用于电传输缆的复合芯的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种用于诸如高压传输缆的电缆的复合芯。该复合芯含有至少一个棒，所述至少一个棒包括被覆盖层环绕的连续纤维元件。该连续纤维元件是由多根包埋于热塑性聚合物基质内的单向排列的纤维粗纱形成。本
【发明者】已发现，可通过下述方式来显著改善热塑性聚合物基质浸渍粗纱的程度：通过对浸渍过程进行选择性控制；也可通过在棒的形成和成型期间以及最终棒的几何形状的校准期间对施加给粗纱的压缩程度进行控制。该经充分浸渍的棒具有非常小的空隙率，从而产生了极好的强度性能。值得注意的是，在棒中无需不同纤维类型的情况下即可获得期望的强度性能。
【专利说明】用于电传输缆的复合芯
【技术领域】
[0001]本申请涉及于2011年4月12日提交的名称为“具有复合芯的电传输缆”的美国临时专利申请N0.61 / 474,423，和于2011年4月12日提交的名称为“用于电传输缆的复合芯”的美国临时专利申请N0.61 / 474，458，这两件美国临时专利申请都通过引用方式结合于此。
【背景技术】
[0002]复合导线结构通常用作用于向用户传输电的传输线或电缆。复合传输线构造的实例包括:例如，铝导体复合芯(ACCC)增强电缆和铝导体钢增强(ACSR)电缆。ACSR电缆典型地包括环绕钢内芯的铝外导电层。传输线被设计为不仅有效地传输电，而且还必须坚固且耐温，尤其当将传输线系在塔上并拉伸很长距离时。实际上，使用基于钢的传输线的主要缺点之一是:当在较高温度下操作时，电缆趋于形成不可接受的下垂。
[0003]为改善传输线的性能，人们已尝试用高强度聚合物来构造电缆芯。例如，Hiel等人的美国专利N0.7，179，522描述了一种复合芯，所述复合芯由被玻璃纤维-增强环氧树脂外芯环绕的碳纤维-增强环氧树脂内芯形成。根据Hiel等人，优选使用至少两种不同纤维类型(碳纤维和玻璃纤维)来达到强度、硬度和挠性的组合。然而，含有一种以上纤维类型的复合芯已遇到困难。例如，由于玻璃纤维和碳纤维具有不同的热膨胀系数，因此在成形期间施加给纤维的热可导致玻璃纤维以不同于碳纤维的速率膨胀。在冷却时，收缩的玻璃迫使碳处于压缩状态并在芯中产生残余应力。人们已数次尝试使用单一纤维类型来制造芯。例如，Bryant等人的美国专利公开N0.2005 / 0186410描述了尝试将碳纤维包埋于热塑性树脂中以形成单一纤维复合芯。令人遗憾的是，这些芯由于纤维的不充分润湿而显示出缺陷及干斑，从而导致耐久性和强度差。此外，碳易于与铝发生流电反应，从而可能导致电缆的腐蚀和失效。这些芯的另一问题是热塑性树脂不能在高温下操作。由于这些原因，Bryant等人研发出含有用热固性环氧树脂基质包埋的S-2玻璃纤维的单一纤维芯。虽然这些芯消除了二纤维系统的问题，然而它们缺乏期望的强度水平。此外，在许多制造过程中使用热固性树脂是有问题的，且这些树脂也缺乏与其他材料形成层的良好结合特性。
[0004]因此，目前存在对单一纤维型复合芯的需要，所述单一纤维型复合芯由热塑性材料形成，且仍能够达到具体应用所要求的期望强度、耐久性和温度性能。
【发明内容】
[0005]根据本发明的一个实施例，公开了一种在纵向方向上延伸的电传输缆芯。该芯包括含有连续纤维元件的至少一个棒，所述连续纤维元件包括多根固化热塑性树脂浸溃粗纱。这些粗纱含有沿纵向方向定向的连续纤维和包埋所述连续纤维的热塑性基质。这些连续纤维具有的极限拉伸强度与每单位长度质量的比率大于约1，000兆帕/克/米。所述连续纤维占所述棒的约25wt.%至约80wt.而热塑性基质占所述棒的约20wt.%至约75wt.%。不含连续纤维的覆盖层环绕所述连续纤维元件。棒具有约10千兆帕的最小弯曲模量。
[0006]根据本发明的另一个实施例，公开了一种形成电传输缆芯的方法。该方法包括用热塑性基质浸溃多根粗纱以及固化这些粗纱以形成条带，其中这些粗纱包括沿纵向方向定向的连续纤维。这些连续纤维具有的极限拉伸强度与每单位长度质量的比率大于约1，000兆帕/克/米。连续纤维占该条带的约25wt.%至约80wt.而热塑性基质占该条带的约20wt.%至约75wt.%。将条带加热至热塑性基质的熔融温度或更高的温度,并牵引条带经过至少一个成形模具以将条带压缩并定型成棒。将覆盖层施加至该棒。
[0007]根据本发明的又一个实施例，公开了一种制造电缆的方法。该方法可包括提供包括至少一个复合芯的电缆芯，以及用多个导电元件环绕电缆芯。复合芯可包括至少一个棒，所述至少一个棒包括多根固化热塑性浸溃粗纱。这些粗纱可包括沿纵向方向定向的连续纤维和包埋所述连续纤维的热塑性基质。这些连续纤维可具有的极限拉伸强度与每单位长度质量的比率大于约I，OOOMPa / g / m。典型地,该棒可包括约25wt.%至约80wt.%的连续纤维和约20wt.%至约75wt.%的热塑性基质。覆盖层可环绕所述至少一个棒，而且覆盖层通常可不含连续纤维。在这些和其他实施例中，复合芯可具有大于约IOGPa的弯曲模量。
[0008]下文将更详细地阐述本发明的其他特征和方面。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]在包括参照附图的说明书的其余部分中，更具体地阐述了本发明的完整且可实现的公开内容，该公开内容包括对于本领域技术人员来说最佳的实施例，附图中:
[0010]图1是用于本发明中的固化条带的一个实施例的透视图；
[0011]图2是用于本发明中的固化条带的另一个实施例的剖视图；
[0012]图3是用于本发明中的浸溃系统的一个实施例的示意图；
[0013]图4是图3所示浸溃模具的剖视图；
[0014]图5是可用于本发明中的浸溃模具的歧管组件和门通道的一个实施例的分解图；
[0015]图6是可用于本发明中的至少部分地限定了浸溃区域的板的一个实施例的透视图；
[0016]图7是可用于本发明中的拉挤成形系统的一个实施例的示意图；
[0017]图8是本发明的棒的一个实施例的透视图；
[0018]图9是根据本发明制成的电传输缆的一个实施例的透视图；
[0019]图10是根据本发明制成的电传输缆的另一个实施例的透视图；
[0020]图11是根据本发明可使用的各种校准模具的一个实施例的俯视剖视图；
[0021]图12是根据本发明可使用的校准模具的一个实施例的侧剖视图；
[0022]图13是根据本发明可使用的校准模具的一个实施例的一部分的主视图；和
[0023]图14是根据本发明可使用的成形辊的一个实施例的主视图。
[0024]在本说明书和附图中重复使用附图标记旨在表示本发明的相同或类似的特征或元件。
【具体实施方式】
[0025]本领域技术人员应理解的是，本论述仅仅是对示例性实施例的说明，并不用来限制本发明的更宽方面。
[0026]—般而言,本发明针对一种用于诸如高压传输缆的电缆的复合芯。该复合芯含有至少一个棒，所述至少一个棒包括被覆盖层环绕的连续纤维元件。该连续纤维元件由多根包埋于热塑性聚合物基质内的单向排列纤维粗纱形成。本
【发明者】已发现:可通过下述方式来显著改善用热塑性聚合物基质浸溃粗纱的程度:通过对浸溃过程进行选择性控制，也可通过在棒的成形和定型期间以及最终棒的几何形状的校准期间对施加给粗纱的压缩程度进行控制。该充分浸溃的棒具有非常小的空隙率，从而产生了极好的强度性能。值得注意的是，在棒中无需不同纤维类型的情况下可达到期望的强度性能。
[0027]本文所用的术语“粗纱”通常指一捆或一束单纤维。含在粗纱内的纤维可以是扭转的或可以是直的。尽管在单个或不同粗纱中可使用不同纤维，但通常期望这些粗纱中的每一个粗纱含有单纤维类型，以最小化使用具有不同热膨胀系数的材料的任何不利影响。在粗纱中所用的连续纤维相对于它们的质量具有高程度的拉伸强度。例如，纤维的极限拉伸强度典型地为约1，000至约15，000兆帕(“MPa”)，在一些实施例中，为约2，OOOMPa至约10，OOOMPa,而在一些实施例中，为约3，OOOMPa至约6，OOOMPa0即使纤维具有相对轻的重量，诸如每单位长度的质量为约0.1克/米至约2克/米，仍可达到所述拉伸强度，在一些实施例中，每单位长度的质量为约0.4克/米至约1.5克/米。每单位长度的质量与拉伸强度的比率因此可以为约1，000兆帕/克/米(“MPa/g/m”)或更大，在一些实施例中，为约4，OOOMPa / g / m或更大，而在一些实施例中，为约5，500MPa / g/m至约20，OOOMPa /g / m。这些高强度纤维可以是:例如，金属纤维、玻璃纤维(例如，E-玻璃、A-玻璃、C-玻璃、D-玻璃、AR-玻璃、R-玻璃、S1-玻璃、S2-玻璃等)、碳纤维(例如，无定形碳、石墨碳或金属涂覆的碳等)、硼纤维、陶瓷纤维(例如，氧化铝或二氧化硅)、芳族聚酰胺纤维(由E.1.duPont de Nemours, Wilmington, Del.销售的Kevlar? )、合成的有机纤维(例如，聚酰胺、聚乙烯、对亚苯基、对苯二甲酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚苯硫醚)、以及已知用于增强的热塑性组合物的各种其他天然或合成的无机或有机纤维材料。碳纤维尤其适于用作连续纤维，所述连续纤维通常具有的拉伸强度与质量的比率在约5，000MPa/g/m至约
7,OOOMPa / g / m的范围内。连续纤维通常具有的标称直径为约4微米至约35微米，并以及在一些实施例中，为约5微米至约35微米。每一根粗纱中所含的纤维数量可以是恒定的或针对各粗纱而改变。典型地，粗纱含有约1，000根纤维至约100，000根单独的纤维，而以及在一些实施例中，含有约5，000根纤维至约50，000根纤维。
[0028]多种热塑性聚合物中的任一种可用来形成包埋连续纤维的热塑性基质。在本发明中使用的热塑性聚合物可包括，例如，聚烯烃(例如，聚丙烯、丙烯-乙烯共聚物等)、聚酯(例如，聚对苯二甲酸丁二醇酯(“PBT”))、聚碳酸酯、聚酰胺(例如，Nylon?)、聚醚酮(例如，聚醚醚酮(“PEEK”))、聚醚酰亚胺、聚亚芳基酮(例如，聚亚苯基二酮(“PPDK”))、液晶聚合物、聚亚芳基硫醚(例如，聚苯硫醚(“PPS”)、聚(对亚联苯基硫醚酮)、聚(亚苯基硫醚二酮)、聚(对亚联苯基硫醚)等)、氟聚合物(例如，聚四氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚聚合物、全氟-烷氧基烷烃聚合物，四氟乙烯聚合物，乙烯-四氟乙烯聚合物等)、聚缩醛、聚氨酯、聚碳酸酯、苯乙烯类聚合物(例如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(“ABS”))等。
[0029]通常选择热塑性基质的性质以在使用过程中达到棒的加工性和性能的期望组合。例如，热塑性基质的熔融粘度通常足够低，以使得聚合物可充分地浸溃纤维并定型为棒构造。就此而言，熔融粘度通常在约25帕斯卡-秒至约2，OOO帕斯卡-秒(“Pa-s”)的范围内，在一些实施例中，在50Pa_s至约500Pa_s的范围内，以及在一些实施例中，在约60Pa_s至约200Pa-s的范围内，这是在热塑性聚合物所用的操作条件(例如，约360°C )下确定的。同样，因为棒旨在在高温下使用(例如，高压传输缆)，故采用具有相对高熔融温度的热塑性聚合物。例如，这样的高温聚合物的熔融温度可以在约200°C至约500°C的范围内，在一些实施例中，在约225°C至约400°C的范围内，以及在一些实施例中，在约250至约350°C的范围内。
[0030]，基硫醚尤其适在本发明中用于作为具有理想熔融粘度的高温基质。例如，聚苯硫醚是半结晶树脂，其通常包括由下列通式表示的重复单体单元:
[0031]
[0032]在聚合物中，这些单体单元通常占重复单元的至少80摩尔百分比，在一些实施例中，为至少90摩尔百分比。然而，应理解的是，聚苯硫醚可以包括另外的重复单元，例如Gotoh等人的美国专利N0.5，075，381中所述的，出于所有目的，将在此其全部内容以引用方式并入本文中。在应用时，这些附加的重复单元通常占聚合物的不超过约20摩尔百分比。市售高熔融粘度聚苯硫醚可以包括那些以商标名FORTRON?,从Ticona，LLC (Florence, Kentucky)获得的。这类聚合物可具有约285 °C的熔融温度(根据IS011357-1、2、3而确定的)，和在310°C下约260帕斯卡-秒至约320帕斯卡-秒的熔融粘度。
[0033]根据本发明，通常采用挤出装置来用热塑性基质浸溃粗纱。此外，挤出装置有助于热塑性聚合物能够施加到纤维的整个表面上。已浸溃的粗纱也具有低的空隙率，这有助于增强其强度。例如，空隙率可以为约6 %或更少，在一些实施例中为约4%或更少，在一些实施例中为约3%或更少，在一些实·施例中为约2%或更少，在一些实施例中为约I %或更少，以及在一些实施例中，为约·0.5%或更少。可使用本领域技术人员所熟知的技术来测量所述空隙率。例如，可使用“树脂烧掉”试验来测量所述空隙率，在该试验中，样品被置于烤箱中(例如在600°C保持3小时)以烧掉树脂。然后，可测量剩余纤维的质量来计算重量和体积分数。根据ASTM D2584-08进行该“烧掉”试验以确定纤维的重量与热塑性基质的重量，其然后可用来基于下面的公式而计算“空隙率”:
[0034]Vf = 100*(P t_P c) / P t
[0035]其中，
[0036]Vf是空隙率，为百分比；
[0037]P。是使用已知的技术(例如用液体或气体比重计(例如，氦比重计))测量的复合物的密度；
[0038]P t是复合物的理论密度，其由以下等式而确定:
[0039]
【权利要求】
1.一种电传输缆的芯,其中所述芯沿纵向方向延伸并且包括:至少一个含有连续纤维元件的棒，所述连续纤维元件包括多根固化热塑性浸溃粗纱，所述粗纱含有沿纵向方向定向的连续纤维和包埋所述连续纤维的热塑性基质，所述连续纤维具有的极限抗拉强度与每单位长度质量的比率大于约1，OOO兆帕/克/米，其中所述连续纤维占棒的约25wt.%至约80wt.而热塑性基质占棒的约20wt.%至约75wt.以及环绕连续纤维元件的覆盖层，其中覆盖层不含连续纤维； 其中，棒具有约10千兆帕的最小弯曲模量。
2.如权利要求1所述的芯，其中，所述连续纤维具有的极限抗拉强度与每单位长度质量的比率为从约5，500兆帕/克/米至约20，000兆帕/克/米。
3.如权利要求1所述的芯，其中，所述连续纤维是碳纤维。
4.如权利要求1所述的芯，其中，所述热塑性基质包括聚芳硫醚。
5.如权利要求4所述的芯，其中，所述聚芳硫醚是聚苯硫醚。
6.如权利要求1所述的芯，其中，所述连续纤维占所述棒的约30wt.%至约75wt.%。
7.如权利要求1所述的芯，其中，所述棒具有约3%或更小的空隙率。
8.如权利要求1所述的芯，其中，所述棒具有约15千兆帕至约200千兆帕的弯曲模量。
9.如权利要求1所述的芯，其中，所述棒具有约300兆帕或更大的极限抗拉强度。
10.如权利要求1所述的芯，其中，所述棒具有约50千兆帕或更大的弹性拉伸模量。·
11.如权利要求1所述的芯，其中，所述棒由4根至20根粗纱形成。
12.如权利要求1所述的芯,其中,所述连续纤维大致均匀地围绕所述棒的纵向中心分布。
13.如权利要求1所述的芯，其中，每一根粗纱含有约1，000至约100，000根独立的连续纤维。
14.如权利要求1所述的芯，其中，所述棒具有约0.1毫米至约50毫米的直径。
15.如权利要求1所述的芯，其中，所述棒具有圆形横截面形状。
16.如权利要求1所述的芯，其中，所述覆盖层含有介电强度为至少约2KV/ _的热塑性聚合物。
17.—种形成电传输缆的芯的方法,所述芯在纵向方向上延伸,其中所述方法包括: 用热塑性基质浸溃多根粗纱以及固化这些粗纱以形成条带，其中所述粗纱包括沿纵向方向定向的连续纤维，所述连续纤维具有的极限拉伸强度与每单位长度质量的比率大于约1，000兆帕/克/米,其中所述连续纤维占所述条带的约25wt.%至约80wt.% ,而所述热塑性基质占所述条带的约20wt.%至约75wt.% ； 加热所述条带； 将经加热的条带牵引经过至少一个成形模具以将条带压缩并定型为棒；以及 将覆盖层施加至所述棒。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述棒具有圆形或椭圆形的横截面形状。
19.如权利要求17所述的方法，其中，所述覆盖层通过使所述棒穿过十字头模具而形成。
20.如权利要求17所述的方法，其中，所述连续纤维是碳纤维。
21.如权利要求17所述的方法，其中，所述热塑性基质包括聚芳硫醚。
22.如权利要求17所述的方法,其中，所述连续纤维占所述条带的约30wt.%至约75wt.%。
23.如权利要求17所述的方法，其中，所述条带具有约2%或更小的空隙率。
24.如权利要求17所述的方法，其中，采用I根至20根独立的条带来形成预制件。
25.如权利要求17所述的方法，其中，在红外烤箱内加热所述条带。
26.如权利要求17所述的方法，其中，使所述粗纱在所述条带中彼此等距地间隔开。
27.如权利要求17所述的方法，其中，在挤出装置内浸溃所述粗纱。
28.如权利要求27所述的方法，其中，使所述粗纱以曲折路径横穿所述挤出装置。
29.如权利要求27所述的方法，其中，歧管组件将所述热塑性基质供应至所述挤出装置，所述歧管组件包括热塑性基质所流经的分支流道。
30.如权利要求17所述的方法，其中，当用所述热塑性基质进行浸溃时，所述粗纱处于张力下。
31.如权利要求17所述的方法，其中，将所述经加热的条带牵引穿过固化模具以及后续校准模具以压缩所述条带。
32.如权利要求17所述的方法，其中，使所述棒在离开所述固化模具之后且在进入校准模具之前冷却。
33.如权利要求17所述的方法，其中，所述覆盖层不含连续纤维。
34.如权利要求17所述的方法，其中，所述条带具有约3%或更小的空隙率。
【文档编号】H01B5/10GK103858181SQ201280018311
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年4月11日 优先权日:2011年4月12日
【发明者】S·M·尼尔森, D·W·伊斯特普, T·L·蒂博尔, T·A·雷甘, M·L·韦斯里 申请人:提克纳有限责任公司