一种芳纶纤维复合芯的制备方法与流程

本发明属于纤维复合材料制备一体化设计技术领域，尤其涉及一种芳纶纤维表面处理及其复合芯的制备方法。

背景技术：

目前，在高压输电导线中，为了降低导线重量、降低长时间由于重量塑化变形造成的延伸、低垂造成损伤等情况，采用碳纤维、碳纤维与玻璃纤维等混杂纤维的拉挤复合芯材料，但是由于碳纤维增强复合材料的韧性较差，在纤维复合芯运送安装过程中会造成纤维内部损伤。本发明提出利用高强度的芳纶纤维代替碳纤维制备其复合芯的来解决脆性造成的内部损伤等。但是由于芳纶纤维表面由于高度结晶取向等情况，造成纤维表面的活性基团较低，纤维的表面与树脂之间的界面润湿性能和结合性能较差。

如，专利文献1(名称为“架空导线用高强连续纤维树脂基复合芯制备方法”)公开了单芯复合芯由内层纤维树脂芯及外层纤维树脂芯通信复合而成。此种方法操作麻烦，效率低，且无法实现连续化生产，生产效率低，且纤维未进行上浆处理，表面性能不佳。专利文献2(名称为“芳纶纤维表面改性的处理方法”)公开了将干燥过的芳纶纤维同介质一起密闭于玻璃反应器内，采用γ射线辐照处理。采用此种方法表面处理的效果有限，且不能对纤维内部进行改性，反应时间相对较长。专利文献3(名称为“芳纶纤维表面改性方法”)公开了采用界面聚合法交联液晶单体4，4-二羟基-α,α-二甲基苄联氮。此种方法操作麻烦，效率低，且无法实现连续化生产，生产效率低。

现有技术中将纤维上浆处理与拉挤成型工艺一体化的技术报道很少，本发明在芳纶纤维浸入拉挤浸胶槽前，通过对芳纶纤维表面上浆改善其与树脂的结合性能，通过在拉挤前对纤维进行表面上浆剂处理(水溶性或油溶性环氧、nh2(表面处理剂、梳理剂))等上浆后，经过甬道干燥，此步一方面解决其表面性能，同时可以进行干燥除去纤维内部吸收的水分。然后再进入浸胶槽，调节拉挤工艺得到芳纶复合芯，对提高纤维表面性能、加强纤维和树脂结合强度有很大帮助，可以制备性能较高的芳纶纤维复合芯。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：cn102136319a

专利文献2：cn200610150924.5

专利文献3：cn200810228915.2

技术实现要素：

发明要解决的技术问题

本发明的目的是将现有技术中纤维上浆处理与拉挤成型工艺实现一体化，二者在同一生产线上完成，不需要分离进行两个步骤，在芳纶纤维浸入拉挤浸胶槽前，通过对芳纶纤维表面上浆改善其与树脂的结合性能，上浆完成后直接进行拉挤工艺，得到芳纶复合芯，对提高纤维表面性能、加强纤维和树脂结合强度有很大帮助。

用于解决技术问题的方法

针对上述问题，本发明提出了一种芳纶纤维合芯的制备方法。

根据本发明的一个实施方案，提供一种芳纶纤维合芯的制备方法，其包括如下步骤：a.芳纶纤维丝束从丝架穿过导纱孔进入装有表面上浆剂的液体槽，然后通过空气加热甬道进行干燥；b.经过上浆干燥后的芳纶纤维丝束通过导纱孔浸入浸胶槽浸胶再进入拉挤模具进行拉挤成型，进行固化、后固化、剪切得到芳纶复合芯。

一种实施方式为，其中，所述上浆装置置于丝架后；根据丝束的多少布置导纱孔，所述甬道置于上浆剂后上方。

一种实施方式为，其中，甬道的设计采用竖直隧道式烘箱，甬道长度为80～150cm，温度范围为120～150℃，内壁采用炉膛式设计，两端各有一个固化保护区。

一种实施方式为，其中，所述上浆剂选自水溶性环氧乳液、油溶性环氧、双酚a二缩水甘油醚、e51与peg2000乳化剂、聚乙二醇改性环环氧乳化剂、硅烷偶联剂kh550、kh560、khj590、乙烯基树脂上浆剂中的任一种。

一种实施方式为，其中，所述芳纶纤维为对位芳纶纤维、间位芳纶纤维、芳纶iii等芳香族纤维，纤维的丝束为1500d、3000d、6000d。

一种实施方式为，其中，浸胶槽中的树脂为环氧树脂、乙烯基树脂、丙烯酸树脂，胶槽的温度为40℃～60℃，胶槽的加热方式为恒温油浴加热器，加热器内为内循环式流动。

一种实施方式为，拉挤模具为智能控制系统模具，80～100mm长，孔径为60～80mm，通过电加热的方式控温，不同的树脂的加热温度不同，智能模具内设有传感器，自动识别树脂类型并监控环境条件，自动调整模具参数；其中，模具的三段温度分别根据所选择树脂的固化机制自动识别设置，其调控范围为120～220℃，130～230℃，110～210℃。

一种实施方式为，拉挤成型设备为履带式双机位拉挤成型机，拉挤速度为30mm/min～150mm/min，两条流水线可以同时拉挤。

一种实施方式为，其中，拉挤成型过程中芳纶纤维所占体积为55％～85％，芳纶纤维丝束的数量根据孔径大小、纤维单束丝性能进行设计，丝架前段设置智能调节器，通过输入预期拉挤产品的性能条件，系统通过比对数据库，自动设置纤维丝束的数量。

一种实施方式为，其中，后固化装置为一隧道式烘箱，拉挤出来模具后经过一隧道式烘箱，温度设置为120℃～180℃，内壁采用炉膛式设计，两端各有一个固化保护区，使制品出模后立刻得到充分后固化，以使其固化完全。

本发明的有益效果

本发明将现有技术中纤维上浆处理与拉挤成型工艺实现一体化，二者在同一流水线上完成，不需要分离进行两个步骤，在芳纶纤维浸入拉挤浸胶槽前，通过对芳纶纤维表面上浆改善其与树脂的结合性能，上浆完成后直接进行拉挤工艺，得到芳纶复合芯，对提高纤维表面性能、加强纤维和树脂结合强度有很大帮助。将芳纶纤维与碳纤维作为拉挤成型的原料，制得的复合芯样品，相比传统的单一纤维拉挤样品，树脂与纤维的结合性能大大提高，绞线的拉伸强度也大大提高，具有强度高、耐高温、线损低、智能化等优点，相比传统的碳纤维复合芯，安全系数大大提高，增加了智能电网和供电线路的可靠性和安全性，对于自然灾害引起的突发事故的发生也有效减少。

从以下示例性实施方案的描述中，本发明的进一步特征将变得显而易见。

具体实施方式

本发明提供了一种芳纶纤维表面处理及其复合芯的制备方法，该方法是在芳纶纤维浸入拉挤浸胶槽前，通过对芳纶纤维表面上浆改善其与树脂的结合性能，通过上水溶性或油溶性环氧、硅烷偶联剂、乙烯基树脂表面上浆剂等上浆后，经过甬道干燥，再进入浸胶槽，通过拉挤工艺得到芳纶复合芯的方法。其中，拉挤成型工艺，包括拉挤开始初期的预浸润阶段，树脂浸润纤维的阶段，纤维带的包覆，模具内的固化阶段，出模的后固化阶段，以及最后对成品的自动切割。发明还涉及到环氧树脂的配比、预浸液的配比，模具内的温度控制，后固化温度的控制。本发明通过改进拉挤工艺，来改善拉挤样品的性能，在浸胶前增设了一个预浸上浆槽和干燥装置，然后浸胶后进入加入模具进行固化成型和后固化使其完全固化。固化完全的样品，经牵引机的牵引作用，再经由自动切割机进行切割，制得最终的样品。

作为优选的技术方案：其包括如下步骤：a.芳纶丝束从丝架穿过导纱孔按照一定的排布进入一定长度装有表面上浆剂的液体槽，然后通过一定温度的空气加热甬道，一定温度下进行干燥；b.经过上浆干燥后的纤维丝束通过导纱孔浸入浸胶槽浸胶再浸入拉挤模具进行拉挤成型，进行固化、后固化、剪切得到一定长度的芳纶复合芯。

其中，所述上浆装置置于丝架后；根据丝束的多少布置导纱孔，所述甬道置于上浆剂后上方。

其中，甬道的设计采用竖直隧道式烘箱，甬道长度为80～150cm，温度范围为120～150℃，内壁采用炉膛式设计，两端各有一个固化保护区。

其中，所述上浆剂选择如水溶性环氧乳液、油溶性环氧、双酚a二缩水甘油醚、e51与peg2000乳化剂、聚乙二醇改性环环氧乳化剂、硅烷偶联剂kh550、kh560、khj590、乙烯基树脂上浆剂等。

其中，所用的芳纶纤维为对位芳纶纤维、间位芳纶纤维、芳纶iii等芳香族纤维。纤维的丝束为1500d、3000d、6000d。

其中，浸胶槽中的树脂为环氧树脂、乙烯基树脂、丙烯酸树脂。胶槽的温度为40℃～60℃，胶槽的加热方式选择为自主研制的恒温油浴加热器，加热器内为内循环式流动。

其中，拉挤模具为智能控制系统模具，80～100mm长，孔径为60～80mm，通过电加热的方式控温，不同的树脂的加热温度不同，智能模具内设有传感器，自动识别树脂类型并监控环境条件，自动调整模具参数。

其中，所述拉挤成型设备拉挤设备为履带式双机位拉挤成型机，拉挤速度为30mm/min～150mm/min，可以实现两条流水线同时拉挤。

其中，模具的三段温度分别设置根据所选择树脂的固化机制自动识别设置，其调控范围为120～220℃，130～230℃，110～210℃。

其中，拉挤成型过程中纤维所占体积为55％～85％，纤维丝束的数量根据孔径大小、纤维单束丝性能进行设计，丝架前段设置智能调节器，实验者通过输入预期拉挤产品的性能条件，系统通过比对数据库，自动设置纤维丝束的数量。

其中，拉挤出来模具后经过一隧道式烘箱，即后固化装置，温度设置为120℃～180℃，内壁采用炉膛式设计，两端各有一个固化保护区，使制品出模后立刻得到充分后固化，以使其固化完全。

实施例

通过实施例更详细地描述本发明，但本发明不限于下述实施例。

实施例1

一种芳纶纤维表面处理及其复合芯的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备6.5mm芳纶纤维复合芯，纤维的体积含量为55％，用的纤维为芳纶1414纤维，纤维的单束丝的大小为3000d，纤维丝束的大小85束。

(2)在芳纶纤维浸入拉挤浸胶槽前，对芳纶纤维表面上浆，即上浆剂的成分为e51和peg和水的混合乳液，其中固含量为5wt％，之后经过甬道干燥，干燥温度为120℃，干燥时间为5min。

(3)本实验选取耐高温环氧树脂，对应的固化剂为改性甲基四氢苯酐，质量比树脂：固化剂：脱模剂＝100:100:1。

(4)选取模口直径为6.5mm的模具，牵引机的速度设置为8cm/min，三段固化温度为220℃，230℃，210℃，挤出出来后复合芯进入后固化炉进行后固化，固化温度为120℃。

(5)通过拉挤后进行裁切制备出表面光滑的芳纶复合芯。

实施例2

一种芳纶纤维表面处理及其复合芯的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备2.5mm或6.5mm芳纶纤维复合芯，纤维的体积含量为60-70％，用的纤维为芳纶1414纤维，纤维的单束丝的大小为3000d，纤维丝束的大小11-12束或85-100束，将丝束分成3-4几层，进入上浆槽。

(2)在芳纶纤维浸入拉挤浸胶槽前，对芳纶纤维表面上浆，即上浆剂的成分为hy-180a和peg和水的混合乳液，其中固含量为7wt％，之后经过甬道干燥，干燥温度为130℃，干燥时间为6-8min。

(3)本实验选取乙烯基树脂高温环氧树脂，型号为甲基丙烯酸聚酯树脂，重量比按树脂：引发剂：阻燃剂＝100:1.3-1.5:15，胶槽的温度为40℃。

(4)选取模口直径为6.5mm的模具，牵引机的速度设置为6cm/min，三段固化温度为210℃，220℃，200℃，挤出出来后复合芯进入后固化炉进行后固化，固化温度为120℃。

(5)通过拉挤后进行裁切制备出表面光滑的芳纶复合芯。

实施例3

一种芳纶纤维表面处理及其复合芯的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备7.5mm芳纶纤维复合芯，纤维的体积含量为55％，用的纤维为芳纶1414纤维，纤维的单束丝的大小为4500d，纤维丝束的大小85束。

(2)在芳纶纤维浸入拉挤浸胶槽前，对芳纶纤维表面上浆，即上浆剂的成分为kh550、环氧、稀释剂丁二醇二缩水甘油醚混合乳液(kh550含量为3％相对环氧)，其中固含量为7wt％，之后经过甬道干燥，干燥温度为130℃，干燥时间为6-8min。

(3)本实验选取hy-190a型树脂及固化剂hy-190b，质量比树脂：固化剂：脱模剂＝100:100:2，胶槽的温度为35℃。

(4)选取模口直径为6.5mm的模具，牵引机的速度设置为6cm/min，三段固化温度为210℃，220℃，200℃，挤出出来后复合芯进入后固化炉进行后固化，固化温度为120℃。

(5)通过拉挤后进行裁切制备出的芳纶复合芯，进行剪切，制备得到复合芯。

实施例4

一种芳纶纤维表面处理及其复合芯的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备7.5mm芳纶纤维复合芯，纤维的体积含量为55％，用的纤维为芳纶1414纤维，纤维的单束丝的大小为4500d，纤维丝束的大小105束。

(2)在芳纶纤维浸入拉挤浸胶槽前，对芳纶纤维表面上浆，即上浆剂的成分为乙烯基树脂与端环氧液态反应型丁腈橡胶为主的奖励，其中固含量为7wt％，之后经过甬道干燥，干燥温度为130℃，干燥时间为6min。

(3)本实验选取耐高温环氧树脂，型号为hy-180a，对应的固化剂为改性甲基四氢苯酐，型号为hy-180b，质量比树脂：固化剂：脱模剂＝100:100:1，胶槽的温度为40℃。

(4)选取模口直径为6.5mm的模具，牵引机的速度设置为6cm/min，三段固化温度为210℃，220℃，200℃，挤出出来后复合芯进入后固化炉进行后固化，固化温度为120℃。

(5)通过拉挤后进行裁切制备出的芳纶复合芯，进行剪切，制备得到复合芯。

实施例5

一种芳纶纤维表面处理及其复合芯的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备6.0mm芳纶纤维复合芯，纤维的体积含量为65％，用的纤维为芳纶1414纤维，纤维的单束丝的大小为3000d，纤维丝束的大小79束，根据空间将丝束分成5层，通过导纱板进行控制丝束。

(2)在芳纶纤维浸入拉挤浸胶槽前，对芳纶纤维表面上浆，即上浆剂的成分为乙烯基树脂与端环氧液态反应型丁腈橡胶为主的浆液，其中固含量为6wt％，之后经过甬道干燥，干燥温度为120℃，干燥时间为8min。

(3)本实验选取乙烯基树脂，名称为甲基丙烯酸聚酯树脂，重量比按树脂：引发剂：阻燃剂＝100:1.3-1.5:15，胶槽的温度为40℃。

(4)选取模口直径为6.0mm的模具，牵引机的速度设置为6cm/min，三段固化温度为210℃，220℃，200℃，挤出出来后复合芯进入后固化炉进行后固化，固化温度为120℃。

(5)通过拉挤后进行裁切制备出的芳纶复合芯，进行剪切，制备得到复合芯。

实施例6

一种芳纶纤维表面处理及其复合芯的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备7.5mm芳纶纤维复合芯，纤维的体积含量为65％，用的纤维为芳纶1414纤维，纤维的单束丝的大小为4500d，纤维丝束的大小124束。

(2)在芳纶纤维浸入拉挤浸胶槽前，对芳纶纤维表面上浆，即上浆剂的成分为乙烯基树脂与端环氧液态反应型丁腈橡胶为主的奖励，其中固含量为7wt％，之后经过甬道干燥，干燥温度为130℃，干燥时间为6min。

(3)本实验选取hy-190a型树脂及固化剂，质量比树脂：固化剂：

脱模剂＝100:100:1，胶槽的温度为45℃。

(4)选取模口直径为7.5mm的模具，牵引机的速度设置为60mm/min，三段固化温度为210℃，220℃，200℃，挤出出来后复合芯进入后固化炉进行后固化，固化温度为150℃。

(5)通过拉挤后进行裁切制备出的芳纶复合芯，进行剪切，制备得到复合芯。

工业实用性

本发明方法制得的复合芯，相比传统的碳纤维复合芯，安全系数大大提高，增加了智能电网和供电线路的可靠性和安全性，对于自然灾害引起的突发事故的发生也有效减少。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

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