專(zhuān)利名稱：一種高韌性聚氨酯復(fù)合絕緣子芯棒及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力電網(wǎng)輸電線路用絕緣子芯棒領(lǐng)域，具體涉及一種高韌性聚氨酯復(fù)合絕緣子芯棒及其制備方法。
背景技術(shù)：
復(fù)合絕緣子是一種性能優(yōu)異的絕緣控件，在架空輸電線路中起到重要作用，復(fù)合絕緣子主要包括部分樹(shù)脂基復(fù)合材料芯棒、合成材料護(hù)套、金具和硅橡膠傘套，其中芯棒起到內(nèi)絕緣和傳遞機(jī)械負(fù)荷的作用，硅橡膠傘套起外絕緣作用，金具起兩端連接的作用，其中芯棒作用最為重要。芯棒有實(shí)心芯棒和空心芯棒兩種，其中實(shí)心芯棒又包括懸掛復(fù)合絕緣子、柱式復(fù)合絕緣子和彎壁復(fù)合絕緣子。復(fù)合絕緣子具有重量輕，便于安裝；機(jī)械強(qiáng)度高， 不易破碎；抗震性能優(yōu)異，耐污性能好的優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)有的復(fù)合絕緣子芯棒普遍采用樹(shù)脂/玻璃纖維復(fù)合材料，經(jīng)過(guò)連續(xù)拉擠工藝制造而成。連續(xù)拉擠工藝包括導(dǎo)紗工序、在經(jīng)牽引機(jī)牽引浸膠單元浸膠、在成型模具加熱成型、二次表面固化去、連續(xù)拉擠出模。其中，纖維由絲筒經(jīng)導(dǎo)紗機(jī)構(gòu)進(jìn)入膠槽浸膠，浸膠后的纖維進(jìn)入熱的模具中固化出模；在固化成型過(guò)程中，熱量是通過(guò)模壓機(jī)熱板傳送到固定形狀的模具上。這種芯棒存在一個(gè)方向的玻纖受力，從而使芯棒拉伸強(qiáng)度高，而彎曲性能較差。玻璃纖維復(fù)合材料芯棒彎曲性能較差，易斷折的問(wèn)題主要原因是樹(shù)脂材料的脆性較大，韌性不足引起，目前普遍采用的環(huán)氧樹(shù)脂和聚酯材料均有此類(lèi)問(wèn)題發(fā)生，因此我國(guó)復(fù)合絕緣子芯棒不能水平使用，嚴(yán)禁踩踏，這些大大限制了復(fù)合絕緣子的應(yīng)用空間。例如2011 年的一件新申請(qǐng)，申請(qǐng)?zhí)枮镃N201110041482. 1、發(fā)明名稱為“免維護(hù)高壓懸式絕緣子”的發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)，即公開(kāi)了一種懸式絕緣子，懸式絕緣子對(duì)彎曲性能的要求不高。為解決上述芯棒存在的問(wèn)題，可以在制備工藝和成分改進(jìn)兩方面對(duì)芯棒的韌性進(jìn)行改善。工藝改善方面，申請(qǐng)?zhí)枮镃N200710019143. 7，發(fā)明名稱為“一種有機(jī)復(fù)合絕緣子芯棒的制造方法”的專(zhuān)利，為了解決φ18芯棒橫向的耐熱強(qiáng)度達(dá)不到有機(jī)復(fù)合絕緣子硫化工藝的要求，公開(kāi)了一種動(dòng)態(tài)真空浸膠拉擠工藝，該工藝可提高絕緣芯棒橫向的耐熱下的保留強(qiáng)度值，保證芯棒的橫向的耐熱強(qiáng)度。其工藝步驟為a.將分散的玻纖紗輸送至一個(gè)盛有樹(shù)脂膠的膠槽中進(jìn)行第一次浸膠；b.將第一次浸膠后的玻纖紗輸送至一個(gè)前后分別開(kāi)有進(jìn)紗、出紗口的封閉箱體中進(jìn)行抽真空預(yù)成型；c.將抽真空預(yù)成型的玻纖紗輸送至拉擠模具，經(jīng)拉擠模具擠壓變?yōu)槌尚托景?；d.將成型芯棒通過(guò)一個(gè)固化加熱裝置固化后，輸送至切割機(jī)，最后切斷成所需要的長(zhǎng)度的芯棒產(chǎn)品，其中的樹(shù)脂材料包括環(huán)氧樹(shù)脂和聚酯材料; 此工藝制得芯棒的橫向力學(xué)性能提高10-30%。工藝在真空下進(jìn)行，生產(chǎn)過(guò)程需要對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行密封抽真空，這對(duì)芯棒的大規(guī)模生產(chǎn)有一定的阻礙。又如申請(qǐng)?zhí)枮镃N20051004^03. 4、發(fā)明名稱為“用玻璃纖維浸漬樹(shù)脂基纏繞式復(fù)合絕緣子芯棒及制備方法”的發(fā)明專(zhuān)利，提供一種電力電網(wǎng)輸電線路高壓用芯棒，該發(fā)明專(zhuān)利采用外層纏繞玻纖提高絕緣子芯棒彎曲性能，樹(shù)脂采用環(huán)氧樹(shù)脂。
3CN 102504523 A
說(shuō)明書(shū)
2/5頁(yè) 要更為有效的解決芯棒彎曲性能較差，易斷折的問(wèn)題，在成分設(shè)計(jì)方面，開(kāi)發(fā)高韌性樹(shù)脂體系是一條有效途徑，且芯棒成分的改善不會(huì)增加制備工藝難度。目前，針對(duì)高韌性樹(shù)脂制作的復(fù)合絕緣子芯棒，尚未見(jiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種高韌性聚氨酯復(fù)合絕緣子芯棒及其制備方法，在保證芯棒抗拉強(qiáng)度的前提下，芯棒韌性提高，可以有效解決復(fù)合絕緣子芯棒只能懸式使用的問(wèn)題， 水平放置的芯棒在承受人體重量的鉛垂載荷時(shí)不折斷；本發(fā)明的制備方法可實(shí)現(xiàn)快速生產(chǎn)。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為一種高韌性聚氨酯復(fù)合絕緣子芯棒，其改進(jìn)之處在于所述芯棒的材料為聚氨酯樹(shù)脂和玻璃纖維復(fù)合材料；所述聚氨酯樹(shù)脂為化學(xué)計(jì)量配比的異氰酸酯和聚醚多元醇，所述異氰酸酯為選自二苯甲烷二異氰酸酯、二苯甲烷二異氰酸酯的聚合物異構(gòu)體中的一種或兩種；所述玻璃纖維包括無(wú)捻玻璃纖維或無(wú)緯玻纖布。其中聚氨酯樹(shù)脂中引入擴(kuò)鏈劑，所述擴(kuò)鏈劑為任意選自丙三醇、三羥基甲基丙烷、有機(jī)硅或聚酰亞胺環(huán)中的一種或多種。其中至少一種所述聚醚多元醇的官能度為3。其中所述無(wú)捻玻璃纖維的絲束為3k-4^。其中所述無(wú)捻玻璃纖維的絲束為1 或Mk。一種制備如權(quán)利要求1所述芯棒的方法，其改進(jìn)之處在于所述方法包括如下步驟1)將異氰酸酯和聚醚多元醇100°C -120°C真空脫水3_4h，擴(kuò)鏈劑80°C _10(TC真空脫水2-3h ；2)過(guò)量的異氰酸酯中高速攪拌加入聚醚多元醇形成A組分，真空脫氣3-5分鐘，；3)擴(kuò)鏈劑，聚醚多元醇和填料高速攪拌混合后形成B組分，其中填料為有機(jī)累托石或納米二氧化鈦；4)真空混料設(shè)備真空度為-0. IMpa, A，B組分在混料設(shè)備中快速混合3_5分鐘；5)將玻璃纖維進(jìn)行除塵、防潮處理后平鋪于溫度為的可冷卻膠槽底部，其中除潮溫度為110°C -130°C，膠槽溫度為3°C -80C ；6)除穿紗孔外，膠槽內(nèi)為密封結(jié)構(gòu)，通入一定正壓力惰性氣體進(jìn)行保護(hù)；7)A，B組分混合均勻后，聚氨酯樹(shù)脂從真空混料設(shè)備出料口加入鋪有玻璃纖維的膠槽，為加速聚氨酯快速浸潤(rùn)玻璃纖維表面，膠槽底部放置高頻機(jī)械振動(dòng)發(fā)生裝置，振動(dòng)頻率為 300-500Hz ；8)將步驟7中經(jīng)浸漬的玻璃纖維勻速牽引通過(guò)芯棒成型模具和高溫固化箱；其中牽引速度為l_3m/min，成型模具長(zhǎng)度為0. 5-lm，溫度為120_180°C，高溫固化箱長(zhǎng)度為3-5m，溫度為120°C _160°C。其中所述牽引速度優(yōu)選1. 5-2m/min。
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其中所述高溫固化箱的溫度優(yōu)選130°C -150°C。由于采用了上述技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果包括1)該芯棒在滿足現(xiàn)有芯棒的基體要求外，還具有韌性高，抗彎折能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明用于制備芯棒的材料為聚氨酯/玻璃纖維復(fù)合材料，聚氨酯/玻璃纖維復(fù)合材料缺口試樣簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度(錘7. 5J)為140-170KJ/m2之間，而傳統(tǒng)的芯棒制備材料環(huán)氧樹(shù)脂/玻璃纖維，其缺口試樣簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度(錘7. 5J)為80-110KJ/m2之間，采用聚氨酯/玻璃纖維復(fù)合材料制備的芯棒，具有高韌性，抗彎折能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)；2)耐高溫性能優(yōu)良，為了提高芯棒材料聚氨酯樹(shù)脂的耐高溫性能，在聚氨酯中引入內(nèi)聚能較高，熱穩(wěn)定性較好的有機(jī)雜環(huán)基團(tuán)或擴(kuò)鏈劑，主要包括丙三醇、三羥基甲基丙烷，有機(jī)硅或聚酰亞胺環(huán)等基團(tuán)；3)疲勞壽命長(zhǎng)，聚氨酯復(fù)合材料芯棒在90%靜應(yīng)力水平下經(jīng)歷1*109機(jī)械疲勞之后，沒(méi)有發(fā)生機(jī)械性能衰減，可視為無(wú)限疲勞壽命。4)生產(chǎn)速度快，利于工業(yè)化生產(chǎn)本發(fā)明制備方法中通過(guò)對(duì)成型模具和固化成型裝置長(zhǎng)度的合理設(shè)計(jì)，配合成型溫度和固化溫度，使得牽引裝置的牽引速度達(dá)到l-3m/min，相比于傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝中小于Im/ min的牽引速度，本發(fā)明制備方法的生產(chǎn)效率顯著提高。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種高韌性聚氨酯樹(shù)脂/玻璃纖維復(fù)合絕緣子芯棒制備技術(shù)，該芯棒滿足現(xiàn)有芯棒的基體要求外，還具有韌性高，抗彎折能力強(qiáng)，疲勞壽命長(zhǎng)，生產(chǎn)速度快等特點(diǎn)。其中復(fù)合絕緣子芯棒采用聚氨酯樹(shù)脂/玻璃纖維材料，材料的具體組分如下。聚氨酯樹(shù)脂包括異氰酸脂組分二苯甲烷二異氰酸酯、二苯甲烷二異氰酸酯的聚合物異構(gòu)體及他們的組合；至少一種官能度為3的聚醚多元醇，二者為化學(xué)劑量配比。為了提高聚氨酯樹(shù)脂的耐高溫性能，需要在聚氨酯中引入內(nèi)聚能較高，熱穩(wěn)定性較好的有機(jī)雜環(huán)基團(tuán)或擴(kuò)鏈劑，主要包括丙三醇、三羥基甲基丙烷，有機(jī)硅或聚酰亞胺環(huán)等基團(tuán)。玻璃纖維可采用高強(qiáng)度耐酸無(wú)捻玻璃纖維或無(wú)緯玻纖布，無(wú)捻纖維絲束數(shù)可采用 3k-48k，最好采用1 或者M(jìn)k。纖維布可采用單層或雙層在單向無(wú)捻纖維布外層進(jìn)行纏繞成型。成型模具表面通過(guò)化學(xué)氣相沉積工藝制備了類(lèi)金剛石耐磨自潤(rùn)滑涂層，因此可以不使用脫模劑。其中類(lèi)金剛石的每個(gè)原子都以SP3雜化軌道與另外的原子形成共價(jià)鍵，具有與金剛石相類(lèi)似的正四面體結(jié)構(gòu)。類(lèi)金剛石具有很高的硬度、高導(dǎo)熱性、高絕緣性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、從紅外到紫外的高光學(xué)透過(guò)率等。復(fù)合絕緣子芯棒采用復(fù)合材料拉擠工藝制備而成。經(jīng)過(guò)除塵、除潮處理的玻璃纖維平鋪于膠槽底部，聚氨酯樹(shù)脂經(jīng)過(guò)精確計(jì)量真空混料設(shè)備按照雙組分質(zhì)量配比進(jìn)行快速混合后，經(jīng)過(guò)出料口進(jìn)入膠槽浸漬玻璃纖維。充分浸漬的玻璃纖維在牽引裝置的牽引下勻速通過(guò)加熱后芯棒成型模具，然后再經(jīng)過(guò)高溫固化箱進(jìn)行后固化處理。
玻璃纖維除潮溫度為110°C -130°C ；牽引速度為1-3米/分鐘，最好選擇1. 5米到2米/分鐘；成型模具長(zhǎng)度為0. 5到1米，成型模具溫度為120-150°C ；高溫固化箱長(zhǎng)度為3-5米，溫度可取100°C到160°C之間，最好選擇130°C到 140 "C。[實(shí)施例1]本實(shí)施例的聚氨酯/玻璃纖維絕緣子芯棒制備工藝為聚胺酯原料采用4，4_ 二苯甲烷二異氰酸酯(MDI)聚醚多元醇，110度真空脫水3 小時(shí)，交聯(lián)擴(kuò)鏈劑采用三羥基甲基丙烷，90度真空脫水池。真空混料設(shè)備中加入過(guò)量的4， 4- 二苯甲烷二異氰酸酯，攪拌下加入聚醚多元醇反應(yīng)0. 5h形成A組分，真空脫氣，再將聚醚多元醇，交聯(lián)擴(kuò)鏈劑三羥基甲基丙烷均勻脫氣后混成形成B組分，AB兩者混合3分鐘后從出料口進(jìn)入膠槽，膠槽溫度冷卻保持5°C低溫狀態(tài)，玻璃纖維在振動(dòng)膠槽中經(jīng)過(guò)充分浸漬后，由牽引裝置快速引入170°C，直徑18mm的成型模具內(nèi)進(jìn)行固化成型，然后通過(guò)160°C高溫后處理提高固化度。[實(shí)施例2]本實(shí)施例的聚氨酯/玻璃纖維絕緣子芯棒制備工藝為聚胺酯原料采用4-4 二環(huán)己基甲烷二異氰酸酯，聚醚多元醇，110度真空脫水3. 5 小時(shí)，交聯(lián)擴(kuò)鏈劑采用丙三醇，90度真空脫水2.證。真空混料設(shè)備中加入過(guò)量的4-4 二環(huán)己基甲烷二異氰酸酯，攪拌下加入聚醚多元醇反應(yīng)0. 2h形成A組分，真空脫氣，再將聚醚多元醇，交聯(lián)擴(kuò)鏈劑丙三醇均勻脫氣后混成形成B組分，AB兩者混合4分鐘后從出料口進(jìn)入膠槽，膠槽溫度冷卻保持8°C低溫狀態(tài)，24k玻璃纖維在振動(dòng)膠槽中經(jīng)過(guò)充分浸漬后，由牽引裝置快速引入180°C，直徑24mm的成型模具內(nèi)進(jìn)行固化成型，然后通過(guò)120°C高溫后處理提高固化度。[實(shí)施例3]本實(shí)施例的聚氨酯/玻璃纖維絕緣子芯棒制備工藝為聚胺酯原料采用1-4反式環(huán)己烷二異氰酸酯，聚醚多元醇，110度真空脫水4小時(shí)， 交聯(lián)擴(kuò)鏈劑采用丙三醇，90度真空脫水池。真空混料設(shè)備中加入化學(xué)劑量的1-4反式環(huán)己烷二異氰酸酯，氮?dú)獗Ｗo(hù)，攪拌下加入聚醚多元醇反應(yīng)30分鐘，真空脫氣，再將聚醚多元醇，填料納米二氧化鈦和擴(kuò)鏈劑均勻脫氣后，兩者混合5分鐘后從出料口進(jìn)入膠槽，膠槽溫度可用冷卻液保持10°C低溫狀態(tài)，1 無(wú)捻玻璃纖維再膠槽中經(jīng)過(guò)充分浸漬，外面再由單層無(wú)緯玻纖布預(yù)浸料進(jìn)行纏繞包裹后，由牽引裝置快速引入120°C，直徑^mm的成型模具內(nèi)進(jìn)行固化成型，然后通過(guò)140°C高溫后處理提高固化度。聚氨酯/玻璃纖維復(fù)合材料缺口試樣簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度(錘7. 5J)為140_170KJ/m2 之間，而傳統(tǒng)的芯棒制備材料環(huán)氧樹(shù)脂/玻璃纖維，其缺口試樣簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度(錘7. 5J) 為80-110KJ/m2之間，采用聚氨酯/玻璃纖維復(fù)合材料制備的芯棒，具有高韌性，抗彎折能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。上述3個(gè)實(shí)施例中制備得到的芯棒，放置于水平地面，體重為50_100kg的人站立與芯棒上，芯棒不會(huì)折斷，表面本發(fā)明方法制備的芯棒相比于傳統(tǒng)芯棒具有高韌性。此處已經(jīng)根據(jù)特定的示例性實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述。對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)在不脫離本發(fā)明的范圍下進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶鎿Q或修改將是顯而易見(jiàn)的。示例性的實(shí)施例僅僅是例證性的，而不是對(duì)本發(fā)明的范圍的限制，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種高韌性聚氨酯復(fù)合絕緣子芯棒，其特征在于所述芯棒的材料為聚氨酯樹(shù)脂和玻璃纖維復(fù)合材料；所述聚氨酯樹(shù)脂為化學(xué)計(jì)量配比的異氰酸酯和聚醚多元醇，所述異氰酸酯為選自二苯甲烷二異氰酸酯、二苯甲烷二異氰酸酯的聚合物異構(gòu)體中的一種或兩種；所述玻璃纖維包括無(wú)捻玻璃纖維或無(wú)緯玻纖布。
2.如權(quán)利要求1所述的一種高韌性聚氨酯復(fù)合絕緣子芯棒，其特征在于聚氨酯樹(shù)脂中引入擴(kuò)鏈劑，所述擴(kuò)鏈劑為任意選自丙三醇、三羥基甲基丙烷、有機(jī)硅或聚酰亞胺環(huán)中的一種或多種。
3.如權(quán)利要求1所述的一種高韌性聚氨酯復(fù)合絕緣子芯棒，其特征在于至少一種所述聚醚多元醇的官能度為3。
4.如權(quán)利要求1所述的一種高韌性聚氨酯復(fù)合絕緣子芯棒，其特征在于所述無(wú)捻玻璃纖維的絲束為3k-4^i。
5.如權(quán)利要求4所述的一種高韌性聚氨酯復(fù)合絕緣子芯棒，其特征在于所述無(wú)捻玻璃纖維的絲束為1 或Mk。
6.一種制備如權(quán)利要求1所述芯棒的方法，其特征在于所述方法包括如下步驟1)將異氰酸酯和聚醚多元醇100°c-120°c真空脫水3-4h，擴(kuò)鏈劑80°C _10(TC真空脫水 2-3h ；2)過(guò)量的異氰酸酯中高速攪拌加入聚醚多元醇形成A組分，真空脫氣3-5分鐘，；3)擴(kuò)鏈劑，聚醚多元醇和填料高速攪拌混合后形成B組分，其中填料為有機(jī)累托石或納米二氧化鈦；4)真空混料設(shè)備真空度為-0.IMpa, A，B組分在混料設(shè)備中快速混合3_5分鐘；5)將玻璃纖維進(jìn)行除塵、防潮處理后平鋪于溫度為的可冷卻膠槽底部，其中除潮溫度為 110°C _130°C，膠槽溫度為 3°C -80C ；6)除穿紗孔外，膠槽內(nèi)為密封結(jié)構(gòu)，通入一定正壓力惰性氣體進(jìn)行保護(hù)；7)A，B組分混合均勻后，聚氨酯樹(shù)脂從真空混料設(shè)備出料口加入鋪有玻璃纖維的膠槽， 為加速聚氨酯快速浸潤(rùn)玻璃纖維表面，膠槽底部放置高頻機(jī)械振動(dòng)發(fā)生裝置，振動(dòng)頻率為 300-500Hz ；8)將步驟4中經(jīng)浸漬的玻璃纖維勻速牽引通過(guò)芯棒成型模具和高溫固化箱；其中牽引速度為l-3m/min，成型模具長(zhǎng)度為0. 5-lm，溫度為120-180°C，高溫固化箱長(zhǎng)度為3-5m，溫度為120°C _160°C。
7.如權(quán)利要求7所述的一種復(fù)合絕緣子芯棒的制備方法，其特征在于所述牽引速度優(yōu)選 1. 5-2m/min。
8.如權(quán)利要求7所述的一種復(fù)合絕緣子芯棒的制備方法，其特征在于所述高溫固化箱的溫度優(yōu)選130°C _150°C。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高韌性聚氨酯復(fù)合絕緣子芯棒及其制備方法，屬于電力電網(wǎng)輸電線路用絕緣子芯棒領(lǐng)域。芯棒采用快速拉擠工藝制備，在保證抗拉強(qiáng)度的前提下，韌性提高，可以有效解決復(fù)合絕緣子芯棒只能懸垂式使用、施工人員不能踩踏的問(wèn)題。本發(fā)明芯棒力學(xué)性能、電學(xué)性能滿足實(shí)際應(yīng)用的前提下，具有成型速度快，生產(chǎn)效率高，抗老化性能好，疲勞壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，可以降低絕緣子芯棒脆性斷裂事故發(fā)生率，并擴(kuò)展復(fù)合絕緣子在輸電線路耐張串中的應(yīng)用。
文檔編號(hào)C08K7/00GK102504523SQ201110344428
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月3日
發(fā)明者何州文, 蘭逢濤, 劉輝, 張卓, 陳新 申請(qǐng)人:中國(guó)電力科學(xué)研究院