一种耐高电压复合材料用混编纤维布及其制备方法与流程

1.本发明涉及复合材料技术领域，特别涉及一种耐高电压复合材料用混编纤维布及其制备方法。


背景技术：

2.芳纶纤维由于力学性能突出、绝缘性能优良、阻燃性和热稳定性高等特点，常用于制备增强树脂基复合材料，并已广泛应用于特高压(1000kv以上)输电领域的诸多关键部位。但由于芳纶纤维具有高结晶度、表面化学活性基团少等缺点，其成型能力较差，且与树脂基体结合能力相对较差，树脂浸润性差，且填充树脂后的复合材料含胶量不均匀，从而易使制备的复合材料出现层间剪切强度较低、横向拉伸强度较低等缺陷，导致特高压输电领域设备运行过程中的芳纶复合材料绝缘件故障偶有发生，进而限制了该复合材料性能在特高压输电领域的应用。


技术实现要素：

3.本发明实施例提供了一种耐高电压复合材料用混编纤维布及其制备方法，该耐高电压复合材料用混编纤维布具有优异的强韧性度和树脂浸润性，同时改善了树脂填充后含胶量不均匀，强度下降的问题。
4.第一方面，本发明提供了一种耐高电压复合材料用混编纤维布，所述耐高电压复合材料用混编纤维布包括交替设置的混编层和玻璃纤维层；其中，所述混编层由芳纶纤维、pbo纤维、玻璃纤维和聚酯纤维交替编织组成；所述玻璃纤维层为玻璃纤维。
5.优选地，所述耐高电压复合材料用混编纤维布中各组分的体积分数如下：芳纶纤维15～20％、pbo纤维10～20％、玻璃纤维20～40％和聚酯纤维20～55％。
6.优选地，所述耐高电压复合材料用混编纤维布由至少两层所述混编层和一层所述玻璃纤维层交替设置得到。
7.优选地，在所述耐高电压复合材料用混编纤维布中，分布于混编层中的玻璃纤维与分布于玻璃纤维层中的玻璃纤维的体积分数之比为(1～2):1。
8.优选地，相邻的所述混编层中的玻璃纤维为错位分布。
9.优选地，所述混编层和所述玻璃纤维层的层数之比为(2～3):1。
10.优选地，所述耐高电压复合材料用混编纤维布的克重为80～200gsm。
11.优选地，所述混编层和所述玻璃纤维层的层数之比为2:1，且在每两层所述混编层的一侧铺设一层所述玻璃纤维层。
12.优选地，所述混编层以pbo纤维、聚酯纤维和玻璃纤维为经纱，以芳纶纤维、聚酯纤维和玻璃纤维为纬纱。
13.更优选地，所述经纱和所述纬纱的直径相同。
14.优选地，所述芳纶纤维、所述pbo纤维、所述玻璃纤维和所述聚酯纤维的直径均相同。
15.优选地，所述玻璃纤维层中玻璃纤维束用量为200～400g/m2，厚度为0.02～0.06mm。
16.优选地，所述玻璃纤维层的厚度低于所述混编层的厚度。
17.第二方面，本发明提供了上述第一方面所述的耐高电压复合材料用混编纤维布的制备方法，所述制备方法包括：
18.将芳纶纤维、pbo纤维、玻璃纤维和聚酯纤维进行交替编织，得到混编层；然后将所述混编层和玻璃纤维层交替铺设，得到所述耐高电压复合材料用混编纤维布。
19.优选地，在所述得到所述耐高电压复合材料用混编纤维布之前，还包括：
20.将所述混编层和玻璃纤维层交替铺设，得到混编纤维坯布，对所述混编纤维坯布进行预定形；
21.所述预定形包括：将所述混编纤维坯布放入定型机中进行预定形，其中，车速为10～20m/min，风机转速为1500～1800r/min，定形温度为150～180℃。
22.优选地，所述交替编织采用纬编圆筒交织机，门副为100～150cm，所述耐高电压复合材料用混编纤维布的克重为80～200gsm。
23.优选地，在所述交替编织前，还包括：
24.对所述芳纶纤维、所述pbo纤维、所述玻璃纤维和所述聚酯纤维进行预处理；其中，所述预处理为采用无水乙醇进行清洗，然后置于80～90℃下烘干2～3h。
25.本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：
26.本发明制备的耐特高压复合材料用混编纤维布中，芳纶纤维及pbo纤维为该混编纤维布提供了高比强度和优异的韧性；玻璃纤维刚度好，具有良好的导流作用，同时能够保证混编纤维布整体的支撑性；而聚酯纤维成本低，可作为填充纤维。由此采用pbo纤维、芳纶纤维、玻璃纤维及聚酯纤维制备的超混编纤维布不仅具有较高的强韧性，且导流效果优异，使其可以用于制备树脂基复合材料，从而改善了树脂填充后含胶量不均匀，强度下降的问题；同时成本较低，应用更为广泛。
具体实施方式
27.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。
28.本发明实施例提供了一种耐高电压复合材料用混编纤维布，耐高电压复合材料用混编纤维布包括交替设置的混编层和玻璃纤维层；其中，混编层由芳纶纤维、pbo纤维、玻璃纤维和聚酯纤维交替编织组成；玻璃纤维层为玻璃纤维。
29.在本发明中，采用具有高比强度和优异韧性的pbo纤维及芳纶纤维，刚度好且能导流的玻璃纤维，成本低的聚酯纤维共同编织制备的超混编纤维布，不仅具有较高的强韧性，且导流效果优异，使其可以用于制备树脂基复合材料，从而改善了树脂填充后含胶量不均匀，强度下降的问题；且成本较低，应用更为广泛。
30.在本发明中，混编纤维布由交替设置的混编层和玻璃纤维层组成，如此通过交替设置玻璃纤维层，能进一步通过玻璃纤维及其玻璃纤维的立体网络空间结构为树脂流动提
供更多通道，有效加快树脂流动速度，进而在保证强度的同时，有效改善树脂填充后含胶量不均匀的问题。
31.根据一些优选的实施方式，耐高电压复合材料用混编纤维布中各组分的体积分数如下：芳纶纤维15～20％(例如，可以为15％、16％、17％、18％、19％或20％)、pbo纤维10～20％(例如，可以为10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％或20％)、玻璃纤维20～40％(例如，可以为20％、22％、24％、25％、26％、28％、30％、32％、34％、35％、36％、38％或40％)和聚酯纤维20～55％(例如，可以为20％、22％、25％、26％、28％、30％、32％、35％、36％、38％、40％、42％、45％、46％、48％、50％、52％或55％)。
32.具体地，可以根据实际需求在上述范围内对芳纶纤维、pbo纤维、玻璃纤维和聚酯纤维的体积分数进行限定。通过设计耐高电压复合材料用混编纤维布中各组分的体积分数，使得混编纤维布兼具优异的强韧性、刚度、良好的树脂浸润性和低成本。当其他组分的体积分数限定为上述范围内时，若pbo纤维体积分数过多，则会增加该混编纤维布的成本，反之则会影响混编纤维布的强韧性；若玻璃纤维体积分数过多，则会降低混编纤维布的韧性，反之则会影响混编纤维布的浸润性。
33.根据一些优选的实施方式，耐高电压复合材料用混编纤维布由至少两层(例如，可以为两层、三层、四层等)混编层和一层玻璃纤维层交替设置得到。
34.需要说明的是，该耐高电压复合材料的结构为混编层(至少两层)-玻璃纤维层(一层)-混编层(至少两层)-玻璃纤维层(一层)...混编层(至少两层)。
35.根据一些优选的实施方式，在耐高电压复合材料用混编纤维布中，分布于混编层中的玻璃纤维与分布于玻璃纤维层中的玻璃纤维的体积分数之比为(1～2):1(例如，可以为1:1、1.5:1或2:1)。
36.在本发明中，耐高电压复合材料用混编纤维布中玻璃纤维的体积分数为20～40％，其中这些玻璃纤维分别均匀分布在混编层和玻璃纤维层中，如此通过使每层中均分布玻璃纤维来提高树脂的浸润性。
37.根据一些优选的实施方式，相邻的混编层中的玻璃纤维为错位分布。
38.在本发明中，对于至少两层混编层，在第一层混编层之后，第二层混编层可以水平旋转90
°
后铺覆，第三层混编层可以水平旋转180
°
后铺覆，第四层可以水平旋转270
°
后铺覆，如此依次循环铺覆，既能提高所制得的混编纤维布布体的抗拉性，又能使相邻混编层中的玻璃纤维错位分布，能进一步借助错位的玻璃纤维更好地为树脂胶液导流，提高树脂的浸润性和树脂填充后含胶量的均匀性。
39.根据一些优选的实施方式，混编层和玻璃纤维层的层数之比为(2～3):1(例如，可以为2:1、2.5:1或3:1)。
40.根据一些优选的实施方式，耐高电压复合材料用混编纤维布的克重为80～200gsm(例如，可以为80gsm、100gsm、120gsm、150gsm、160gsm、180gsm或200gsm)。
41.根据一些更优选的实施方式，混编层和玻璃纤维层的层数之比为2:1，且在每两层混编层的一侧铺设一层玻璃纤维层。
42.在本发明中，为了避免混编层铺层过多时层与层之间可能会产生气孔，在至少两层混编层的一侧铺设一层玻璃纤维层，以减小层与层之间的孔隙率；在保证织物刚度的同时，起到后续的导流作用。
43.根据一些优选的实施方式，混编层以pbo纤维、聚酯纤维和玻璃纤维为经纱，以芳纶纤维、聚酯纤维和玻璃纤维为纬纱。
44.需要说明的是，混编层采用二维编织，经纱中pbo纤维、聚酯纤维和玻璃纤维可以多股纤维并列排布，也可以合并为单股纤维；同理，纬纱中芳纶纤维、聚酯纤维和玻璃纤维可以多股纤维并列排布，也可以合并为单股纤维。
45.在一个或多个实施方式中，混编层还可以以pbo纤维、聚酯纤维和玻璃纤维为纬纱，以芳纶纤维、聚酯纤维和玻璃纤维为经纱。
46.根据一些更优选的实施方式，经纱和纬纱的直径相同。
47.在本发明中，对经纱和纬纱中聚酯纤维、玻璃纤维的用量并无限定，优选为满足经纱和纬纱直径相同即可。
48.在本发明中，通过上述方式设计经纱和纬纱，能够保证经纱和纬纱均具有一定的强度、韧性和导流性，使得制备的混编层的性能分布较为均匀。当经纱和纬纱的直径相同，则能进一步使经纬向的力学强度和性能基本相同。
49.根据一些优选的实施方式，芳纶纤维、pbo纤维、玻璃纤维和聚酯纤维的直径均相同。
50.在本发明中，为了避免pbo纤维、芳纶纤维、玻璃纤维及聚酯纤维四种纤维直径不同造成铺层过多时层与层之间可能会产生气孔，除了每至少两层混编层的一侧铺设一层玻璃纤维层，还可以通过设计芳纶纤维、pbo纤维、玻璃纤维和聚酯纤维的直径均相同来避免该问题，以减小层与层之间的孔隙率，同时简化交替编织时的编织工艺。
51.根据一些优选的实施方式，玻璃纤维层中玻璃纤维束用量为200～400g/m2(例如，可以为200g/m2、250g/m2、300g/m2、350g/m2或400g/m2)，厚度为0.02～0.06mm(例如，可以为0.02mm、0.03mm、0.04mm、0.05mm或0.06mm)。
52.根据一些优选的实施方式，玻璃纤维层的厚度低于混编层的厚度。
53.在本发明中，铺设的玻璃纤维层，是为了避免混编层铺层过多时层与层之间可能会产生气孔，因此在保证纤维织物强度和韧性的基础上，仅需设置厚度较薄的玻璃纤维层即可。
54.本发明还提供了一种耐高电压复合材料用混编纤维布的制备方法，采用该制备方法得到本发明所提供的耐高电压复合材料用混编纤维布，该制备方法包括：
55.将芳纶纤维、pbo纤维、玻璃纤维和聚酯纤维进行交替编织，得到混编层；然后将混编层和玻璃纤维层交替铺设，得到耐高电压复合材料用混编纤维布。
56.根据一些优选的实施方式，在得到耐高电压复合材料用混编纤维布之前，还包括：
57.将混编层和玻璃纤维层交替铺设，得到混编纤维坯布，对混编纤维坯布进行预定形；
58.预定形包括：将混编纤维坯布放入定型机中进行预定形，其中，车速为10～20m/min(例如，可以为10m/min、12m/min、15m/min、18m/min或20m/min)，风机转速为1500～1800r/min(例如，可以为1500r/min、1550r/min、1600r/min、1650r/min、1700r/min、1750r/min或1800r/min)，定形温度为150～180℃(例如，可以为150℃、155℃、160℃、165℃、170℃、175℃或180℃)。
59.在本发明中，由于不同种类纤维的弹性模量不同，编织后的混编层存在内部张力，
为了避免该内部张力导致混编层起皱，需要通过预定形释放该内部张力。
60.根据一些优选的实施方式，交替编织采用纬编圆筒交织机，门副为100～150cm(例如，可以为100cm、110cm、120cm、130cm、140cm或150cm)，耐高电压复合材料用混编纤维布的克重为80～200gsm(例如，可以为80gsm、100gsm、120gsm、150gsm、160gsm、180gsm或200gsm)。
61.根据一些优选的实施方式，在交替编织前，还包括：
62.对芳纶纤维、pbo纤维、玻璃纤维和聚酯纤维进行预处理；其中，预处理为采用无水乙醇进行清洗，然后置于80～90℃(例如，可以为80℃、85℃或90℃)下烘干2～3h(例如，可以为2h、2.5h或3h)。
63.为了更加清楚地说明本发明的技术方案及优点，下面通过几个实施例对一种耐高电压复合材料用混编纤维布及其制备方法进行详细说明。
64.以下实施例在进行编织前，均先将所采用的芳纶纤维、pbo纤维、玻璃纤维和聚酯纤维进行了预处理，即均用无水乙醇进行清洗，并于85℃下烘干2.5h；
65.其中，以下实施例中所采用的芳纶纤维、pbo纤维、玻璃纤维和聚酯纤维的直径和规格均相同，且所制备的混编纤维布的厚度均相同。
66.实施例1
67.耐高电压复合材料用混编纤维布中各组分的体积分数如下：芳纶纤维20％、pbo纤维20％、玻璃纤维30％和聚酯纤维30％；
68.按照上述配比制备耐高电压复合材料用混编纤维布的制备方法：
69.(1)以20％pbo纤维、15％聚酯纤维和10％玻璃纤维为经纱，以20％芳纶纤维、15％聚酯纤维和10％玻璃纤维为纬纱，采用纬编圆筒交织机编织得到混编层；
70.(2)将混编层和玻璃纤维层(即10％玻璃纤维)交替铺设，并在每两层混编层的一侧铺设一层玻璃纤维层，得到混编纤维坯布；
71.其中，玻璃纤维层中玻璃纤维束用量为200g/m2，厚度为0.02mm；且相邻两层混编层的经纬线不相同；
72.(3)将混编纤维坯布放入定型机中，并在车速为15m/min，风机转速为1600r/min，定形温度为160℃的条件下进行预定形，得到耐高电压复合材料用混编纤维布。
73.应用：将该混编纤维布置于模具中，并向模具内注入酚醛树脂进行固化，制备得到耐高压复合材料，其中纤维含量为40％；利用该耐高压复合材料制备的特高压绝缘拉杆。
74.实施例2
75.耐高电压复合材料用混编纤维布中各组分的体积分数如下：芳纶纤维20％、pbo纤维20％、玻璃纤维30％和聚酯纤维30％；
76.按照上述配比制备耐高电压复合材料用混编纤维布的制备方法：
77.(1)以20％pbo纤维、12.5％聚酯纤维和10％玻璃纤维为经纱，以20％芳纶纤维、17.5％聚酯纤维和5％玻璃纤维为纬纱，采用纬编圆筒交织机编织得到混编层；
78.(2)将混编层和玻璃纤维层(即15％玻璃纤维)交替铺设，并在每三层混编层的一侧铺设一层玻璃纤维层，得到混编纤维坯布；
79.其中，玻璃纤维层中玻璃纤维束用量为400g/m2，厚度为0.06mm；且相邻两层混编层的经纬线不相同；
80.(3)将混编纤维坯布放入定型机中，并在车速为20m/min，风机转速为1800r/min，定形温度为180℃的条件下进行预定形，得到耐高电压复合材料用混编纤维布。
81.应用：将该混编纤维布置于模具中，并向模具内注入酚醛树脂进行固化，制备得到耐高压复合材料，其中纤维含量为40％；利用该耐高压复合材料制备的特高压绝缘拉杆。
82.实施例3
83.实施例3与实施例1基本相同，其不同之处在于：
84.以20％pbo纤维、10％聚酯纤维和10％玻璃纤维为经纱，以20％芳纶纤维、20％聚酯纤维和10％玻璃纤维为纬纱，采用纬编圆筒交织机编织得到混编层。
85.实施例4
86.实施例4与实施例1基本相同，其不同之处在于：
87.以20％pbo纤维、20％聚酯纤维和1％玻璃纤维为经纱，以20％芳纶纤维、10％聚酯纤维和19％玻璃纤维为纬纱，采用纬编圆筒交织机编织得到混编层。
88.实施例5
89.耐高电压复合材料用混编纤维布中各组分的体积分数如下：芳纶纤维15％、pbo纤维10％、玻璃纤维20％和聚酯纤维55％；
90.(1)以10％pbo纤维、30％聚酯纤维和5％玻璃纤维为经纱，以15％芳纶纤维、25％聚酯纤维和5％玻璃纤维为纬纱，采用纬编圆筒交织机编织得到混编层；
91.(2)将混编层和玻璃纤维层(即10％玻璃纤维)交替铺设，并在每两层混编层的一侧铺设一层玻璃纤维层，得到混编纤维坯布；
92.其中，玻璃纤维层中玻璃纤维束用量为200g/m2，厚度为0.02mm；且相邻两层混编层的经纬线不相同；
93.(3)将混编纤维坯布放入定型机中，并在车速为10m/min，风机转速为1500r/min，定形温度为150℃的条件下进行预定形，得到耐高电压复合材料用混编纤维布。
94.应用：将该混编纤维布置于模具中，并向模具内注入酚醛树脂进行固化，制备得到耐高压复合材料，其中纤维含量为40％；利用该耐高压复合材料制备的特高压绝缘拉杆。
95.实施例6
96.实施例6与实施例1基本相同，其不同之处在于：
97.耐高电压复合材料用混编纤维布中各组分的体积分数如下：芳纶纤维20％、pbo纤维20％、玻璃纤维40％和聚酯纤维20％；
98.以20％pbo纤维、10％聚酯纤维和13％玻璃纤维为经纱，以20％芳纶纤维、10％聚酯纤维和13％玻璃纤维为纬纱，采用纬编圆筒交织机编织得到混编层；
99.玻璃纤维层为14％玻璃纤维。
100.实施例7
101.实施例7与实施例1基本相同，其不同之处在于：
102.耐高电压复合材料用混编纤维布中各组分的体积分数如下：芳纶纤维15％、pbo纤维15％、玻璃纤维30％和聚酯纤维40％；
103.以15％pbo纤维、20％聚酯纤维和10％玻璃纤维为经纱，以15％芳纶纤维、20％聚酯纤维和10％玻璃纤维为纬纱，采用纬编圆筒交织机编织得到混编层；
104.玻璃纤维层为10％玻璃纤维。
105.对比例1
106.应用：将纯芳纶纤维布置于模具中，并向模具内注入酚醛树脂进行固化，制备得到耐高压复合材料，其中纤维含量为40％；利用该耐高压复合材料制备的特高压绝缘拉杆。
107.对比例2
108.对比例2与实施例1基本相同，其不同之处在于：
109.耐高电压复合材料用混编纤维布中各组分的体积分数如下：芳纶纤维40％、玻璃纤维30％和聚酯纤维30％；
110.以20％芳纶纤维、15％聚酯纤维和10％玻璃纤维分别为经纱和纬纱，采用纬编圆筒交织机编织得到混编层；
111.玻璃纤维层为10％玻璃纤维。
112.对比例3
113.对比例3与实施例1基本相同，其不同之处在于：
114.耐高电压复合材料用混编纤维布中各组分的体积分数如下：芳纶纤维20％、pbo纤维20％、玻璃纤维30％和聚酯纤维30％；
115.以20％pbo纤维和15％聚酯纤维为经纱，以20％芳纶纤维和15％聚酯纤维为纬纱，采用纬编圆筒交织机编织得到混编层；
116.玻璃纤维层为30％玻璃纤维；其中，玻璃纤维层中玻璃纤维束用量为400g/m2，厚度为0.06mm。
117.需要说明的是，对比例1中纯芳纶纤维布的厚度与实施例1的混编纤维布的厚度相同；对比例2和3中混编纤维布的厚度与实施例1的混编纤维布的厚度也相同。
118.将实施例1至7以及对比例1至3所制备的耐高电压复合材料进行力学性能测试，得到其弯曲强度、弯曲模量、剪切强度如表1所示；同时将由实施例1至7以及对比例1至3制备的特高压绝缘拉杆进行耐压试验并测试阻燃性能，得到其测试结果如表1所示。其中，阻燃性能按ul 94防火测试标准进行测量。
119.表1
[0120][0121]
由表1可知，本发明实施例所制备的混编纤维布具有更好的刚度和树脂浸润性，改善了树脂填充后含胶量不均匀，强度下降的问题，使得基于混编纤维布得到的耐高电压复合材料能耐特高压1100kv，稳定运行在1100kv及以上的特高压电压等级的输电线路上，为特高压输电线路建设提供优良的绝缘子产品，而且力学性能和阻燃性能更优异，制备成本较低，具有经济和社会效益，应用更广。然而，对比例1采用纯芳纶纤维布所制备的耐高电压复合材料，由于与树脂基体结合能力相对较差，导致树脂在芳纶纤维布的浸润性差，使得填充树脂后的复合材料含胶量不均匀，导致复合材料的层间剪切强度较低、横向拉伸强度较低；对比例2中未加入pbo纤维，导致耐高电压复合材料的力学性能较差；对比例3的混编层中未加入玻璃纤维，使得制备的混编纤维布的浸润性仍较差，进而导致耐高电压复合材料的力学性能较差。而且对比例1至3所制备特高压绝缘拉杆的在1100kv的特高压下则会失效，且阻燃等级也未达到v-0；其中，表1中的
“‑”
表示阻燃等级未达到v-0。
[0122]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。