一种无机高性能纤维复合材料电杆及其制备方法与流程

1.本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种无机高性能纤维复合材料电杆及其制备方法。


背景技术：

2.传统的电杆一般为木质电杆，随着社会工业化程度的加深，钢管杆、混凝土材料电杆逐步进入人们的视野。相较于木质电杆，钢管杆和混凝土材料电杆的使用寿命更长、强度更高，为工业生产、居民生活提供了有力的保障。虽然钢管杆、混凝土材料电杆在使用时有诸多优势，但依然无法忽视其在一些特殊条件下使用的短板，因此，质量更轻、强度更大、更耐腐蚀的复合材料电杆应运而生。
3.复合材料电杆基本上由玻璃纤维作为主材，环氧树脂、聚氨酯等作为辅材，通过特殊的制备工艺，制造成比混凝土电杆稍径、锥度一致，且重量大大减轻的新型电杆。但是，由于其通常只能通过缠绕或分层固化等制备工艺制造而成，导致复合材料电杆在使用时受力的均一性被破坏，出现应力集中的区域，或者由于纤维材质本身的刚度不够导致复合材料电杆的挠度过大，在一些大风天气或重覆冰天气时，线路由于横风或不均匀脱冰引起导线舞动，造成复合材料电杆产生弯曲并摆动，同时，采用现有工艺制作的过程中，复合材料电杆内部由于无法及时的排出空气，导致存在一定的气泡，影响电杆的品质和稳定性，气泡区域易受酸蚀或氧化影响，最终导致其使用寿命变短。尤其是在10kv配网线路中，由于地形、周边构筑物的影响，线路走廊通常比较狭窄，走廊太宽也不利于后期维护的过程中为减少树线矛盾而进行的修枝作业。因此，挠度较大的复合材料电杆和经济紧凑的线路走廊之间存在一个根本性的矛盾。使用复合材料电杆的10kv配网线路段，若无视该矛盾，在特殊的气象条件下容易造成树线短路、架空线路单相接地等故障，对人们的生产生活、人身安全有着不可忽视的隐患。另外，由于原有复合材料电杆的内结构层为沿轴向螺旋缠绕的方式进行制备，其纤维结构并未呈现径向和轴向的力学交织，这决定了产品的耐磨和耐撞击方面较为薄弱。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种无机高性能纤维复合材料电杆及其制备方法，本发明的制备方法既能够解决现有电杆存在的挠度大、刚度低、生产效率不高、成型时气体无法有效排出而导致内结构层广泛存在微观缺陷的问题，又能够解决使用过程中因纤维结构过于单一造成的不耐磨损、不耐撞击等问题。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
6.本发明提供了一种无机高性能纤维复合材料电杆的制备方法，包括以下步骤：
7.将聚氨酯树脂和第一混合剂混合，得到第一预浸渍液；所述第一混合剂包括促进剂和增韧剂；
8.将无机高性能纤维浸泡于所述第一预浸渍液中，得到第一纤维浸料；所述无机高
性能纤维包括玻璃纤维或玄武岩纤维；
9.采用交错编织工艺将所述第一纤维浸料缠绕到电杆模型上，固化后形成内增强结构层；
10.将聚氨酯树脂和第二混合剂混合，得到第二预浸渍液；所述第二混合剂包括促进剂、增韧剂、耐磨剂和抗紫外填料；
11.将所述第二预浸渍液涂覆到所述内增强结构层的外表面，形成第二预浸渍液湿膜，采用交错编织工艺将所述无机高性能纤维缠绕到所述第二预浸渍液湿膜上，固化后形成外增强防护层；
12.将聚氨酯树脂、第三混合剂和防滑填料混合，得到第三预浸渍液；所述第三混合剂包括促进剂、增韧剂、耐磨剂和抗紫外填料；
13.将无机高性能纤维浸泡于所述第三预浸渍液中，得到第二纤维浸料；
14.采用交错编织工艺将所述第二纤维浸料缠绕到所述外增强防护层的外表面，形成防滑层，固化后得到成型坯件；
15.去除所述成型坯件中的电杆模型，得到无机高性能纤维复合材料电杆。
16.优选地，所述内增强结构层上的无机高性能纤维沿轴向30
°
～45
°
角方向成网状交错编织。
17.优选地，所述内增强结构层上的无机高性能纤维的覆盖系数为72～78％，织造张力为200～400n。
18.优选地，所述外增强防护层上的无机高性能纤维沿轴向30
°
～45
°
角方向成网状交错编织。
19.优选地，所述外增强防护层上的无机高性能纤维的覆盖系数为87～93％，织造张力为50～100n。
20.优选地，所述防滑层上的无机高性能纤维沿轴向45
°
～60
°
角方向成网状交错编织。
21.优选地，所述防滑层上的无机高性能纤维的覆盖系数为12～18％。
22.优选地，所述内增强结构层的厚度为所述无机高性能纤维复合材料电杆厚度的55～60％；所述外增强防护层的厚度为所述无机高性能纤维复合材料电杆厚度的25～30％；所述防滑层的厚度为所述无机高性能纤维复合材料电杆厚度的15～20％。
23.优选地，在采用交错编织工艺制备所述内增强结构层过程中，将所述第一预浸渍液中的气泡通过顺编织方向挤压排出。
24.本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的无机高性能纤维复合材料电杆，包括由内而外依次叠层设置的内增强结构层、外增强防护层和防滑层。
25.本发明提供了一种无机高性能纤维复合材料电杆的制备方法，从内增强结构层到外增强防护层，再到防滑层，均采用无机高性能纤维进行交错编织，形成完整、连续的生产节奏，能够使整根电杆的挠度变小、刚度和韧性变强、生产效率更快且成型后内部气体更少，使整个电杆的结构强度更高，其抗冲击强度优于纤维的单纯缠绕，有效解决了电杆在使用过程中不耐磨损、不耐撞击等问题，保证了产品质量的稳定和性能的统一。另外，在制备不同内径的电杆时，不受编织设备原结构的限制，更换电杆模型或在原电杆模型上加上轴套即可进行另一规格产品的生产。
附图说明
26.图1为本发明无机高性能纤维复合材料电杆的剖视图；1为内增强结构层，2为外增强防护层，3为防滑层。
具体实施方式
27.本发明提供了一种无机高性能纤维复合材料电杆的制备方法，包括以下步骤：
28.将聚氨酯树脂和第一混合剂混合，得到第一预浸渍液；所述第一混合剂包括促进剂和增韧剂；
29.将无机高性能纤维浸泡于所述第一预浸渍液中，得到第一纤维浸料；所述无机高性能纤维包括玻璃纤维或玄武岩纤维；
30.采用交错编织工艺将所述第一纤维浸料缠绕到电杆模型上，固化后形成内增强结构层；
31.将聚氨酯树脂和第二混合剂混合，得到第二预浸渍液；所述第二混合剂包括促进剂、增韧剂、耐磨剂和抗紫外填料；
32.将所述第二预浸渍液涂覆到所述内增强结构层的外表面，形成第二预浸渍液湿膜，采用交错编织工艺将所述无机高性能纤维缠绕到所述第二预浸渍液湿膜上，固化后形成外增强防护层；
33.将聚氨酯树脂、第三混合剂和防滑填料混合，得到第三预浸渍液；所述第三混合剂包括促进剂、增韧剂、耐磨剂和抗紫外填料；
34.将无机高性能纤维浸泡于所述第三预浸渍液中，得到第二纤维浸料；
35.采用交错编织工艺将所述第二纤维浸料缠绕到所述外增强防护层的外表面，形成防滑层，固化后得到成型坯件；
36.去除所述成型坯件中的电杆模型，得到无机高性能纤维复合材料电杆。
37.本发明将聚氨酯树脂和第一混合剂混合，得到第一预浸渍液。在本发明中，所述聚氨酯树脂为液态。在本发明中，所述聚氨酯树脂在第一预浸渍液中的质量含量优选为92～94％，更优选为93％。
38.在本发明中，所述第一混合剂包括促进剂和增韧剂。在本发明中，所述促进剂优选为dmp-30；所述促进剂在第一预浸渍液中的质量含量优选为4.5～5.5％，更优选为4.8～5.0％。在本发明中，所述增韧剂优选为增韧树脂；所述增韧剂在第一预浸渍液中的质量含量优选为1.5～2.5％，更优选为2.0％。
39.在本发明中，所述聚氨酯树脂和第一混合剂混合优选在搅拌条件下进行。
40.得到第一预浸渍液后，本发明将无机高性能纤维浸泡于所述第一预浸渍液中，得到第一纤维浸料。在本发明中，所述无机高性能纤维包括玻璃纤维或玄武岩纤维。在本发明中，所述玻璃纤维的规格优选为4800g/1000m；所述玄武岩纤维的规格优选为4800g/1000m。本发明对所述浸泡的时间没有特殊要求，无机高性能纤维充分浸泡浸透即可。
41.得到第一纤维浸料后，本发明采用交错编织工艺将所述第一纤维浸料缠绕到电杆模型上，固化后形成内增强结构层。在本发明中，所述电杆模型的中间有轴，可以径向滚动旋转；所述电杆模型的内部设置有加热装置。
42.在本发明中，所述内增强结构层的厚度优选为所述无机高性能纤维复合材料电杆
厚度的55～60％。在本发明中，所述内增强结构层优选包括若干层从内而外、依次堆叠的纤维复合层；所述纤维复合层由第一纤维浸料采用交错编织工艺形成；每一层所述纤维复合层的厚度优选为1.5～2mm。在本发明的具体实施例中，采用交错编织工艺将所述第一纤维浸料缠绕到电杆模型上，形成纤维复合层；由内而外依次堆叠多层所述纤维复合层，固化后形成内增强结构层。
43.在本发明中，所述内增强结构层上的无机高性能纤维优选沿轴向30
°
～45
°
角方向成网状交错编织。在本发明中，所述内增强结构层上的无机高性能纤维的覆盖系数优选为72～78％，更优选为75％；所述无机高性能纤维编织内增强结构层时，织造张力优选为200～400n，更优选为313n。在本发明中，所述覆盖系数指无机高性能纤维的投影面积占无机高性能纤维复合材料电杆总面积的比例。本发明在交错编织过程中，保持纤维方向的一定张力，以确保内增强结构层各个方向上受力的均匀和连续，通过这种方式，电杆的抗弯能力、抗剪切能力都有了显著的提高。
44.本发明在采用交错编织工艺制备所述内增强结构层过程中，优选将所述第一预浸渍液中的气泡通过顺编织方向挤压排出，有效减小微观缺陷的发生。
45.在本发明中，所述固化的温度优选为135～165℃。
46.本发明将聚氨酯树脂和第二混合剂混合，得到第二预浸渍液。在本发明中，所述聚氨酯树脂在第二预浸渍液中的质量含量优选为82.1～85.7％，更优选为84％。在本发明中，所述第二混合剂包括促进剂、增韧剂、耐磨剂和抗紫外填料。在本发明中，所述促进剂优选为dmp-30；所述促进剂在第二预浸渍液中的质量含量优选为4.5～5.5％，更优选为4.9～5.2％。在本发明中，所述增韧剂优选为增韧树脂；所述增韧剂在第二预浸渍液中的质量含量优选为1.5～2.5％，更优选为2.0～2.3％。在本发明中，所述耐磨剂优选为聚偏氟乙烯树脂；所述耐磨剂在第二预浸渍液中的质量含量优选为2.5～3.5％，更优选为3.1～3.3％。在本发明中，所述抗紫外填料优选为2,4-二羟基二苯甲酮；所述抗紫外填料在第二预浸渍液中的质量含量优选为5.7～6.4％，更优选为5.8～6.0％。
47.在本发明中，所述聚氨酯树脂和第二混合剂混合优选在搅拌条件下进行。
48.得到第二预浸渍液后，本发明将所述第二预浸渍液涂覆到所述内增强结构层的外表面，形成第二预浸渍液湿膜，采用交错编织工艺将所述无机高性能纤维缠绕到所述第二预浸渍液湿膜上，固化后形成外增强防护层。在本发明中，所述外增强防护层的厚度优选为所述无机高性能纤维复合材料电杆厚度的25～30％。在本发明中，所述外增强防护层优选由多层逐层采用第二预浸渍液涂覆后再铺贴交错编织的无机高性能纤维组成。
49.在本发明中，所述外增强防护层上的无机高性能纤维优选沿轴向30
°
～45
°
角方向成网状交错编织。在本发明中，所述外增强防护层上的无机高性能纤维的覆盖系数优选为87～93％，更优选为90％；所述无机高性能纤维编织外增强防护层时，织造张力优选为50～100n，更优选为75n。本发明在交错编织外增强防护层过程中，保持纤维方向50～100n的微小张力，以确保外增强防护层在成型后可以耐受一定程度的形变，尤其是当玻璃纤维沿轴向45
°
角方向成网状交错编织时，稳定性最好，通过这种方式，电杆的抗弯能力、抗剪切能力都能具有显著的提高。
50.在本发明中，所述外增强防护层上的所述无机高性能纤维编织网格密度大于所述内增强结构层。
51.在本发明中，所述内增强结构层外侧固化后形成所述外增强防护层，在交错编织铺设的过程中，减小纤维方向的张力，以确保外增强防护层在成型后可以耐受一定程度的形变。与内增强结构层的成型工艺不同，外增强防护层的成型过程中，需要逐层涂覆预浸渍液并铺贴紧密交错编织的无机高性能纤维，在保证有一定的层间剪切力的同时，无机高性能纤维主材本体就形成了强度较大的防护界面，当复合材料电杆遭受一定强度的碰撞时，外增强防护层发生形变并释放大部分的冲击应力。外增强防护层与内增强结构层之间的预浸渍液材料硬化后也可作为缓冲材料继续卸压，最终得以保证内增强结构层不被破坏。该种工艺确保了其拥有较为显著的抗撞击以及被撞击后带病运行的能力。
52.本发明在采用交错编织工艺制备所述外增强防护层过程中，优选将所述第二预浸渍液中的气泡通过顺编织方向挤压排出，有效减小微观缺陷的发生。
53.在本发明中，所述固化的温度优选为135～165℃。
54.本发明将聚氨酯树脂、第三混合剂和防滑填料混合，得到第三预浸渍液。在本发明中，所述聚氨酯树脂在第三预浸渍液中的质量含量优选为78.1～82.7％，更优选为81.5％。在本发明中，所述第三混合剂包括促进剂、增韧剂、耐磨剂和抗紫外填料。在本发明中，所述促进剂优选为dmp-30；所述促进剂在第三预浸渍液中的质量含量优选为4.5～5.5％，更优选为4.8～5.0％。在本发明中，所述增韧剂优选为增韧树脂；所述增韧剂在第三预浸渍液中的质量含量优选为1.5～2.5％，更优选为1.8～2.2％。在本发明中，所述耐磨剂优选为聚偏氟乙烯树脂；所述耐磨剂在第三预浸渍液中的质量含量优选为2.5～3.5％，更优选为2.9～3.2％。在本发明中，所述抗紫外填料优选为2,4-二羟基二苯甲酮；所述抗紫外填料在第三预浸渍液中的质量含量优选为5.1～6.4％，更优选为5.8～6.0％。在本发明中，所述防滑填料在第三预浸渍液中的质量含量优选为3～4％，更优选为3.5％。在本发明中，所述防滑填料优选为石英砂和金刚砂；所述石英砂和金刚砂的质量比优选为0.8～1.2:1；所述防滑填料的平均直径优选小于5μm。
55.在本发明中，所述聚氨酯树脂、第三混合剂和防滑填料混合优选在搅拌条件下进行。
56.得到第三预浸渍液后，本发明将无机高性能纤维浸泡于所述第三预浸渍液中，得到第二纤维浸料。
57.得到第二纤维浸料后，本发明采用交错编织工艺将所述第二纤维浸料缠绕到所述外增强防护层的外表面，形成防滑层，固化后得到成型坯件。在本发明中，所述防滑层的厚度优选为所述无机高性能纤维复合材料电杆厚度的15～20％。
58.在本发明中，所述防滑层上的无机高性能纤维优选沿轴向45
°
～60
°
角方向成网状交错编织。在本发明中，所述防滑层上的无机高性能纤维的覆盖系数优选为12～18％，更优选为15％。
59.本发明在采用交错编织工艺制备所述防滑层过程中，优选将所述第三预浸渍液中的气泡通过顺编织方向挤压排出，有效减小微观缺陷的发生。
60.在本发明中，所述固化的温度优选为135～165℃。
61.在本发明中，所述无机高性能纤维复合材料电杆的制备方法是连续的，在交错编织过程中通过内部电杆模型加热，在缠绕过程中同步进行固化，在整体缠绕完成后对所得复合材料电杆进行二次固化，得到成型坯件。在本发明中，所述二次固化的温度优选为135
～165℃；所述二次固化的时间优选为2.5～3.5h。
62.得到成型坯件后，本发明去除所述成型坯件中的电杆模型，得到无机高性能纤维复合材料电杆。
63.在本发明中，所述内增强结构层、外增强防护层和防滑层均采用交错编织工艺加工成型，既能够解决现有电杆存在的挠度大、刚度低、生产效率不高、成型时气体无法有效排出而导致整体密度不稳定的问题；又能够解决使用过程中因内部存在气泡而导致的不耐磨损、由于微观缺陷造成局部酸蚀严重和老化、不耐撞击等问题。作为优选，本发明通过成型过程中对不同阶段的纤维编织密度(覆盖系数)、缠绕工艺的调整，形成完整、连续的生产节奏，进一步保证产品质量的稳定和性能的统一。
64.本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的无机高性能纤维复合材料电杆。在本发明中，所述无机高性能纤维复合材料电杆为空心管状；所述无机高性能纤维复合材料电杆的侧壁包括由内而外依次叠层设置的内增强结构层、外增强防护层和防滑层。在本发明中，所述无机高性能纤维复合材料电杆中无机高性能纤维的质量含量优选为77～82％，聚氨酯树脂的质量含量优选为13～17％。
65.下面将结合本发明中的实施例，对本发明中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。
66.实施例1
67.本实施例制备的无机高性能纤维复合材料电杆的示意图如图1所示，由内增强结构层1、外增强防护层2和防滑层3组成；所述无机高性能纤维复合材料电杆的制备方法为：
68.s1、将93kg聚氨酯树脂和7kg第一混合剂倒入容器中进行混合搅拌后形成第一预浸渍液；所述第一混合剂由5kg促进剂dmp-30和2kg增韧树脂组成；
69.将玻璃纤维放入所述第一预浸渍液中进行充分浸泡浸透，得到玻璃纤维浸料；
70.s2、将所述玻璃纤维浸料采用交错编织工艺缠绕到电杆模型上，固化后形成纤维复合层，所述内增强结构层1由多层从内而外依次堆叠的所述纤维复合层组成，所述内增强结构层1上的所述玻璃纤维沿轴向45
°
角方向成网状交错编织；所述玻璃纤维的覆盖系数为75％，所述玻璃纤维编织时，织造张力为313n；
71.s3、将84kg聚氨酯树脂和16kg第二混合剂倒入容器中进行混合搅拌后形成第二预浸渍液；所述第二混合剂由4.9kg促进剂dmp-30、2.3kg增韧树脂、3.1kg耐磨剂聚偏氟乙烯树脂和5.7kg抗紫外填料2,4-二羟基二苯甲酮组成；
72.将所述第二预浸渍液涂覆到所述内增强结构层1的外表面，然后将玻璃纤维采用交错编织工艺缠绕到所述第二预浸渍液上形成一层所述复合层，所述外增强防护层2由多层逐层采用第二预浸渍液涂覆后再铺贴交错编织的玻璃纤维的所述复合层组成，所述外增强防护层2上的所述玻璃纤维沿轴向45
°
角方向成网状交错编织，所述外增强防护层2上的所述玻璃纤维编织网格密度大于所述内增强结构层1；所述玻璃纤维的覆盖系数为90％，所述玻璃纤维编织时，织造张力为75n；
73.s4、将81.5kg聚氨酯树脂、15kg第三混合剂和3.5kg防滑填料石英砂、金刚砂倒入容器中进行混合搅拌后形成第三预浸渍液；所述第三混合剂由4.8kg促进剂dmp-30、2.2kg
增韧树脂、2.9kg耐磨剂聚偏氟乙烯树脂和5.1kg抗紫外填料2,4-二羟基二苯甲酮组成；所述防滑填料由石英砂和金刚砂组成；所述石英砂和金刚砂的质量比为1:1；
74.将玻璃纤维放入所述第三预浸渍液中进行充分浸泡浸透，得到玻璃纤维浸料；
75.将所述玻璃纤维浸料采用交错编织工艺缠绕到所述外增强防护层2外侧形成防滑层3，所述防滑层3由沿轴向45
°
角方向零星交错编织的玻璃纤维铺设而成，在交错编织过程中，固化后得到成型坯件；所述玻璃纤维的覆盖系数为15％；
76.所述内增强结构层1、外增强防护层2和防滑层3在采用交错编织工艺制备过程中将所述预浸渍液中的气泡通过顺编织方向挤压排出；
77.s5、将成型坯件从电杆模型上取下，得到无机高性能纤维复合材料电杆。
78.本实施例制备的无机高性能纤维复合材料电杆如图1所示，内增强结构层的厚度为10mm，外增强防护层的厚度为5mm，防滑层的厚度为3mm。
79.实施例2
80.与实施例1基本相同，不同之处仅在于，将所述“玻璃纤维”调整为“玄武岩纤维”。
81.对比例1
82.缠绕法制备的玻璃纤维复合材料电杆，参见专利cn201210071350.8一种纤维缠绕成型的复合材料电杆及其制造方法中的实施例3。
83.对比例2
84.缠绕法制备的玄武岩纤维复合材料电杆，参见专利cn202010874624.1一种玄武岩纤维复合材料电杆及其制备方法中的实施例1。
85.将对比例1～2和实施例1～2制备的复合材料电杆，在同样为12m杆、梢径190mm、承载力弯矩m级(280kn
·
m)条件下，分别取样并进行冲击韧性试验、轴向拉伸强度试验、轴向弯曲强度试验、轴向压缩强度试验，结果见表1。
86.表1对比例1～2和实施例1～2制备的复合材料电杆的性能
87.[0088][0089]
由表1可以看出，采用交错编织法制备的玻璃纤维复合材料电杆，相较于缠绕法制备的玻璃纤维复合材料电杆，冲击韧性提升了38.9％，轴向拉伸强度提升了11％，轴向弯曲强度提升了40.7％，轴向压缩强度提升了6.7％。
[0090]
采用交错编织法制备的玄武岩纤维复合材料电杆，相较于缠绕法制备的玄武岩纤维复合材料电杆，冲击韧性提升了14.4％，轴向拉伸强度提升了17.8％，轴向弯曲强度提升了15.8％，轴向压缩强度提升了18.8％。
[0091]
本发明通过交错编织工艺编织而成的复合材料电杆可以有效的解决现有复合电杆制作成型后所存在的问题，与单纯地径向螺旋式缠绕相比，交错编织方法可以同时在径向与轴向两个方向施加张力，借助聚氨酯树脂的结合，无机高性能纤维可以同时参与复合电杆在各个方向上的受力，从而使得复合材料电杆的刚度具有明显的提升。
[0092]
同时，与传统的制备工艺相比，交错编织工艺可以人为控制编织物的编织密度，通过设备的控制，可以实现聚氨酯树脂与无机高性能纤维之间的快速浸渍，与单纯缠绕或分层固化的工艺相比，交错编织的成型效率更高，且不良品率更低。因此，这种基于交错编织工艺的复合材料电杆无论从产品的性能、生产效率或合格率上，都有了明显的改善。
[0093]
另外，与传统的制备工艺相比，由于交错编织工艺可以使得纤维筋材的铺设更为致密，这种复合材料电杆拥有更强的抗剪切力、耐磨性和抗撞击能力。
[0094]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。