注射成型工藝

1、復(fù)合材料電纜芯棒拉擠專用設(shè)備（RTM-P連續(xù)注膠拉擠技術(shù)）簡介 西安天劍科技發(fā)展有限公司 復(fù)合材料電纜芯棒拉擠專用設(shè)備 （RTM-P連續(xù)注膠拉擠技術(shù)）簡介西安天劍科技發(fā)展有限公司 2012年5月8日1 概述隨著全球經(jīng)濟快速增長，對電力需求也在不斷地攀升，要求線路的傳輸容量越來越大，對高性能傳輸導(dǎo)線的需求越來越迫切。近些年，中國和美國相關(guān)企業(yè)著手研發(fā)復(fù)合材料芯導(dǎo)線，稱之為ACCC/TW（Aluminum Conductor Composite Core / Trapezoidal Wire），圖-1和圖-2為該導(dǎo)線照片與剖視圖。復(fù)合材料芯是由碳纖維、玻璃纖維以及環(huán)氧樹脂固化基體構(gòu)成，生產(chǎn)工藝為傳

2、統(tǒng)的拉擠技術(shù)與設(shè)備。ACCC/TW復(fù)合材料芯導(dǎo)線與傳統(tǒng)導(dǎo)線相比強度高、線損低、弧垂小、耐高溫、截流量大、質(zhì)量輕、耐腐蝕等優(yōu)點，是實現(xiàn)電力傳輸?shù)墓?jié)能、環(huán)保與安全的有效途徑。使用這種導(dǎo)線替代老線路可以在不改變線路走廊用地和塔架等條件下擴容50%左右，同時，消除了傳統(tǒng)導(dǎo)線由于鋼芯帶來的線路6%的磁電熱效應(yīng)損耗。因此，在輸電線路中推廣應(yīng)用新型復(fù)合材料芯導(dǎo)線具有重大的經(jīng)濟與社會效益。 圖-1 美國CTC公司 ACCC/TW導(dǎo)線照片 圖-2 ACCC/TW導(dǎo)剖視圖2傳統(tǒng)架空導(dǎo)線復(fù)合材料芯棒生產(chǎn)中存在的問題目前，中國和美國的相關(guān)企業(yè)生產(chǎn)ACCC/TW導(dǎo)線復(fù)合材料芯棒，依然是傳統(tǒng)的復(fù)合材料材FRP（Fiber

3、 Reinforced Plastic）生產(chǎn)工藝，主要特點是開放式膠槽。生產(chǎn)工藝過程為：紗架、集紗、除濕、開放膠槽浸膠、預(yù)成形（選項）、模具熱固化、后固化、牽引、收卷。在FRP的連續(xù)拉擠成形工藝中，多采用不飽和聚酯樹脂，這種樹脂的固化特點：具有引發(fā)活化能低、引發(fā)溫度低、收縮率大，這些特點非常適合FRP連續(xù)拉擠成形工藝。而ACCC/TW導(dǎo)線復(fù)合材料芯棒采用環(huán)氧樹脂體系，環(huán)氧樹脂體系的固化劑一般為酸酐類和胺類，這類固化劑引發(fā)活化能較高，需要吸收較多的熱能才能達到凝膠固化的程度，因此固化速度較慢；另外，由于樹脂分子中環(huán)氧基是開環(huán)聚合反應(yīng)，沒有揮發(fā)性副產(chǎn)物放出，環(huán)氧樹脂固化基體的收縮率明顯小，環(huán)氧樹脂

4、固化收縮率僅1%-2%，而不飽和聚酯樹脂卻高達7%-8%。環(huán)氧樹脂體系的這兩個特點加之開放式膠槽，使得ACCC/TW導(dǎo)線復(fù)合材料芯棒的連續(xù)生產(chǎn)存在許多問題，甚至某些關(guān)鍵性能參數(shù)不達標(biāo)。下面簡單剖析一下，環(huán)氧樹脂固化體系的這兩個特點及開放式膠槽，給我們帶來的麻煩和問題：2.1 固化速度慢帶來的麻煩和問題環(huán)氧樹脂體系固化速度慢影響生產(chǎn)效率，要提高生產(chǎn)效率可由3個方面入手，如適當(dāng)提高固化溫度、加長固化模具、增加促進劑。1） 提高溫度對環(huán)氧樹脂固化溫度而言，模具固化點位置的溫度一般設(shè)定在Tg溫度附近，溫度再高一點會加快固化速度，但過高會影響樹脂固化基體的力學(xué)性能。2） 加長固化模具傳統(tǒng)設(shè)備拉擠工藝中，

5、模具長度在400mm900mm。針對環(huán)氧樹脂基導(dǎo)線芯棒的拉擠生產(chǎn)而言，其使用模具的長度在1200mm1500mm時，最佳性能與速度結(jié)合點可以達到1000mm/min以上，但制造這樣的模具難度大。3） 增加促進劑增加促進劑的比例的確有助于固化速度，但它也同時造成了膠的操作期的縮短，使膠槽里的膠黏度很快變大，影響纖維浸膠質(zhì)量。為了更好照顧操作期，促進劑的比例要適當(dāng)，因此，環(huán)氧樹脂體系固化速度不允許太高。2.2 固化基體收縮率低帶來的麻煩和問題環(huán)氧樹脂固化基體收縮率為1%-2%，不飽和聚酯樹脂為7%-8%，相對而言前者拉擠固化時模具內(nèi)部壓強要大大高于后者，因此，給環(huán)氧樹脂拉擠帶來兩個麻煩：1） 模具

6、內(nèi)壓對固化物表面影響由于環(huán)氧樹脂拉擠固化工藝模具內(nèi)部壓力大，造成環(huán)氧樹脂凝膠固化區(qū)與模具內(nèi)表面的摩擦力加大，這就要求凝膠狀態(tài)轉(zhuǎn)變至固化狀態(tài)的環(huán)氧樹脂基體具有足夠的抗剪切能力，否則，在模具的這一區(qū)域環(huán)氧樹脂固化物容易脫皮起粉末，嚴(yán)重時會造成堵模。2） 模具內(nèi)壓對模具鍍層影響原理同上，由于摩擦力大，模具內(nèi)表面鍍層容易磨損、脫落。從目前使用情況看，現(xiàn)有模具對環(huán)氧樹脂芯棒的拉擠生產(chǎn)不是很理想，鍍鉻層非常容易脫落。2.3 開放式膠槽帶來的麻煩和問題傳統(tǒng)拉擠工藝中膠槽為開放式，或者說增強纖維的浸膠是在大氣環(huán)境中完成的，這種浸膠方式對環(huán)氧樹脂拉擠而言有如下麻煩和問題：1） 膠槽容積膠槽容積的大小直接影響著膠

7、液質(zhì)量和操作期，從效果來講膠槽容積越小越有利于膠液的質(zhì)量，但會增加添加膠液的次數(shù)，加大操作工人勞動量和出錯的機率；如果膠槽過大會導(dǎo)致膠液粘度隨著時間而加大，從而影響纖維的浸膠質(zhì)量乃至芯棒的性能，同時也會造成模具內(nèi)的樹脂凝膠點前移，嚴(yán)重時會堵模。2） 膠液回流開放式膠槽產(chǎn)生回流是不可避免的現(xiàn)象。浸了膠的纖維進入模具內(nèi)勢必被擠壓出一部分膠液返回膠槽（或浪費掉，該部分膠液占用較量的70%以上），從模具口返回到膠槽的那部分膠液由于已被熱模具加熱，其溫度比膠槽內(nèi)的膠液溫度要高，如此循環(huán)往復(fù)，膠槽內(nèi)的膠總體上溫度會升高些，這也導(dǎo)致膠液的操作期縮短，膠液黏度加大，影響浸膠質(zhì)量，進而影響芯棒的性能。3） 纖維

8、雜質(zhì)架空導(dǎo)線復(fù)合材料芯棒的增強纖維有碳纖維和玻璃纖維，碳纖維在中心主要起承擔(dān)載荷的目的，玻璃纖維在表層主要起絕緣作用，結(jié)構(gòu)參見圖-2。在浸膠過程中，碳纖維和玻璃纖維在各自的膠槽內(nèi)和回流膠中存有少許含量的纖維雜質(zhì)，在處理回流時或?qū)⒗w維雜質(zhì)濾掉二次使用回流膠液，或?qū)煞N回流膠液直接用于碳纖膠槽（這樣不影響絕緣性能），回流的再次使用更加嚴(yán)重地影響膠液的質(zhì)量和操作期。產(chǎn)生纖維雜質(zhì)的主要原因是膠槽內(nèi)的排紗器和旋轉(zhuǎn)壓膠輥，再好的纖維也會有少許毛絮，這些毛絮絕大部分被膠液粘在旋轉(zhuǎn)壓滾上越積越多，給操作人員帶來麻煩，不小心也會釀成斷紗停機的事故。4） 影響Tg架空導(dǎo)線復(fù)合材料芯棒的一個核心指標(biāo)是耐熱性能，既玻

9、璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）的高低。目前，國內(nèi)研發(fā)單位所選用的環(huán)氧樹脂體系配方繁多，有進口、國產(chǎn)，各家配方特性與性能各有不同。大部分配方的Tg或多或少受到開放式膠槽的影響，具體表現(xiàn)是隨生產(chǎn)時間的延續(xù)，芯棒的Tg前高后低，有時低到不可接受程度。3精密注膠拉擠芯棒生產(chǎn)工藝與設(shè)備上述傳統(tǒng)芯棒生產(chǎn)設(shè)備存在的問題，有些通過樹脂配方和結(jié)構(gòu)設(shè)計調(diào)整可以解決，如芯棒表面不光滑起粉末、結(jié)構(gòu)性力學(xué)性能差等問題；而其他的問題均與設(shè)備的膠槽有關(guān)，所以，解決問題的重點也要從膠槽開始。綜合來看，傳統(tǒng)拉擠工藝中的膠槽隨著時間延長導(dǎo)致環(huán)氧樹脂膠質(zhì)量越來越差，換言之，環(huán)氧樹脂膠越來越不新鮮，影響芯棒質(zhì)量；另一方面膠槽的排紗器、壓膠輥嚴(yán)

10、重損傷玻纖和碳纖，使毛絮脫落到膠液中，并卻大量紗線被壓膠輥纏繞造成麻煩。既然膠槽帶來這么多問題和麻煩，干脆就不使用膠槽，這一點也正是本工藝設(shè)備的核心之處，即采用RTM連續(xù)注膠拉擠（RTM-P，Resin Transfer Molding -Pultrusion）方式，這種方法不僅可以保持膠的隨時新鮮，又不損傷纖維紗線。因此將設(shè)備命名為：“精密連續(xù)注膠拉擠芯棒生產(chǎn)設(shè)備”。3.1 精密注膠拉擠芯棒生產(chǎn)工藝就目前來看，RTM連續(xù)注膠拉擠架空導(dǎo)線復(fù)合材料芯棒生產(chǎn)工藝，在該行業(yè)內(nèi)都將是一次革命性的改進。核心技術(shù)是“取掉傳統(tǒng)膠槽，采用精密連續(xù)注膠”。1） 工藝過程碳纖維和玻璃纖維在牽引裝置的作用下，紗線束

11、經(jīng)過集紗器、除濕箱，進入密閉浸膠裝置，裝置內(nèi)有兩個獨立通道，一個走碳纖，一個走玻纖，浸好膠后通過預(yù)成型再直接進入與裝置同樣密閉相連的固化模具中熱固化定型，定型的芯棒從固化模具出來后進入后固化箱，然后由牽引機導(dǎo)出輸送給收卷機。這就是無膠槽精密連續(xù)注膠的基本過程。另外，單獨解釋一下密閉浸膠裝置工作過程：密閉浸膠裝置內(nèi)的膠液供給，是由一臺精密自動控制的連續(xù)注膠機實現(xiàn)，保障裝置內(nèi)的膠液實時新鮮充裕。圖-3為無膠槽RTM-P連續(xù)注膠拉擠芯棒生產(chǎn)工藝流程圖。2） 精密連續(xù)注膠原理碳纖維和玻璃纖維（或布帶或編織層）通過各自通道進入封閉式浸膠裝置，浸膠后由預(yù)成形機構(gòu)將碳纖維和玻璃纖維按設(shè)計要求定位，然后進入固

12、化模具成型。為了使封閉式浸膠裝置內(nèi)的碳纖維、玻璃纖維（或編織層或布帶）有更好的浸潤效果，RTM精密連續(xù)注膠機將膠液注入封閉式浸膠裝置之前進行膠液加熱，這樣膠液黏度會大大降低有利于浸潤紗線。同時，由于膠液處于較高的溫度，進入固化模具后有助于快速均勻固化；另外，要保持封閉式浸膠裝置內(nèi)的膠液實時充裕，RTM精密連續(xù)注膠機采用自動平衡壓力注膠，這樣既保障了膠液充裕，又增加了纖維紗線的浸潤效果。 采用RTM-P連續(xù)注膠拉擠工藝對布帶或纖維編織包敷層的實現(xiàn)更為容易，擯棄了傳統(tǒng)編織浸膠方式，大大減便工藝過程、提高工作效率。功能原理圖參見圖-4、-5、-6。圖-3 無膠槽RTM-P連續(xù)注膠拉擠芯棒生產(chǎn)工藝流程

13、圖3） 精密連續(xù)注膠工藝帶來的好處PIRP精密注膠連續(xù)拉擠工藝與傳統(tǒng)開放式膠槽拉擠工藝相比，從結(jié)構(gòu)特征上看，最大的特點是沒有膠槽。由于去掉了膠槽，給架空導(dǎo)線環(huán)氧樹脂基拉擠芯棒的生產(chǎn)帶來許多好處，并解決掉前面提到的諸多問題。具體優(yōu)點如下：a. 芯棒性能全程一致 由于浸膠過程實時都是新鮮膠液，不存在操作期的問題。因此，芯棒的性能從生產(chǎn)開始到結(jié)束（如1m5000m長度范圍內(nèi)），其力學(xué)性能（抗拉強度、繞曲率等關(guān)鍵參數(shù)）、耐熱性能（Tg）等均保持一致，不會隨時間變化而性能起伏。b. 不需要人工混膠傳統(tǒng)工藝中需要人工混膠、向膠槽倒膠、清洗膠槽等諸多環(huán)節(jié)，給操作人員帶來不便，而且容易出錯。采用RTM精密連續(xù)

14、注膠，就不需要混膠、倒膠著兩個環(huán)節(jié)，將環(huán)氧樹脂AB兩個組份膠液罐分別灌滿即可，通過各自的泵按設(shè)計流量比例泵入靜態(tài)混合器，再注入封閉式浸膠裝置中。精密連續(xù)注膠系統(tǒng)（包括封閉式浸膠裝置）的清洗有專門自動清洗系統(tǒng)完成，人工參與清洗工作量較小。清洗方式有專用清洗液和氣體吹除兩種并用。c. 不傷紗由于沒有排紗器和壓膠輥，纖維束不會受到損傷，同時也大大降低了膠液內(nèi)的纖維雜質(zhì)含量。d. 浸膠效果好由于膠液是高溫高壓注入封閉式浸膠裝置中，浸潤效果遠好于開放式膠槽常壓浸膠，保障了芯棒的內(nèi)部質(zhì)量；同時，封閉注膠沒有膠液溢出，膠液利用率100%，對于傳統(tǒng)方式而言可以節(jié)約大量用膠成本。e. 提高拉擠速度由于膠液是高溫

15、高壓注入封閉式浸膠裝置中，這將有利于膠液在固化模具內(nèi)的快速凝膠和固化。將模具設(shè)計成1500mm時，可以實現(xiàn)拉擠速度1000mm/min以上。 圖-4 單向紗RTM連續(xù)注膠系統(tǒng)原理圖 圖-5 布帶包裹層RTM連續(xù)注膠系統(tǒng)原理圖 圖-6 纖維編織包敷層RTM連續(xù)注膠系統(tǒng)原理圖3.2 精密連續(xù)注膠拉擠芯棒生產(chǎn)設(shè)備構(gòu)成傳統(tǒng)的架空導(dǎo)線芯棒生產(chǎn)設(shè)備有：紗架、集紗器、除濕箱、開放膠槽、預(yù)成形模具、固化模具、后固化箱、牽引機、收卷機、以及監(jiān)控系統(tǒng)。精密連續(xù)注膠拉擠芯棒生產(chǎn)設(shè)備與傳統(tǒng)的芯棒拉擠生產(chǎn)設(shè)備不同之處是浸膠功能部分，傳統(tǒng)設(shè)備浸膠是由開放式膠槽完成，而該設(shè)備浸膠是由高溫高壓封閉式浸膠裝置完成。所以，精密連

16、續(xù)注膠拉擠芯棒生產(chǎn)設(shè)備構(gòu)成有：紗架、集紗器、除濕箱（選項）、封閉式浸膠裝置、纖維編織機構(gòu)、精密連續(xù)注膠機、固化模具、后固化箱、牽引機、收卷機、以及監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)備系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)參見圖-7，各部分功能如下：1） 紗架碳纖維原絲紗盤被有序安裝在紗架上，玻璃纖維放置在碳纖維紗架兩側(cè)的托架上，紗盤運動是被動形式，在牽引機構(gòu)的拖動下碳纖維轉(zhuǎn)動放紗，玻纖為內(nèi)抽紗。紗架和托架上設(shè)有張力調(diào)解機構(gòu)，在放紗過程中令碳纖維和玻璃纖維處在不同的恒張力狀態(tài)，有利于芯棒拉伸力學(xué)性能充分發(fā)揮，同時纖維在繃緊狀態(tài)下有利于空間排序和定位。根據(jù)目前架空導(dǎo)線復(fù)合材料芯棒的規(guī)格，碳纖維紗架最多掛直徑75mm的紗軸100個，玻璃纖維最多放

17、置重20kg左右80團，可以滿足多規(guī)格使用。2） 除濕箱（選項） 除濕箱內(nèi)部空間尺寸為長1500x寬400x高400，外圍輪廓尺寸為長1500x寬600x高600。恒溫范圍可在RT200任意設(shè)定。集紗器與除濕箱設(shè)計于一體，位置處在除濕箱出入口，集紗器材料為聚四氟乙烯板制成。板的尺寸為400x400，在300x300見方內(nèi)均勻布置180個直徑3mm孔。3） 封閉式浸膠裝置封閉式浸膠裝置是該設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)之一。裝置內(nèi)設(shè)有碳纖維浸膠通道、玻璃纖維浸膠通道、以及預(yù)成型模具，裝置與固化模具密封連接，構(gòu)成一個完整的密封系統(tǒng)。裝置的結(jié)構(gòu)尺寸不隨芯棒規(guī)格變化，預(yù)成型模具與芯棒規(guī)格一一對應(yīng)。裝置外部設(shè)有加熱保溫層

18、，以便注入進來的膠液保持設(shè)計溫度。4） 纖維編織包敷機構(gòu)芯棒外表絕緣層設(shè)計有多種結(jié)構(gòu)形式，單向纖維層、布帶包裹層、編織包敷層等常見結(jié)構(gòu)層。后兩種方式的實現(xiàn)要與封閉式浸膠裝置一并考慮，具體結(jié)構(gòu)細節(jié)這里暫不多講。結(jié)構(gòu)示意圖參見圖-5、圖-6。5） 精密連續(xù)注膠機封閉式浸膠裝置與RTM精密連續(xù)注膠機有機組合構(gòu)成設(shè)備的技術(shù)核心，也是連續(xù)注膠拉擠工藝設(shè)備的精髓，是在RTM技術(shù)的基礎(chǔ)之上加以改進完善。精密連續(xù)注膠機工作時，將環(huán)氧樹脂和固化劑兩組份分別由各自的計量泵，按照設(shè)計按比例泵到靜態(tài)混合器中，然后進入封閉式浸膠裝置。RTM注膠機具有膠液加熱和壓力自動控功能，高溫、高壓狀態(tài)下膠液有利于增加紗線浸潤效果。

19、環(huán)氧樹脂（A）和固化劑（B）的兩個膠桶配有液位報警，提醒操作人員及時填加A、B組份。6） 固化模具 由于環(huán)氧樹脂拉擠固化工藝模具內(nèi)部壓力大，造成環(huán)氧樹脂凝膠固化區(qū)與模具內(nèi)表面的摩擦力加大， 模具內(nèi)表面鍍層容易磨損、脫落。從目前使用情況看，傳統(tǒng)模具對環(huán)氧樹脂芯棒的拉擠生產(chǎn)不是很理想。傳統(tǒng)拉擠模具長度在900mm左右，這里建議使用非鍍層模具，長度在1200mm1500mm左右，即不會發(fā)生度層脫落，又可以提高拉拔速度，性能與速度結(jié)合點可以達到1000mm/min以上。7） 后固化箱芯棒從固化模具出來后，其固化度并沒有達到完全固的程度，仍需進一步固化。后固化箱為組合式，單個長度為1m，為了穿線方便箱體為開合方式，通徑為50mm，數(shù)量配置4臺或根據(jù)實際需要令配。8） 牽引機為了提高牽引機的可靠性，采用電機驅(qū)動齒輪和蝸輪蝸桿施加壓力，并提升鏈條規(guī)格。在壓力方向設(shè)有蝶簧和力值傳感器，蝶簧起到緩沖作用不至于剛性壓實，力值傳感器可實時顯示夾持力的大小。牽引力數(shù)字顯示功能為可選項。9） 收卷機收卷采用橫張力控制、自動排線，并配有芯棒首尾自動裝訂機構(gòu)。收線盤內(nèi)徑為1500mm、寬度為800mm、纏繞高度為500mm，一盤可卷