需要将多根玻璃纤维束穿过引导板(设有具有预订图案的引导孔)的引导孔，均匀分布在碳纤维束的外围，在线束的拉动过程中需防止线束之间的盘结。通常纤维材料的长度为5000米左右，因此，每隔5000米左右就需要重复一次将二类纤维上架的操作，穿纱定位走向比较繁杂。其次，二类纤维均为纵向定向，制品的横向强度仅依赖于树脂的强度，横向强度较低。

发明内容

[0006] 本发明提出一种改进的碳纤维增强树脂基复合材料电缆芯，以克服现有的由二类纤维复合增强电缆芯的制造工艺复杂、横向强度低的问题。

[0007] 本发明的另一个目的是进一步降低现有电缆芯的重量，以减小电缆芯的弧垂程度。

[0008] 本发明用于架空电缆的碳纤维-树脂复合材料芯是由碳纤维-树脂复合材料芯层与环绕所述芯层的保护层构成，其中，该保护层是由纤维毡和/或纤维织物增强的树脂材料层。

[0009] 在本发明的具体实施方式中，该纤维毡是热塑性树脂纤维毡或者玻璃纤维毡。

[0010] 在本发明的另一种具体实施方式中，该保护层是由玻璃纤维织物和/或玄武岩纤维织物增强树脂构成。

[0011] 在本发明的一种具体实施方式中，该保护层包含多层所述纤维毡和织物，这些层之间是以缝编毡的形式复合在一起。

[0012] 本发明的架空电缆用碳纤维-树脂复合材料芯相较于前述现有技术降低了产品的单位长度重量，并改善了抗压扁性。附图说明

[0013] 图1是用于生产本发明的复合芯的生产设备的示意图。

具体实施方式

[0014] 本发明的架空电缆用碳纤维树脂复合材料芯包括由碳纤维和树脂复合的芯层，以及由纤维毡和/或纤维织物构成的外保护层。

[0015] 用于本发明的碳纤维的K数可以在1K～80K之间，其中优选在6K～24K之间。为了避免单纯使用碳纤维而导致电缆芯过于刚性、不易卷绕的缺陷，需要控制电缆芯中碳纤维的用量。在满足抗拉强度需要的前提下，不宜使用过多的碳纤维。碳纤维体积含量不超过70％，优选不超过65％。

[0016] 在本发明的典型实施方式中，使用的碳纤维为T700SC-12K。可以根据所选碳纤维性能参数(例如拉伸强度，拉伸模量)的不同来确定其在电缆芯中的用量。在确定碳纤维用量时需要考虑的另一个因素是树脂的种类，这是由于同一种碳纤维与不同树脂的结合会导致不同的性能参数。总体而言，由于本发明主要用碳纤维作增强材料，为达到电缆芯的目标性能，例如，不低于3500MPa的拉伸强度，不低于225MPa的拉伸模量，所需碳纤维的用量只需略高于专利ZL03809284.0中使用复合纤维时碳纤维的用量。碳纤维少量的增加可以显著地提高电缆芯的拉伸强度和拉伸模量，而且不会显著影响复合芯的卷绕性。同时，由于不再使用大量的玻璃纤维，有利于减小芯材的线膨胀系数。故此，碳纤维的少量增加与大量玻璃纤维的减量使用正好改善了芯棒的线膨胀性并减少芯棒的耐热弧垂。

[0017] 本发明可以采用任何适宜的树脂。另外，在各种实施方式中，设计树脂以便容易制备。根据本发明，为了高反应性和较快的生产线速度，可以优化各种树脂的粘度。在一个实施方式中，可以采用环氧酸酐体系。为了芯所需的性质以及制备而优化树脂体系的重要方面是选择最佳的催化剂组合。例如，优化催化剂(或促进剂)，以在短时间内产生最大量的树脂组分的固化，同时发生最少量的导致裂纹产生的副反应。另外，还期望催化剂为了增加贮存期在低温下是不活泼的，并且还需要确保制备过程中最快的拉挤时间在高温下是非常活泼的。

[0018] 在实施方案中，特别对于高温固化工艺设计乙烯基酯树脂。另一个实例为液体环氧树脂，其它实例包括聚醚酰胺，双马来酰亚胺(bismalimide)，各种酸酐，或者酰亚胺。另外，可以根据最终复合材料芯构件所需的性质和处理方法来选择固化剂。例如，固化剂可以为脂肪族多胺、聚酰胺及其改性产物。其它适宜的树脂可以包括热固性树脂、热塑性树脂或热塑改性的树脂、增韧树脂(toughened resin)、弹性改性的树脂、多官能树脂、氰酸酯、或者聚氰酸酯树脂。某些热固性和热塑性树脂可以包括，但不限于，环氧，高温聚合物(聚酰亚胺)，尼龙，含氟聚合物，聚乙烯(polyethelene)，乙烯基酯等。本领域的技术人员将会认识到在本发明中可以使用其它树脂。

[0019] 依据计划中的电缆应用，根据所需电缆性质来选择适宜的树脂，以使复合材料芯在高温工作中具有长期耐力。还可以根据复合材料芯的形成方法选择适宜的树脂，以使处理过程中摩擦最小，从而增加处理速度，及实现在最终的复合材料芯中适当的纤维与树脂的比例。根据本发明，树脂的粘度可以为约50～10000cPs，优选为约500～3000cPs，更优选为约800-1800cPs。

[0020] 本发明的复合材料芯包括具有良好力学性质和耐化学品性的树脂。这些树脂在使用的至少40年内，能够在长期暴露于环境下仍能发挥作用。更优选地，本发明的复合材料芯可以包括在使用的至少约80年内在长期暴露下具有良好力学性质及耐化学品性、耐水性和耐UV性的树脂。而且，本发明的复合材料芯包括这样的树脂，其可以在45～240℃(优待在45～200℃)的温度下，在任何地方工作，并且在温度极限下，具有结构性能下降最小的特性。

[0021] 根据本发明，为了优化复合材料芯的性质和制备过程，树脂可以包括多种组分。在各种实施方案中，树脂包括一种或多种硬化剂/促进剂，以在固化过程中给予帮助。选择的促进剂取决于树脂和制备过程中模具温度。而且，为了改善生产线速度和表面质量，树脂可以包括表面活性剂以有助于降低表面张力。树脂还可以包括粘土或其它填料。这些成分对于树脂增加了体积，并起着降低成本的作用，同时保持树脂的物理性能。还可以加入额外的添加剂，例如，使树脂耐UV的耐UV添加剂，及着色添加剂(coloring additive)。

[0022] 通常，树脂体系的伸长性质应该超过所采用碳纤维的伸长性质。例如，环氧体系的实施方案可以包括利用酸酐硬化剂和咪唑促进剂的低粘度多官能环氧树脂。这种类型的环氧体系的实例可以为由HuntsmanInc制造的 MY721/硬化剂99-023/促进剂DY070热固化环氧基体体系。所述树脂具有N，N，N’，N’-四缩水甘油基-4，4’-亚甲基二苯胺(methylenebisbenzenamine)的化学名称。其中，硬化剂为1H-咪唑、l-甲基-1-甲基咪唑。特别对于ACCC应用而改性的该示例性树脂环氧体系可以具有下列性质：约3.0～5.0％的拉伸伸长率；约16.5～19.5Ksi的挠曲强度；约6.0～7.0Ksi的拉伸强度；约450、500Ksi的拉伸模量；及约4.5～6.0％的挠曲伸长率。环氧树脂体系的另一个实施方案可以为多官能环氧及脂环族-胺混合硬化剂。该类型的环氧体系的实例可以为由JEFFCO ProductsInc.制造的用于浸渍的JEFFCO1401-16/4101-17环氧体系。该示例性树脂环氧体系可以具有下列性质：约88D的肖氏D硬度；9.7Ksi的极限拉伸强度；在拉伸强度下约4.5～5.0％的伸长率；约7.5～8.5％的极限伸长率；约15.25Ksi的挠曲强度；及约
14.5Ksi的压缩极限强度。环氧树脂体系的这些实施方案是示例性的，并不是将本发明限于这些具体的环氧树脂体系。本领域的技术人员将会认识到其它环氧体系也可以生产出本发明范围内的复合材料芯。

[0023] 本发明的复合材料芯可以包括这样的树脂，其足够强韧而能经受住绞合操作，而不使复合材料产生裂缝或断裂。本发明的复合材料芯可以包括纯树脂断裂韧性(net resin fracture toughness)为至少约0.96MPa·m1/2的树脂。

[0024] 本发明的复合材料芯可以包括具有低热膨胀系数的树脂。低的热膨胀系数降低所-5 -5得到的电缆的弛度。本发明的树脂可以具有小于约4.2×10 /℃和可能小于1.5×10 /℃的热膨胀系数。本发明的复合材料芯可以包括伸长率大于约3％或更优选约4.5％的树脂。

[0025] 本发明的电缆芯的外层设置有一层保护层，以隔离碳纤维芯层和铝导线直接接触，防止产生电腐蚀。该保护层为厚度在0.02～1.5mm之间的纤维毡和(或)纤维织物增强的树脂材料层。在生产过程中，通过芯层外围富余树脂，经由挤压使纤维毡或织物紧密结合在芯层上。在本发明中，纤维毡是指其纤维在各方向上均匀分布的无纺布。而织物是纤维在基本相互垂直的两个方向纵横交错的编织布。这种无纺布或者编织布除了可以避免碳纤维和铝直接接触产生电腐蚀外还可以提供电缆芯在径向方向的抗压扁性。

[0026] 抗压扁性是指芯棒径向受力变形的能力，在铝线绞合或芯棒运输安装过程中的耐挤压、撞击能力。通常以压扁强度来衡量，按GB/T23171可定量测定

[0027] 对于现有技术中纤维皆为纵向延伸的情况，纤维不能提供电缆芯径向的力学强度，这种电缆芯在铝线绞合或芯棒运输安装过程中受径向挤压时有变形、开裂的可能，在芯棒的纵向上有划痕或缺口，一旦弯曲过度或受外力撞击，芯棒很易沿纤维方向开裂，造成芯棒损伤无法使用。而本发明不同于此，无纺布或纺织布形式的、厚度在上述范围的纤维毡可以提供电缆芯在径向的抗拉、抗挤压性能，这会给生产或应用带来好处。

[0028] 用于本发明的纤维毡通常是热塑性树脂纤维毡。为电缆芯的应用目的，热塑性树脂的熔点应该不低于220℃，优选不低于270℃。另外，被选择的热塑性树脂还应具备较高的耐候性。适宜用于纤维毡的热塑性树脂包括但不限于聚酯(PET)，聚醚砜树脂(PES)，尼龙(PA)、聚酰亚胺树脂(PIM)、聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)。

[0029] 上述纤维毡可以从市场上采购得到，例如型号为NLC10/350N的聚酯(PET)表面毡，单位面积重为40±5克/平方米，属于聚酯共聚改性纤维，纵向拉伸强度95N/5cm，横向拉伸强度26N/5cm。

[0030] 也可以采用玻璃纤维毡，例如广州博皓复合材料有限公司出售的MFS-50.玻璃纤维毡，厚度为0.05mm，单位面积重量为50克/平方米，含胶量小于6％，纵向拉伸强度不小于30N/5cm，含水量小于0.2％。

[0031] 作为一种优选方式，可以用纤维织物来形成保护层。纤维织物中的纤维不仅是连续的(长尺寸的)，而且在两个或两个以上方向上交织。相比于无纺布，其提供更高的径向力学性能(在编织布的纵向纤维沿电缆芯长度方向延伸，径向纤维沿电缆芯圆周向延伸的情况下)。

[0032] 可以根据需要将上述纤维毡设计成一层或多层。在多层的情况下，这些层可以采用不同的材料，例如一层用热塑性树脂纤维、另一层用玻璃纤维、又一层用玄武岩纤维。这些层必须用不同的结构，例如其中一层是无纺布形式，另一层为编织布形式。这种多层结构在某些情况下是合乎需要的。采用这种缝编毡一方面是提高了芯材的径向强度，即抗压扁性，另一方面，改善了芯材的卷绕性。这种结构一般使用在外径稍大(D≥8mm)的芯材的成型上。这些层之间可以以缝编毡的形式复合在一起，然后在模具中通过芯层树脂的固化而牢固地结合在碳纤维芯层表面。

[0033] 在本发明中，保护层的厚度通常在0.02～1.5mm之间，如果厚度超过1.5mm，则保护层占据过多的重量，会对电缆芯的重量减轻不利；如果厚度低于0.02mm，则由于保护层中的纤维太少，不能提供足够的抗压扁性。保护层的厚度可以根据纤维材料的不同作些变化。例如，对于热塑性树脂纤维毡，保护层的厚度可以在0.02-0.5mm之间，对于玻璃纤维毡，厚度可以在0.02-1.2mm之间，优选在0.4-0.8mm之间。另外，对于采用织物纤维的情况，由于其具有较高的强度，可以将厚度降低。在采用多层结构的情况下，保护层的总厚度可以在0.3-1.5mm之间。

[0034] 采用本发明的纤维毡和/或纤维织物可以取得这样的优势：首先，相比于现有技术中的树脂膜保护层，其提高了纵向和横向的拉伸强度，提高了电缆芯的抗压扁性能，使得电缆芯在运输、安装过程中不会开裂；其次，纤维毡和/或纤维织物层取代了现有技术中的玻璃纤维-树脂层，在厚度上大大降低，因此显著减小了电缆芯的总重量；再次，简化了生产工艺。为了生产本发明的电缆芯，把碳纤维直接从纱架上引出，进入浸胶槽、然后集束成单一的圆形截面而挤出富余的树脂，在芯层外包覆纤维毡和/或纤维织物，进入固化模腔定形，相比于专利ZL03809284.0，本发明提高了生产效率。

[0035] 实施例

[0036] 原料规格：

[0037] 碳纤维：Torayca T700SC-12K，拉伸强度4900MPa，拉伸模量235GPa，应变2.1％，单丝直径7μ；

[0038] 环氧树脂体系：25℃粘度1200-2000cP，25℃密度1.2g/cm3；

[0039] 玻璃纤维毡：MFS-50；

[0040] 玻璃纤维缝编毡：GF/960-50-35。

[0041] 图1是用于生产本发明的复合芯的生产设备示意图。如图1所示，碳纤维从带有张力调整装置的纱架1上以恒定的张力退卷，按序穿过导纱板2，平行地经过预热箱3，在预热箱中排除水分，并加热软化碳纤维表面的上浆剂，改善树脂浸润效果。然后再通过导纱板2’，进入胶槽4。充分浸润后，进入预成型模具5。在此阶段，挤出多余的树脂，并和纤维毡汇合，包覆完全，牵引至成型模具6内，经过三区加热固化，芯棒以0.35m/min的速度运行出模具，最后进入后固化炉7，进行在线后固化，然后经牵引机构8，拉出芯棒，被收卷装置9均匀平行卷绕在收卷轴上。

[0042] 分别采用玻璃纤维毡和玻璃纤维缝编毡制得样品1和样品2。

[0043] 在样品1中，玻璃纤维毡采用MFS-50，具有不小于30N/5cm的拉伸强度，芯棒内层2
为直径8.08的碳纤维和环氧树脂复合层，碳纤维层的总面积51.25mm，外层是玻璃纤维毡
2
/环氧树脂复合层，玻璃纤维毡层的面积为0.89mm，芯棒直径为8.15mm，内层碳纤维的纤维体积含量为68％，外层玻纤毡的纤维体积含量为65％。

[0044] 在样品2中，玻璃纤维缝编毡采用GF/960-50-35(单位面积的玻璃纤维为960g/2 2
m，玻璃纤维毡为50g/m，宽度为35mm)，具有2200Mpa的拉伸强度，芯棒内层为直径6.8mm
2
的碳纤维/环氧树脂复合层，碳纤维层的总面积36.93mm，外层是玻璃纤维缝编毡/环氧树
2
脂复合层，玻璃纤维缝缡毡层的面积为15.84mm，芯棒直径为8.13mm，内层碳纤维的纤维体积含量为68％，外层玻璃纤维缝编毡的纤维体积含量为65％。

[0045] 对比例

[0046] 按照前述专利的披露，制备一个对照品电缆芯对照品，其碳纤维层的树脂和碳纤维用料与本发明实施例相同，玻璃纤维采用Vetrotex粗纱R099-69-86(900码)，具有77GPa的拉伸模量。电缆芯内层为直径约6mm的碳纤维/环氧树脂复合层，碳纤维的总面积
2
约28.26mm，外层为直径8.13mm的玻璃纤维/环氧树脂复合层，其中玻璃纤维的总面积大
2
约23.63mm。内层中碳纤维/树脂重量比为70/30，外部玻璃纤维层中纤维/树脂重量比为75/25。

[0047] 表1中列出了各样品与对照品的各种参数。

[0048] 表1

[0049]参数对照品1 样品1 样品2
重量(g/m) 96 83.5 91
电缆芯直径(mm) 8.13 8.15 8.15
芯层直径(mm) 6 8.08 6.8
保护层厚度(mm) - 0.035 0.675
玻璃纤维/树脂层 1.06 - -
厚度
卷曲试验(55D) 合格合格合格
弹性模量(GPa) 118 118 116
拉伸强度(MPa) 2200 2500 2400
抗压扁试验(kN) 26.5 32 36

[0050] 从上述结果可以看出，根据本发明的产品在抗压扁性能方面优于对照品，在重量方面比对照品降低了5～10％。而在其他方面的性能参数与对照品相当或者达到了使用要求。

[0051] 尽管本发明已经结合附图和优选实施例进行了说明，但是很显然，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明作出各种更改和变化。因此，本发明的各种更改、变化由所附的权利要求书及其等同物的内容涵盖。

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