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1、天副科技TIAN JIAM TECHNOLOGY复合材料电缆芯棒拉挤专用设备（RTM-P连续注胶拉挤技术）简介西安天剑科技发展有限公司2012年5月8日1.概述随着全球经济快速增长，对电力需求也在不断地攀升，要求线路的传输容量越来越 大，对高性能传输导线的需求越来越迫切。近些年，中国和美国相关企业着手研发复合 材料芯导线，称之为 ACCC/TW (Aluminum Conductor Composite Core / Trapezoidal Wire)，图-1和图-2为该导线照片与剖视图。复合材料芯是由碳纤维、玻璃纤维以及环 氧树脂固化基体构成，生产工艺为传统的拉挤技术与设备。瓒璃纤篷套合材料
2、芯棒梯形铝线复合材料芯棒图-1 美国CTC公司ACCC/TW导线照片ACCC/TW复合材料芯导线与传统导线相比强度高、线损低、孤垂小、耐高温、截 流量大、质量轻、耐腐蚀等优点，是实现电力传输的节能、环保与安全的有效途径。使 用这种导线替代老线路可以在不改变线路走廊用地和塔架等条件下扩容50%左右，同 时，消除了传统导线由于钢芯带来的线路6%的磁电热效应损耗。因此，在输电线路中 推广应用新型复合材料芯导线具有重大的经济与社会效益。图-2 ACCC/TW导剖视图2.传统架空导线复合材料芯棒生产中存在的问题目前，中国和美国的相关企业生产ACCC/TW导线复合材料芯棒，依然是传统的复 合材料材FRP
3、(Fiber Reinforced Plastic)生产工艺，主要特点是开放式胶槽。生产工 艺过程为：纱架、集纱、除湿、开放胶槽浸胶、预成形(选项)、模具热固化、后固化、 牵引、收卷。在FRP的连续拉挤成形工艺中，多采用不饱和聚酯树脂，这种树脂的固化特点： 具有引发活化能低、引发温度低、收缩率大，这些特点非常适合FRP连续拉挤成形工 艺。而ACCC/TW导线复合材料芯棒采用环氧树脂体系，环氧树脂体系的固化剂一般为 酸酐类和胺类，这类固化剂引发活化能较高，需要吸收较多的热能才能达到凝胶固化的 程度，因此固化速度较慢；另外，由于树脂分子中环氧基是开环聚合反应，没有挥发性 副产物放出，环氧树脂固化基
4、体的收缩率明显小，环氧树脂固化收缩率仅1%-2%，而 不饱和聚酯树脂却高达7%-8%。环氧树脂体系的这两个特点加之开放式胶槽，使得ACCC/TW导线复合材料芯棒的 连续生产存在许多问题，甚至某些关键性能参数不达标。下面简单剖析一下，环氧树脂 固化体系的这两个特点及开放式胶槽，给我们带来的麻烦和问题： 2.1固化速度慢带来的麻烦和问题环氧树脂体系固化速度慢影响生产效率，要提高生产效率可由3个方面入手，如适 当提高固化温度、加长固化模具、增加促进剂。1) 提高温度对环氧树脂固化温度而言，模具固化点位置的温度一般设定在Tg温度附近，温度 再高一点会加快固化速度，但过高会影响树脂固化基体的力学性能。2
5、) 加长固化模具传统设备拉挤工艺中，模具长度在400mm900mm。针对环氧树脂基导线芯棒的 拉挤生产而言，其使用模具的长度在1200mm1500mm时，最佳性能与速度结合点可 以达到1000mm/min以上，但制造这样的模具难度大。3) 增加促进剂增加促进剂的比例的确有助于固化速度，但它也同时造成了胶的操作期的缩短，使 胶槽里的胶黏度很快变大，影响纤维浸胶质量。为了更好照顾操作期，促进剂的比例要 适当，因此，环氧树脂体系固化速度不允许太高。2.2固化基体收缩率低带来的麻烦和问题环氧树脂固化基体收缩率为1%-2%，不饱和聚酯树脂为7%-8%，相对而言前者拉 挤固化时模具内部压强要大大高于后者，
6、因此，给环氧树脂拉挤带来两个麻烦：1) 模具内压对固化物表面影响由于环氧树脂拉挤固化工艺模具内部压力大，造成环氧树脂凝胶固化区与模具内表 面的摩擦力加大，这就要求凝胶状态转变至固化状态的环氧树脂基体具有足够的抗剪切 能力，否则，在模具的这一区域环氧树脂固化物容易脱皮起粉末，严重时会造成堵模。2）模具内压对模具镀层影响原理同上，由于摩擦力大，模具内表面镀层容易磨损、脱落。从目前使用情况看， 现有模具对环氧树脂芯棒的拉挤生产不是很理想，镀铭层非常容易脱落。2.3开放式胶槽带来的麻烦和问题传统拉挤工艺中胶槽为开放式，或者说增强纤维的浸胶是在大气环境中完成的，这 种浸胶方式对环氧树脂拉挤而言有如下麻烦
7、和问题：1）胶槽容积胶槽容积的大小直接影响着胶液质量和操作期，从效果来讲胶槽容积越小越有利于 胶液的质量，但会增加添加胶液的次数，加大操作工人劳动量和出错的机率；如果胶槽 过大会导致胶液粘度随着时间而加大，从而影响纤维的浸胶质量乃至芯棒的性能，同时 也会造成模具内的树脂凝胶点前移，严重时会堵模。2）胶液回流开放式胶槽产生回流是不可避免的现象。浸了胶的纤维进入模具内势必被挤压出一 部分胶液返回胶槽（或浪费掉，该部分胶液占用较量的70%以上），从模具口返回到胶 槽的那部分胶液由于已被热模具加热，其温度比胶槽内的胶液温度要高，如此循环往复， 胶槽内的胶总体上温度会升高些，这也导致胶液的操作期缩短，胶
8、液黏度加大，影响浸 胶质量，进而影响芯棒的性能。3）纤维杂质架空导线复合材料芯棒的增强纤维有碳纤维和玻璃纤维，碳纤维在中心主要起承担 载荷的目的，玻璃纤维在表层主要起绝缘作用，结构参见图-2。在浸胶过程中，碳纤维 和玻璃纤维在各自的胶槽内和回流胶中存有少许含量的纤维杂质，在处理回流时或将纤 维杂质滤掉二次使用回流胶液，或将两种回流胶液直接用于碳纤胶槽（这样不影响绝缘 性能），回流的再次使用更加严重地影响胶液的质量和操作期。产生纤维杂质的主要原 因是胶槽内的排纱器和旋转压胶辊，再好的纤维也会有少许毛絮，这些毛絮绝大部分被 胶液粘在旋转压滚上越积越多，给操作人员带来麻烦，不小心也会酿成断纱停机的事
9、故。4）影响Tg架空导线复合材料芯棒的一个核心指标是耐热性能，既玻璃化转变温度（Tg）的高 低。目前，国内研发单位所选用的环氧树脂体系配方繁多，有进口、国产，各家配方特 性与性能各有不同。大部分配方的Tg或多或少受到开放式胶槽的影响，具体表现是随 生产时间的延续，芯棒的Tg前高后低，有时低到不可接受程度。3 .精密注胶拉挤芯棒生产工艺与设备上述传统芯棒生产设备存在的问题，有些通过树脂配方和结构设计调整可以解决， 如芯棒表面不光滑起粉末、结构性力学性能差等问题；而其他的问题均与设备的胶槽有 关，所以，解决问题的重点也要从胶槽开始。综合来看，传统拉挤工艺中的胶槽随着时 间延长导致环氧树脂胶质量越来
10、越差，换言之，环氧树脂胶越来越不新鲜，影响芯棒质 量；另一方面胶槽的排纱器、压胶辊严重损伤玻纤和碳纤，使毛絮脱落到胶液中，并却 大量纱线被压胶辊缠绕造成麻烦。既然胶槽带来这么多问题和麻烦，干脆就不使用胶槽， 这一点也正是本工艺设备的核心之处，即采用 RTM连续注胶拉挤(RTM-P，Resin Transfer Molding -Pultrusion)方式，这种方法不仅可以保持胶的随时新鲜，又不损伤 纤维纱线。因此将设备命名为：“精密连续注胶拉挤芯棒生产设备”。3.1精密注胶拉挤芯棒生产工艺就目前来看，RTM连续注胶拉挤架空导线复合材料芯棒生产工艺，在该行业内都 将是一次革命性的改进。核心技术是
11、“取掉传统胶槽，采用精密连续注胶”。1) 工艺过程碳纤维和玻璃纤维在牵引装置的作用下，纱线束经过集纱器、除湿箱，进入密闭浸 胶装置，装置内有两个独立通道，一个走碳纤，一个走玻纤，浸好胶后通过预成型再直 接进入与装置同样密闭相连的固化模具中热固化定型，定型的芯棒从固化模具出来后进 入后固化箱，然后由牵引机导出输送给收卷机。这就是无胶槽精密连续注胶的基本过程。 另外，单独解释一下密闭浸胶装置工作过程：密闭浸胶装置内的胶液供给，是由一台精 密自动控制的连续注胶机实现，保障装置内的胶液实时新鲜充裕。图-3为无胶槽RTM-P 连续注胶拉挤芯棒生产工艺流程图。2) 精密连续注胶原理碳纤维和玻璃纤维(或布带
12、或编织层)通过各自通道进入封闭式浸胶装置，浸胶 后由预成形机构将碳纤维和玻璃纤维按设计要求定位，然后进入固化模具成型。为了使封闭式浸胶装置内的碳纤维、玻璃纤维（或编织层或布带）有更好的浸润效果，RTM 精密连续注胶机将胶液注入封闭式浸胶装置之前进行胶液加热，这样胶液黏度会大 大降低有利于浸润纱线。同时，由于胶液处于较高的温度，进入固化模具后有助于快 速均匀固化；另外，要保持封闭式浸胶装置内的胶液实时充裕，RTM精密连续注胶 机采用自动平衡压力注胶，这样既保障了胶液充裕，又增加了纤维纱线的浸润效果。采用RTM-P连续注胶拉挤工艺对布带或纤维编织包敷层的实现更为容易，摈弃了传 统编织浸胶方式，大大
13、减便工艺过程、提高工作效率。功能原理图参见图-4、-5、-6。玻璃纤舱51111b rC E0.5-111封闭浸胶装置卜纤维蝙织或： .而带苗匿层.固化模其f-后固化箱牵引收卷碳纤维111_D C1 111111f1妙架1I图-3无胶槽RTM-P连续注胶拉挤芯棒生产工艺流程图3）精密连续注胶工艺带来的好处P旧P精密注胶连续拉挤工艺与传统开放式胶槽拉挤工艺相比，从结构特征上看，最 大的特点是没有胶槽。由于去掉了胶槽，给架空导线环氧树脂基拉挤芯棒的生产带来许 多好处，并解决掉前面提到的诸多问题。具体优点如下：a. 芯棒性能全程一致由于浸胶过程实时都是新鲜胶液，不存在操作期的问题。因此，芯棒的性能从
14、生产 开始到结束（如1m5000m长度范围内），其力学性能（抗拉强度、绕曲率等关键参数）、 耐热性能（Tg）等均保持一致，不会随时间变化而性能起伏。b. 不需要人工混胶传统工艺中需要人工混胶、向胶槽倒胶、清洗胶槽等诸多环节，给操作人员带来不 便，而且容易出错。采用RTM精密连续注胶，就不需要混胶、倒胶着两个环节，将环氧 树脂AB两个组份胶液罐分别灌满即可，通过各自的泵按设计流量比例泵入静态混合器， 再注入封闭式浸胶装置中。精密连续注胶系统（包括封闭式浸胶装置）的清洗有专门自 动清洗系统完成，人工参与清洗工作量较小。清洗方式有专用清洗液和气体吹除两种并 用。c. 不伤纱由于没有排纱器和压胶辊，纤
15、维束不会受到损伤，同时也大大降低了胶液内的纤维 杂质含量。d. 浸胶效果好由于胶液是高温高压注入封闭式浸胶装置中，浸润效果远好于开放式胶槽常压浸 胶，保障了芯棒的内部质量；同时，封闭注胶没有胶液溢出，胶液利用率100%，对于 传统方式而言可以节约大量用胶成本。e. 提高拉挤速度由于胶液是高温高压注入封闭式浸胶装置中，这将有利于胶液在固化模具内的快速 凝胶和固化。将模具设计成1500mm时，可以实现拉挤速度1000mm/min以上。封闭式浸胶装置玻璃纤维|A碳纤维nni玻璃纤维|A碳纤缝浸胶逋道玻纤浸胶通道精密连续注胶机图-4单向纱RTM连续注胶系统原理图碳纤维图-5布带包裹层RTM连续注胶系统原理图3.2精密连续注胶拉挤芯棒生产设备构成传统的架空导线芯棒生产设备有：纱架、集纱器、除湿箱、开放胶槽
