一种大直径芯棒及其制备方法

文献发布时间：2023-06-19 11:40:48

技术领域

本发明属于材料化工技术领域，特别涉及一种大直径芯棒及其制备方法。

背景技术

支柱绝缘子是变电站、换电交流站必不可少的绝缘配件，对电力工程的建设和运行有重要影响。支柱绝缘子主要由硅橡胶伞裙护套、玻璃钢芯棒及端部金具三部分组成，其中芯棒一般为玻璃纤维增强环氧树脂复合材料。与普通小直径芯棒不同，支柱复合大直径芯体材料和工艺存在显著差异，主要有以下不同：其一，大直径芯体内部存在微观界面，工艺如果不合理芯体一出现界面缺陷导致的绝缘劣化，进而导致支柱绝缘子运行故障；其二，玻璃纤维与环氧树脂基体的热膨胀系数不匹配会造成界面局部应力集中并最终会导致界面微裂纹的产生，这些微裂纹为氧气进入复合材料内部提供路径，从而加快的复合材料中树脂基体的氧化降解速率；其三，在湿热老化过程中，芯棒材料中的树脂基体与玻璃纤维溶胀不匹配，使得玻纤与树脂基体间产生内应力，进而导致玻纤/树脂界面出现脱粘。

申请公布号为CN104952565A的中国发明专利公开了一种大直径多芯组合芯棒的制作方法，包括以下步骤：一、根据所要制作的大直径多芯组合芯棒的设计要求对单芯芯棒进行选取，然后对所选取的单芯芯棒进行预处理；二、制备胶液；三、将预处理后的芯棒装入注射成型机的模具中预热，然后将胶液预热后注射入预热后的模具中，保温后得到成型品；四、将成型品进行后固化处理，得到大直径多芯组合芯棒。采用本发明制作的多芯组合芯棒由多根单芯芯棒集束组合后，再采用胶液注射成型而成，所制芯棒的截面直径在170mm以上，属于大直径范畴，并且其性能优异，满足复合绝缘子用芯棒的相关技术要求。

采用上述方法制备的大直径芯棒，其中的单芯芯棒与胶液之间的粘合界面大，在高温高湿的条件下，容易出现单芯芯棒与固化后的胶液之间热膨胀速率和溶胀速率不匹配的情况，导致界面产生裂纹，氧气和水汽容易侵入芯棒内部，加快芯棒老化，从而导致该大直径芯棒实用寿命短。

发明内容

本发明的目的是提供一种大直径芯棒，具有韧性强、使用寿命长、电性能好的效果。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：由以下质量份计原料制备而成，包括玻璃纤维75～82份，环氧树脂20份，酸酐固化剂5～12份，增韧剂1～3份、乙烯基苯并二氧杂环戊烯1～3份，和引发剂0.5～2份，所述玻璃纤维采用浸润剂进行预处理。

本发明的进一步设置为：所述环氧树脂为脂肪族环氧化烯烃树脂。

本发明的进一步设置为：所述引发剂包括过氧化苯甲酰和N，N-二甲基苯胺。

本发明的进一步设置为：所述引发剂还包括纳米过渡金属氧化物。

本发明的进一步设置为：所述增韧剂为海岛型增韧改性剂。

本发明的进一步设置为：所述浸润剂由A组分和B组分反应制得，所述A组分包括有机酸和过氧化物，B组分为不饱和脂肪酸甲酯。

本发明的进一步设置为：按质量份计，所述原料还包括1～2份消泡剂。

本发明的进一步设置为：所述大直径芯棒半径为150～280mm。

一种大直径芯棒制备方法，包括以下步骤：

S1、环氧树脂胶液配置：将环氧树脂20份、固化剂5～12份、增韧剂1～3份、引发剂0.5～2份、乙烯基苯并二氧杂环戊烯5～10份和消泡剂1～2份在40～60℃条件下搅拌混合均匀，将搅拌好的环氧树脂胶液放入真空-压力浸渍炉中抽真空30min去除胶液中的气泡；

S2、玻璃纤维预处理：在浸润槽内加入有机酸和过氧化物，将玻璃纤维在浸润槽内浸泡10～30min，然后在浸润槽内添加不饱和脂肪酸甲酯，混合均匀后反应20～30min，将预处理后的玻璃纤维取出晾干；

S3、挤拉成型：将预处理后的玻璃纤维通过穿丝板排列好后，浸入环氧树脂浸胶槽中，在牵伸机的牵引下浸胶后的玻璃纤维进入模具中固化成型，牵伸机牵引速度为0.5～1m/h，固化温度为110～170℃；

S4、切割：将固化成型后的大直径芯棒按需求切割、包装，即得成品大直径芯棒。

本发明的有益效果是：

1.乙烯基苯并二氧杂环戊烯与环氧树脂相容性好，可与环氧树脂充分混合，环氧树脂加热固化过程中，在引发剂的作用下，乙烯基苯并二氧杂环戊烯可发生开环反应，使自身体积增大，可补偿环氧树脂固化过程中产生的收缩，避免环氧树脂在因固化收缩与玻璃纤维之间产生间隙，增强环氧树脂与玻璃纤维的粘接强度。

2.乙烯基苯并二氧杂环戊烯可在环氧树脂中引入苯基，苯环结构可赋予环氧树脂优异的耐热性，提高大直径芯棒的热性能。

3.采用浸润剂对玻璃纤维进行预处理，玻璃纤维浸润过程中首先加入有机酸和过氧化物，对玻璃纤维表面进行蚀刻，使玻璃纤维表面形成孔隙，然后在浸润剂内加入不饱和脂肪酸甲酯，不饱和脂肪酸甲酯与有机酸和过氧化物反应生成环氧脂肪酸甲酯，可在玻璃纤维表面引入活性基团，有利于增强玻璃纤维与环氧树脂的界面结合力；且环氧脂肪酸甲酯与脂肪族环氧化烯烃树脂结构相似，相容性好，添加脂肪族环氧化烯烃树脂内在不会破坏其韧性、电性能等特性。

4.乙烯基苯并二氧杂环戊烯可发生开环聚合反应，补偿环氧树脂固化过程中的产生的收缩外，还能使环氧树脂体积进一步膨胀，使其嵌入玻璃纤维表面的孔隙内，增强环氧树脂与玻璃纤维的粘连性；玻璃纤维表面经过预处理后，含有大量不饱和双键，可与脂肪族环氧化烯烃树脂中的乙烯基发生反应，使玻璃纤维表面的分子链与环氧树脂分子链相互纠缠，在大直径芯棒内形成牢固的界面结合，可有效避免玻纤/树脂界面产生脱粘和裂纹。

5.环氧树脂选用脂肪族环氧化烯烃树脂，为线性大分子，同时具有聚丁二烯橡胶结构和环氧树脂结构，具有良好的冲击韧性和粘接性能，树脂分子中含有羟基，易于玻璃纤维结合，对玻璃纤维粘接性好，因其与玻璃纤维相容性好、粘接性能强的特性，适用于制备大直径芯棒，制得的大直径芯棒韧性高，不易断裂，且具有良好的耐候性和电性能。

6.过氧化苯甲酰和N，N-二甲基苯胺复配可发生氧化还原反应，氧化还原反应过程中产生的自由基可引发聚合反应，促进环氧树脂与固化剂反应，提高环氧树脂固化效率，且过氧化苯甲酰和N，N-二甲基苯胺体系中含有大量苯基，可在环氧树脂中引入苯环，提高环氧树脂耐热性。

7.纳米过渡金属氧化物可催化乙烯基聚合反应，促使环氧树脂乙烯基与玻璃纤维上的乙烯基聚合，增强玻璃纤维和环氧树脂的界面结合力，可延长大直径芯棒的使用寿命；且纳米过渡金属氧化物能够增加环氧树脂的韧性，进而提高大直径芯棒的拉伸强度和抗冲击强度。

具体实施方式

下面将对实施例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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

实施例1

将脂肪族环氧化烯烃树脂20份、酸酐固化剂5份、海岛型增韧改性剂3份、引发剂0.5份、乙烯基苯并二氧杂环戊烯10份和消泡剂2份在40～60℃条件下搅拌混合均匀，引发剂由过氧化苯甲酰、N，N-二甲基苯胺和纳米氧化铬配制而成，将搅拌好的环氧树脂胶液放入真空-压力浸渍炉中抽真空30min去除胶液中的气泡；

在浸润槽内加入甲酸和过氧化氢，将玻璃纤维在浸润槽内浸泡10～30min，然后在浸润槽内添加不饱和脂肪酸甲酯，混合均匀后反应20～30min，将预处理后的玻璃纤维取出晾干；

将预处理后的玻璃纤维通过穿丝板排列好后，浸入环氧树脂浸胶槽中，在牵伸机的牵引下浸胶后的玻璃纤维进入模具中固化成型，牵伸机牵引速度为0.5～1m/h，固化温度为110～170℃；

将固化成型后的大直径芯棒按需求切割、包装，即得成品大直径芯棒，制得的大直径芯棒直径为150mm。

实施例2

将脂肪族环氧化烯烃树脂20份、酸酐固化剂12份、海岛型增韧改性剂1份、引发剂2份、乙烯基苯并二氧杂环戊烯5份和消泡剂1份在40～60℃条件下搅拌混合均匀，引发剂由过氧化苯甲酰、N，N-二甲基苯胺和纳米氧化铬配制而成，将搅拌好的环氧树脂胶液放入真空-压力浸渍炉中抽真空30min去除胶液中的气泡；