一种带有光纤的碳纤维复合缆线及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种带有光纤的碳纤维复合缆线，其由内向外依次具有带有金属套管的光纤、碳纤维编织套管增强热塑性树脂复合材料的界面层、碳纤维编织套管增强热塑性热固性复合树脂的抗震层和碳纤维单向复合导线层。本发明还公开了该带有光纤的碳纤维复合缆线的制备方法。本发明通过碳纤维编织热塑性界面层与金属套管表面的改性技术相结合，使光纤埋入过程的金属套管表面与碳纤维复合材料形成良好浸润的界面结合，同时通过碳纤维编织方式使光纤结构达到牢固固定，避免后续的复合过程中光纤滑移而导致的不同心问题；通过热塑/热固复合树脂抗震层保证复合缆线整体在卷绕及展开过程中的抗震抗弯折特性。
【专利说明】
一种带有光纤的碳纤维复合缆线及其制备方法
技术领域
[0001]本发明属于电力传输及电力通信领域，具体涉及一种带有光纤的碳纤维复合缆线及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着现代工业的发展，电力系统对通信要求越来越高，不仅需要电话通信，还需要能容纳遥控、遥测、数据传输等大容量的信息传输，尤其是许多电力设备的自动控制和跟踪检测采用了计算机，更是大量增加了传输信息的数量。之前诸多研究者曾采用通信缆线与架空电力缆线复合的结构来解决以上需求，但是由于各种工艺过通信干扰的问题，该研究一直停滞不前。
[0003]自光通信出现以来，光缆与电力缆线的复合又成为研究的新的重点内容。目前常用的架空缆线为钢芯铝绞线，最终研究者将带有保护层的光线与铝线一起绞入形成整体结构的光线复合架空缆线，但是该结构容易出现光线在铺设、架线和运行中的外力导致的损伤，所以这种结构带来了不安全因素而没有大规模使用。随着碳纤维复合材料导线芯材的出现，以碳纤维复合材料增强的架空缆线也得到了大量的使用。碳纤维复合材料是采用高强度高模量碳纤维与树脂基体复合而成的具有较大刚性和冷热交变恶劣环境下突出稳定性的新材料电力输送导线。该材质的导线芯材的制备过程为低温胶液与纤维复合后在经过快速固化成型，该过程避开了金属高温熔融，因此在该过程中实现光纤与缆线芯材的复合较金属缆线更佳安全稳定，且柔性纤维和液态树脂的复合不易出现金属铝绞线所带来的机械损伤。
[0004]目前以碳纤维复合材料缆线芯材与光导纤维的复合技术为重点的研究也较多，但是目前该新型结构的复合缆线仍存在许多结构不稳定性:①光纤材料在与碳纤维复合缆线复合过程中也需要经过张力卷绕，因此直接使用必然带来光纤维的损伤;②光纤表面传统的金属保护套管与碳纤维复合材料缆线复合成型时带来了界面材质不匹配而出现的薄弱问题;③光纤/金属套管复合材质自身的比重较大、柔性较差，在复合材料缆线制备过程中的埋入同心问题较难以解决。
【发明内容】
[0005]针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种带有光纤的碳纤维复合缆线，该复合缆线分为四级结构，由内向外依次包括:带有金属套管光纤、碳纤维编织热塑性界面层、碳纤维编织热塑/热固复合树脂抗震层、碳纤维复合材料主体单向层。通过碳纤维编织热塑性界面层与金属套管表面的改性技术相结合，使光纤埋入过程的金属套管表面与碳纤维复合材料形成良好浸润的界面结合，同时通过碳纤维编织方式使光纤结构达到牢固固定，避免后续的复合过程中光纤滑移而导致的不同心问题;通过热塑/热固复合树脂抗震层保证复合缆线整体在卷绕及展开过程中的抗震抗弯折特性;最终在以上结构成型后，通过拉挤碳纤维复合材料结构使其行程复合缆线整体。
[0006]本发明的另一目的是提供上述带有光纤的碳纤维复合缆线的制备方法。
[0007]为实现上述目的，本发明采用下述技术方案:
[0008]根据本发明的第一方面，提供一种带有光纤的碳纤维复合缆线，其由内向外依次具有带有金属套管的光纤、碳纤维编织套管增强热塑性树脂复合材料的界面层、碳纤维编织套管增强热塑性热固性复合树脂的抗震层和碳纤维单向复合导线层；
[0009]所述带有金属套管的光纤，由内部的光纤维和外部的金属保护套管组成;其中所述光纤选自单模光纤、多模光纤及保偏光纤等任意一种;光纤埋入数量可根据复合缆线的要求任意配制。
[0010]所述光纤外部的金属保护套管需要经过混酸表面处理，处理液及处理工艺根据金属材质及复合界面层的粘接强度要求灵活调整。金属保护套管的直径为l-3mm，长度为连续长度。
[0011 ]在本发明的一个【具体实施方式】中，采用浓硫酸/重铬酸钾的水溶液作为混酸溶液，在60-65°C浸渍10-30min，取出用水冲洗，晾干或在80°C以下烘干，对金属保护套管进行表面处理。在本发明的另一个【具体实施方式】中，采用磷酸/氧化铬/酒精/甲醛混合液，在15-30°C浸渍10-15min，然后在60-80°C下水洗、干燥，对金属保护套管进行表面处理。
[0012]所述的碳纤维编织套管增强热塑性树脂复合材料的界面层，形成于所述经表面处理的金属保护套管的外部，由浸渍热塑性树脂的碳纤维长丝在金属套管表面编织而成。
[0013]所用的热塑性树脂胶为热塑性聚氨酯、热塑性酚醛树脂中的任意一种，浸胶后的纤维含胶量控制在30-50 %之间可调。
[0014]可选用的碳纤维包括T300、T700、T800等高强型碳纤维中的一种或多种混杂使用，纤维束可选用3Κ、6Κ、12Κ等其中的一种或多种组合，编织丝束的数量根据金属套管的粗细规格灵活调整。将上述碳纤维编织后的热塑性树脂复合材料界面层在70-100°C环境下烘干，加热时间为3_1 Omin可调。
[0015]所述的碳纤维编织套管增强热塑性热固性复合树脂的抗震层，形成于所述碳纤维编织套管增强热塑性树脂复合材料的界面层上，由浸渍热塑性热固性复合树脂的碳纤维长丝编织而成。
[0016]所用的碳纤维编织增强体的纤维长丝包括T300、T700、T800等高强型碳纤维中的一种或多种混杂使用;纤维束可选用3Κ、6Κ、12Κ等其中的一种或多种组合，编织丝束的数量根据带有界面层的金属套管的粗细规格灵活调整。
[0017]所用的热塑性热固性复合树脂胶液为热塑性树脂(聚乙烯、聚氨酯、聚酰胺、聚苯醚、聚砜、聚苯硫醚、聚四氟乙烯、聚甲醛或聚醚醚酮中的一种或多种)改性环氧树脂或酚醛树脂。
[0018]浸胶后的纤维含胶量控制在30-50%之间可调，将上述碳纤维编织后的热塑性热固性复合树脂的抗震层在100-110°c环境下预固化，加热时间为10-30min可调。
[0019]所述的碳纤维单向复合导线层，形成于所述碳纤维编织套管增强热塑性热固性复合树脂的抗震层上，由浸渍有树脂胶液的碳纤维丝束在抗震层的表面经拉挤包覆和固化成型而成。
[0020]根据本发明的第二方面，提供上述带有光纤的碳纤维复合缆线的制备方法，步骤如下:
[0021](I)将金属保护套管采用混酸溶液进行表面处理，然后在金属保护套管中埋入光纤；
[0022](2)在经表面处理后的金属保护套管的外部编织浸渍有热塑性树脂的碳纤维，浸胶后的纤维含胶量为30-50%，编织完成后烘干，制备得到碳纤维编织套管增强热塑性树脂复合材料的界面层；
[0023](3)在碳纤维编织套管增强热塑性树脂复合材料的界面层的表面编织浸渍有热塑性热固性复合树脂的碳纤维，浸胶后的纤维含胶量为30-50%，编织完成后在100-110°C环境下预固化处理，制备碳纤维编织套管增强热塑性热固性复合树脂的抗震层；
[0024](4)将浸渍有树脂胶液的碳纤维丝在抗震层的表面进行拉挤包覆，然后将包覆好的碳纤维丝束进行初次固化和二次固化成型，形成碳纤维单向复合导线层；
[0025](5)快速冷却，即得带有光纤的碳纤维复合缆线。
[0026]上述方法，步骤(4)中，固化炉最终温度为160-180°C，固化时间为5-10min。
[0027]上述方法，步骤(4)中，所述“树脂胶液”和“碳纤维丝”未有特殊的类型限定，例如，“树脂胶液”可以选自热固性树脂；“碳纤维丝”可以选自T300、T700、T800等高强型碳纤维中的一种或多种混杂使用。
[0028]本发明的有益效果:
[0029](I)本发明的带有光纤的碳纤维复合缆线采用金属套管表面处理技术与碳纤维编织热塑性界面层相结合，有效形成光纤表面金属保护层与碳纤维复合材料层的良好浸润界面结合。
[0030](2)本发明的带有光纤的碳纤维复合缆线采用碳纤维编织结构在光纤金属套管外部形成稳定的纤维编织定位，通过热塑性树脂复合而成的界面层可有效保证光纤结构与碳纤维复合材料缆线芯材的同心定位。
[0031](3)本发明的带有光纤的碳纤维复合缆线采用碳纤维编织热塑/热固复合树脂抗震层，通过复合树脂与编织纤维的复合结构，有效改善了光纤碳纤维复合缆线在后续生产的卷绕以及施工展开过程中的耐冲击弯折特性。
[0032](4)本发明的带有光纤的碳纤维复合缆线，各层结构之间相互配合，是一个有机的整体，有效提高了带有光纤的碳纤维复合缆线的整体稳定性，同时对光纤起到多重保护作用，避免了使用过程中对光纤的损害。
【附图说明】
[0033]图1:本发明的带有光纤的碳纤维复合缆线的结构示意图；
[0034]其中，1-光纤，2-金属保护套管，3-界面层，4-抗震层，5-碳纤维单向复合导线层。
【具体实施方式】
[0035]结合实施例对本发明作进一步的说明，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
[0036]实施例1:
[0037]—种带有光纤的碳纤维复合材料缆线，从芯部到最表面包括四个制备工序:带有光纤的金属套管的表面处理、碳纤维编织套管增强热塑性树脂复合材料的界面层制备、碳纤维编织套管增强热塑性热固性复合树脂的抗震层制备，以及最外表面的碳纤维单向复合导线层制备。
[0038]首先，在直径为Imm的连续长度金属套管中埋入2根单模光纤长丝，金属套管表面采用浓硫酸/重络酸钾的水溶液在60-65 °C浸渍10-30min后，取出用水冲洗，晾干或在80 °C以下烘干。
[0039]第二，经过表面处理的带有光纤的金属套管的外部编织3K的12股T300高强型碳纤维，该碳纤维在金属套管编织工序之前浸渍热塑性聚氨酯，浸胶后的纤维含胶量控制在30% ο浸渍胶液后的碳纤维编织完成在70°C环境下烘干，加热时间为3min。
[0040]第三，在带有热塑性树脂界面层的表面制备抗震层，在外部编织3K的12股T700高强型碳纤维，该碳纤维在热塑性树脂界面层表面编织工序之前浸渍聚乙烯改性的环氧树月旨，浸胶后的纤维含胶量控制在50%之间，界面层外部的抗震层在110Γ环境下预固化，加热时间为30min。
[0041]第四，最外表面碳纤维单向复合导线层的制备，包括如下步骤:
[0042](I)碳纤维丝束浸渍树脂胶液，碳纤维丝束运行速度为900mm/分钟；
[0043](2)将浸渍有树脂胶液的碳纤维丝束在上述抗震层的表面进行拉挤包覆，然后将包覆好的碳纤维丝束进行初次固化和二次固化成型，固化炉最终温度为180°C，固化时间为1min;
[0044](3)将步骤(2)中得到的缆线杆体快速冷却至50°C以下，卷绕收集，即制备得到带有光纤的碳纤维复合材料缆线。
[0045]实施例2:
[0046]—种带有光纤的碳纤维复合材料缆线，从芯部到最表面包括四个制备工序:带有光纤的金属套管的表处理、碳纤维编织套管增强热塑性树脂复合材料的界面层制备、碳纤维编织套管增强热塑性热固性复合树脂的抗震层制备、最外表面的碳纤维单向复合导线层制备。
[0047]首先，在直径为3mm的连续长度金属套管中埋入3根多模光纤长丝，金属套管表面采用采用磷酸/氧化铬/酒精/甲醛混合液，在15_30°C浸渍10-15min，然后在60-80°C下水洗、干燥。
[0048]第二，经过表面处理的带有光纤的金属套管的外部编织6K的16股T700高强型碳纤维，该碳纤维在金属套管编织工序之前浸渍热塑性酚醛树脂胶液，浸胶后的纤维含胶量控制在40% ο浸渍胶液后的碳纤维编织完成在100°C环境下烘干，加热时间为7min。
[0049]第三，在带有热塑性树脂界面层的表面制备抗震层，在外部编6K的12股T700高强型碳纤维，该碳纤维在热塑性树脂界面层表面编织工序之前浸渍聚氨酯改性的环氧树脂，浸胶后的纤维含胶量控制在40%之间，界面层外部的抗震层在110°C环境下预固化，加热时间为20min。
[0050]第四，最外表面碳纤维单向复合导线层的制备包括如下步骤:
[0051 ] (I)碳纤维丝束浸渍树脂胶液，碳纤维丝束运行速度为600mm/分钟；
[0052](2)将浸渍有树脂胶液的碳纤维丝束在上述抗震层的表面进行拉挤包覆，然后将包覆好的碳纤维丝束进行初次固化和二次固化成型，固化炉最终温度为160°C，固化时间为5min；[0053 ] (3)将步骤(2)中得到的缆线杆体快速冷却至50 °C以下，卷绕收集。
[0054]实施例3:
[0055]—种带有光纤的碳纤维复合材料缆线，从芯部到最表面包括四个制备工序:带有光纤的金属套管的表处理、碳纤维编织套管增强热塑性树脂复合材料的界面层制备、碳纤维编织套管增强热塑性热固性复合树脂的抗震层制备、最外表面的碳纤维单向复合导线层制备。
[0056]首先，在直径为2mm的连续长度金属套管中埋入4根保偏光纤长丝，金属套管表面采用浓硫酸22g/l，在l-1.5A/dm2的直流强度下浸渍10-15min，再在饱和重铬酸钾溶液中，于95-100 0C下浸渍5-20min，然后水洗，干燥。
[0057]第二，经过表面处理的带有光纤的金属套管的外部编织12K的10股T800高强型碳纤维，该碳纤维在金属套管编织工序之前浸渍热塑性酚醛树脂胶液，浸胶后的纤维含胶量控制在44% ο浸渍胶液后的碳纤维编织完成在95°C环境下烘干，加热时间为9min。
[0058]第三，在带有热塑性树脂界面层的表面制备抗震层，在外部编织3K的12股T800高强型碳纤维，该碳纤维在热塑性树脂界面层表面编织工序之前浸渍聚酰胺改性的环氧树月旨，浸胶后的纤维含胶量控制在46%之间，界面层外部的抗震层在110Γ环境下预固化，加热时间为30min。
[0059]第四，最外表面碳纤维单向复合导线层的制备包括如下步骤:
[0060](I)碳纤维丝束浸渍树脂胶液，碳纤维丝束运行速度为600mm/分钟；
[0061](2)将浸渍有树脂胶液的碳纤维丝束在上述抗震层的表面进行拉挤包覆，然后将包覆好的碳纤维丝束进行初次固化和二次固化成型，固化炉最终温度为170°C，固化时间为1min;
[0062 ] (3)将步骤(2)中得到的缆线杆体快速冷却至50 °C以下，卷绕收集。
[0063]实施例4:
[0064]—种带有光纤的碳纤维复合材料缆线，从芯部到最表面包括四个制备工序:带有光纤的金属套管的表处理、碳纤维编织套管增强热塑性树脂复合材料的界面层制备、碳纤维编织套管增强热塑性热固性复合树脂的抗震层制备、最外表面的碳纤维单向复合导线层制备。
[0065]首先，在直径为3mm的连续长度金属套管中埋入2根多模光纤长丝，金属套管表面采用浓硫酸/重络酸钾的水溶液在70 °C下浸渍1min，然后水洗、干燥。
[0066]第二，经过表面处理的带有光纤的金属套管的外部编织12K的6股T300高强型碳纤维，该碳纤维在金属套管编织工序之前浸渍热塑性聚氨酯树脂胶液，浸胶后的纤维含胶量控制在39% ο浸渍胶液后的碳纤维编织完成在100°C环境下烘干，加热时间为1min。
[0067]第三，在带有热塑性树脂界面层的表面制备抗震层，在外部编织6K的12股T800高强型碳纤维，该碳纤维在热塑性树脂界面层表面编织工序之前浸渍聚苯硫醚改性的环氧树月旨，浸胶后的纤维含胶量控制在50%之间，界面层外部的抗震层在110Γ环境下预固化，加热时间为25min。
[0068]第四，最外表面碳纤维单向复合导线层的制备包括如下步骤:
[0069](I)碳纤维丝束浸渍树脂胶液，碳纤维丝束运行速度为500mm/分钟；
[0070](2)将浸渍有树脂胶液的碳纤维丝束在上述抗震层的表面进行拉挤包覆，然后将包覆好的碳纤维丝束进行初次固化和二次固化成型，固化炉最终温度为175°C，固化时间为1min;
[0071 ] (3)将步骤(2)中得到的缆线杆体快速冷却至50 °C以下，卷绕收集。
【主权项】
1.一种带有光纤的碳纤维复合缆线，其特征在于，其由内向外依次为:带有金属套管的光纤、碳纤维编织套管增强热塑性树脂复合材料的界面层、碳纤维编织套管增强热塑性热固性复合树脂的抗震层和碳纤维单向复合导线层； 所述带有金属套管的光纤，由内部的光纤维和外部的经混酸表面处理的金属保护套管组成； 所述的界面层，形成于所述经表面处理的金属保护套管的外部，由浸渍热塑性树脂的碳纤维长丝在金属套管表面编织而成； 所述的抗震层，形成于所述界面层上，由浸渍热塑性热固性复合树脂的碳纤维长丝编织而成； 所述的碳纤维单向复合导线层，形成于所述抗震层上，由浸渍有树脂胶液的碳纤维丝束在抗震层的表面经拉挤包覆和固化成型而成。2.如权利要求1所述的带有光纤的碳纤维复合缆线，其特征在于，所述光纤选自单模光纤、多模光纤和保偏光纤的任意一种。3.如权利要求1所述的带有光纤的碳纤维复合缆线，其特征在于，所述金属保护套管的直径为1-3mm，长度为连续长度。4.如权利要求1所述的带有光纤的碳纤维复合缆线，其特征在于，形成界面层所用的热塑性树脂为热塑性聚氨酯、热塑性酚醛树脂中的任意一种，浸胶后的纤维含胶量为30-50%。5.如权利要求1所述的带有光纤的碳纤维复合缆线，其特征在于，形成界面层所用的碳纤维选自T300、T700或T800高强型碳纤维中的一种或多种;纤维束选自3K、6K或12K中的一种或多种。6.如权利要求1所述的带有光纤的碳纤维复合缆线，其特征在于，形成抗震层所用的碳纤维选自Τ300、Τ700或Τ800高强型碳纤维中的一种或多种;纤维束选自3Κ、6Κ或12Κ中的一种或多种。7.如权利要求1所述的带有光纤的碳纤维复合缆线，其特征在于，形成抗震层所用的热塑性热固性复合树脂胶为热塑性树脂改性环氧树脂或酚醛树脂。8.如权利要求7所述的带有光纤的碳纤维复合缆线，其特征在于，所述热塑性树脂选自聚乙烯、聚氨酯、聚酰胺、聚苯醚、聚砜、聚苯硫醚、聚四氟乙烯、聚甲醛或聚醚醚酮中的一种或多种。9.权利要求1至8任一项所述的带有光纤的碳纤维复合缆线的制备方法，其特征在于，步骤如下: (1)将金属保护套管采用混酸溶液进行表面处理，然后在金属保护套管中埋入光纤； (2)在经表面处理后的金属保护套管的外部编织浸渍有热塑性树脂的碳纤维，浸胶后的纤维含胶量为30-50 %，编织完成后烘干，制备得到界面层； (3)在界面层的表面编织浸渍有热塑性热固性复合树脂的碳纤维，浸胶后的纤维含胶量为30-50%，编织完成后在100-110°C环境下预固化处理，制备得到抗震层； (4)将浸渍有树脂胶液的碳纤维丝在抗震层的表面进行拉挤包覆，然后将包覆好的碳纤维丝束进行初次固化和二次固化成型，形成碳纤维单向复合导线层； (5)快速冷却，即得带有光纤的碳纤维复合缆线。10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，固化炉最终温度为160-180°C，固化时间为5-1 Omin。
【文档编号】G02B6/44GK105911657SQ201610375669
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】张敏, 曹伟伟, 乔琨, 王永伟, 朱波
【申请人】山东大学