電纜復(fù)合芯用樹(shù)脂組合料的研究

劉龍江，高文超，張培影，姚其勝

（上海康達(dá)化工新材料股份有限公司，上海 221000）

電纜復(fù)合芯用樹(shù)脂組合料的研究

劉龍江，高文超，張培影，姚其勝

（上?？颠_(dá)化工新材料股份有限公司，上海 221000）

以四官能環(huán)氧樹(shù)脂AG-80及三官能環(huán)氧樹(shù)脂AFG-90作為主體樹(shù)脂，以甲基四氫苯酐作為固化劑，以甲基丙烯酸（MMA）和丙烯酸異辛酯進(jìn)行共聚反應(yīng)的產(chǎn)物作為增韌劑，制備電纜復(fù)合芯組合料。研究結(jié)果表明，添加增韌劑的樹(shù)脂復(fù)合料本體拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率均有所提升，模量有所下降，而通過(guò)DSC測(cè)試顯示對(duì)體系的耐熱性能影響不大，與外來(lái)樣品性能持平，可以滿足電纜復(fù)合芯的需要。

電纜復(fù)合芯；增韌改性；應(yīng)用

我國(guó)是缺電的國(guó)家，不僅發(fā)電業(yè)的發(fā)展滯后，而且輸電業(yè)的弊端也很突出，過(guò)負(fù)荷造成的停電、斷電故障頻頻發(fā)生，電力傳輸成為電力工業(yè)發(fā)展的“瓶頸”?，F(xiàn)有的各種架空導(dǎo)線中，常用的是鋼芯鋁絞電纜（ACSR），其存在電容負(fù)荷小、傳輸損失大等多種問(wèn)題[1]。各國(guó)均在研究新型架空輸電路用導(dǎo)線，以取代傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線，碳纖維和玻璃纖維復(fù)合芯鋁絞電纜（ACCC）是目前研究成功并投入商業(yè)運(yùn)行的產(chǎn)品[2]。與傳統(tǒng)的ACSR相比，這種新型電纜具有耐高溫、熱線脹系數(shù)小、耐腐蝕、輸送容量大、線損小等一系列優(yōu)異性能, 能夠提高電力傳輸容量1倍以上，同時(shí)減少電損和桿塔數(shù)各約20%，對(duì)電路增容、擴(kuò)容具有重要意義[3]。ACCC在新建電力輸電線路或老線路的改造上具有顯著經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益[4]。

碳纖維和玻璃纖維復(fù)合芯鋁絞電纜的核心技術(shù)是芯棒的制造，高溫韌性環(huán)氧樹(shù)脂是十分關(guān)鍵的材料。在碳纖維復(fù)合芯棒中，碳纖維占35%，玻璃纖維占35%，高溫韌性環(huán)氧樹(shù)脂占30%[5]。所用碳纖維的拉伸強(qiáng)度高和斷裂伸長(zhǎng)大，提高了所制芯棒韌性和耐沖擊性能。目前，在國(guó)內(nèi)外高溫韌性環(huán)氧樹(shù)脂市場(chǎng)中國(guó)外產(chǎn)品占據(jù)絕對(duì)的主導(dǎo)地位[6]。本文通過(guò)合成新型的甲基丙烯酸脂類(lèi)增韌劑使電纜芯組合料達(dá)到高溫增韌效果同時(shí)不降低耐熱性，彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)產(chǎn)品與國(guó)外產(chǎn)品在性能上的差距，目前測(cè)試性能和國(guó)外樣品對(duì)比性能基本持平。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

AG-80、AFG-90，工業(yè)級(jí)，上海合成樹(shù)脂所；增韌劑，自制；甲基四氫苯酐，工業(yè)級(jí)，福來(lái)特化工有限公司；2-乙基-4-甲基咪唑，工業(yè)級(jí)，江蘇康樂(lè)新材料科技有限公司；甲基丙烯酸異辛酯，工業(yè)級(jí)，上海高橋石化有限公司；甲基丙烯酸，工業(yè)級(jí)，上海華誼丙烯酸有限公司；偶氮二異丁腈（AIBN），阿拉丁試劑（上海）有限公司。

1.2 測(cè)試與表征

用瑞士梅特勒-托力多公司型號(hào)820的差熱分析儀（DSC）測(cè)定澆注體玻璃化溫度，O～25O ℃，升溫速率20 ℃／min：

安東帕高級(jí)旋轉(zhuǎn)流變儀100 ℃測(cè)試凝膠速度；樹(shù)脂澆注體按照GB/T 2570—95測(cè)定彎曲強(qiáng)度；按照GB/T2568—95測(cè)試?yán)鞆?qiáng)度、拉伸模量、拉伸伸長(zhǎng)率。

1.3 樣品制備

增韌劑的制備：丙烯酸異辛酯160 g與甲基丙烯酸11.8 g在常溫下預(yù)先混合20 min，而后升溫到130℃（升溫30 min），滴加3.5 g AIBN 和80 g甲苯溶解液，130℃反應(yīng)2～3 h，導(dǎo)入瓶中減壓蒸餾去除溶劑備用。增韌劑合成反應(yīng)方程式見(jiàn)式（1）：

雙組分組合料A、B組分配方∶A組分為m（AG80）∶m（AG90）=9∶1；B組分為m（甲基四氫苯酐）∶m（自制增韌劑）∶m（2-乙基-4-甲基咪唑）=78∶29∶1；組合料按照m（A）∶m（B）=100∶185比例攪拌均勻后澆鑄成型，在200℃固化1 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 澆注料的性能研究

由表1可以看出，配方加入增韌劑改性后本體拉伸強(qiáng)度略微增高，改性后體系材料韌性較好，斷裂伸長(zhǎng)率在2.7%左右。國(guó)內(nèi)關(guān)于環(huán)氧樹(shù)脂增韌較成功的改性方法，是通過(guò)橡膠彈性體增韌，端羧基丁腈橡膠（CTBN）改性效果很好，但是CTBN中含有較多的不飽和雙鍵，高溫下易于裂解和氧化，降低了彈性體粒子的彈性和延展性，耐熱性有所損失，與此同時(shí)黏度也會(huì)增加，價(jià)格成本也較為昂貴[7]。以此為借鑒，丙烯酸異辛酯和甲基丙烯酸在AIBN的催化作用下進(jìn)行自由基反應(yīng)，羧基的引入可以使增韌劑在固化過(guò)程中有效地與環(huán)氧基體、固化劑形成化學(xué)連接，從而提高了韌性的同時(shí)不會(huì)降低強(qiáng)度，使增韌后的產(chǎn)品性能達(dá)到外來(lái)樣品水平。

表1 澆注料體系性能對(duì)比Fig.1 Performance comparison of cured cast epoxy resin materials

2.2 澆注料的耐熱性研究

對(duì)固化產(chǎn)物進(jìn)行DSC分析（見(jiàn)圖1）。由圖1可以看出外樣和改性后的Tg均 為216℃左右，由于四官能團(tuán)環(huán)氧AG-80和三官能團(tuán)環(huán)氧AFG-90的加入整體結(jié)構(gòu)體系顯剛性，增韌劑的結(jié)構(gòu)為高分子結(jié)構(gòu)，在羧基和體系反應(yīng)后重復(fù)鏈段為脂肪族結(jié)構(gòu)，體系起到增韌效果的同時(shí)羧基還可以和環(huán)氧進(jìn)行反應(yīng)交聯(lián)[8]，在耐熱性方面對(duì)材料的Tg（ 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）影響很小。

2.3 組合料固化速度研究

在復(fù)合芯拉擠過(guò)程中，拉擠速度直接影響到最終的拉擠效率。從圖2改性配方樹(shù)脂和外樣品的流變對(duì)比可以看出，在100℃固化在15 min后剪切彈性模量G′和剪切黏性模量G″開(kāi)始上升，G′、G″在22 min左右交點(diǎn)即為凝膠時(shí)間，因此可以看出固化速度基本和外樣持平，均為22 min左右。

圖1 DSC分析Fig.1 DSC analysis

圖2 流變分析Fig.2 Rheological analysis

3 結(jié)論

以四官能環(huán)氧樹(shù)脂AG-80及AFG-90作為主體樹(shù)脂，以甲基四氫苯酐作為固化劑，以甲基丙烯酸（MMA）和丙烯酸異辛酯進(jìn)行共聚反應(yīng)的產(chǎn)物作為增韌劑，制備電纜復(fù)合芯組合料。自制增韌劑對(duì)體系固化速度沒(méi)有影響，滿足電纜復(fù)合芯制備過(guò)程中對(duì)拉擠速度的要求，在不影響耐溫性能的情況下對(duì)其力學(xué)性能有所提升，增韌劑的加入同時(shí)模量有所下降，使得所制產(chǎn)品達(dá)到外樣性能，滿足電纜芯在卷繞過(guò)程中對(duì)韌性的要求，可以用于電纜復(fù)合芯的制備。

[1]甘興忠.碳纖維復(fù)合芯軟鋁絞線等擴(kuò)容量導(dǎo)線的性能及應(yīng)用[J].電線電纜,2007,50(5):37-41．

[2]朱愛(ài)鈞,尤志薇.碳纖維復(fù)合導(dǎo)線在上海電網(wǎng)應(yīng)用前景初探[J].華東電力,2007,35(10):93-95．

[3]費(fèi)斐.新型耐熱導(dǎo)線的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].上海電力,2007,56(5):525-528．

[4]黃強(qiáng),王家紅,歐名勇.2005年湖南電網(wǎng)冰災(zāi)事故分析及其應(yīng)對(duì)措施[D].山東大學(xué).

[5]郭同彩,李明,徐曉東.加快電網(wǎng)建設(shè)新技術(shù)推廣應(yīng)用的研究與建議[J].電網(wǎng)技術(shù),2006,30(2):23-29．

[6]尤志魏.碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在上海電網(wǎng)應(yīng)用分析[J].華東電力,2009,37(8):1292-1294．

[7]李曉強(qiáng),唐斌,成獎(jiǎng)國(guó).羧基丁腈橡膠的性能研究[J].橡膠工業(yè),2004,51(5):69-73．

[8]馬天信,姜波.增韌劑對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂性能的影響[J].熱固性樹(shù)脂,2003,18(3):7-9．

Study on mixed resin materials for composite core of cables

LIU Long-jiang, GAO Wen-Chao, ZHANG Pei-ying, YAO Qi-sheng
(Shanghai Kangda Chemical New Material Co., Ltd., Shanghai 22100, China)

Using tetrafunctional epoxy resin AG-80 and trifunctional epoxy resin AFG-90 as the main resins, methyl tetrahydrophthalic anhydride as the curing agent, and the copolymerizing product of methacrylic acid (MMA) and isooctyl acrylate as the toughening agent, the mixed resin materials for composite core of cables were prepared. The test results showed that after adding the toughening agent the tensile strength, bending strength and elongation of the mixed resin material were improved, and its modulus was decreased, and the DSC results showed that adding the toughening agent had a little effect on heat resistance of the system, which catched up the external samples' performance and can meet the requirements of composite core of cables.

composite core of cables; toughening modification; application

TQ437+.6

A

1001-5922（2017）07-0049-03

2016-11-24

劉龍江（1979-），男，碩士，研發(fā)主任，從事環(huán)氧膠粘劑及復(fù)合材料用樹(shù)脂研發(fā)及管理工作。E-mail：longjiang23@163.com。