用于電傳輸纜的復合芯的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于諸如高壓傳輸纜的電纜的復合芯。該復合芯含有至少一個棒，所述至少一個棒包括被覆蓋層環(huán)繞的連續(xù)纖維元件。該連續(xù)纖維元件是由多根包埋于熱塑性聚合物基質內的單向排列的纖維粗紗形成。本
【發(fā)明者】已發(fā)現，可通過下述方式來顯著改善熱塑性聚合物基質浸漬粗紗的程度：通過對浸漬過程進行選擇性控制；也可通過在棒的形成和成型期間以及最終棒的幾何形狀的校準期間對施加給粗紗的壓縮程度進行控制。該經充分浸漬的棒具有非常小的空隙率，從而產生了極好的強度性能。值得注意的是，在棒中無需不同纖維類型的情況下即可獲得期望的強度性能。
【專利說明】用于電傳輸纜的復合芯
【技術領域】
[0001]本申請涉及于2011年4月12日提交的名稱為“具有復合芯的電傳輸纜”的美國臨時專利申請N0.61 / 474,423，和于2011年4月12日提交的名稱為“用于電傳輸纜的復合芯”的美國臨時專利申請N0.61 / 474，458，這兩件美國臨時專利申請都通過引用方式結合于此。
【背景技術】
[0002]復合導線結構通常用作用于向用戶傳輸電的傳輸線或電纜。復合傳輸線構造的實例包括:例如，鋁導體復合芯(ACCC)增強電纜和鋁導體鋼增強(ACSR)電纜。ACSR電纜典型地包括環(huán)繞鋼內芯的鋁外導電層。傳輸線被設計為不僅有效地傳輸電，而且還必須堅固且耐溫，尤其當將傳輸線系在塔上并拉伸很長距離時。實際上，使用基于鋼的傳輸線的主要缺點之一是:當在較高溫度下操作時，電纜趨于形成不可接受的下垂。
[0003]為改善傳輸線的性能，人們已嘗試用高強度聚合物來構造電纜芯。例如，Hiel等人的美國專利N0.7，179，522描述了一種復合芯，所述復合芯由被玻璃纖維-增強環(huán)氧樹脂外芯環(huán)繞的碳纖維-增強環(huán)氧樹脂內芯形成。根據Hiel等人，優(yōu)選使用至少兩種不同纖維類型(碳纖維和玻璃纖維)來達到強度、硬度和撓性的組合。然而，含有一種以上纖維類型的復合芯已遇到困難。例如，由于玻璃纖維和碳纖維具有不同的熱膨脹系數，因此在成形期間施加給纖維的熱可導致玻璃纖維以不同于碳纖維的速率膨脹。在冷卻時，收縮的玻璃迫使碳處于壓縮狀態(tài)并在芯中產生殘余應力。人們已數次嘗試使用單一纖維類型來制造芯。例如，Bryant等人的美國專利公開N0.2005 / 0186410描述了嘗試將碳纖維包埋于熱塑性樹脂中以形成單一纖維復合芯。令人遺憾的是，這些芯由于纖維的不充分潤濕而顯示出缺陷及干斑，從而導致耐久性和強度差。此外，碳易于與鋁發(fā)生流電反應，從而可能導致電纜的腐蝕和失效。這些芯的另一問題是熱塑性樹脂不能在高溫下操作。由于這些原因，Bryant等人研發(fā)出含有用熱固性環(huán)氧樹脂基質包埋的S-2玻璃纖維的單一纖維芯。雖然這些芯消除了二纖維系統(tǒng)的問題，然而它們缺乏期望的強度水平。此外，在許多制造過程中使用熱固性樹脂是有問題的，且這些樹脂也缺乏與其他材料形成層的良好結合特性。
[0004]因此，目前存在對單一纖維型復合芯的需要，所述單一纖維型復合芯由熱塑性材料形成，且仍能夠達到具體應用所要求的期望強度、耐久性和溫度性能。

【發(fā)明內容】

[0005]根據本發(fā)明的一個實施例，公開了一種在縱向方向上延伸的電傳輸纜芯。該芯包括含有連續(xù)纖維元件的至少一個棒，所述連續(xù)纖維元件包括多根固化熱塑性樹脂浸潰粗紗。這些粗紗含有沿縱向方向定向的連續(xù)纖維和包埋所述連續(xù)纖維的熱塑性基質。這些連續(xù)纖維具有的極限拉伸強度與每單位長度質量的比率大于約1，000兆帕/克/米。所述連續(xù)纖維占所述棒的約25wt.%至約80wt.而熱塑性基質占所述棒的約20wt.%至約75wt.%。不含連續(xù)纖維的覆蓋層環(huán)繞所述連續(xù)纖維元件。棒具有約10千兆帕的最小彎曲模量。
[0006]根據本發(fā)明的另一個實施例，公開了一種形成電傳輸纜芯的方法。該方法包括用熱塑性基質浸潰多根粗紗以及固化這些粗紗以形成條帶，其中這些粗紗包括沿縱向方向定向的連續(xù)纖維。這些連續(xù)纖維具有的極限拉伸強度與每單位長度質量的比率大于約1，000兆帕/克/米。連續(xù)纖維占該條帶的約25wt.%至約80wt.而熱塑性基質占該條帶的約20wt.%至約75wt.%。將條帶加熱至熱塑性基質的熔融溫度或更高的溫度,并牽引條帶經過至少一個成形模具以將條帶壓縮并定型成棒。將覆蓋層施加至該棒。
[0007]根據本發(fā)明的又一個實施例，公開了一種制造電纜的方法。該方法可包括提供包括至少一個復合芯的電纜芯，以及用多個導電元件環(huán)繞電纜芯。復合芯可包括至少一個棒，所述至少一個棒包括多根固化熱塑性浸潰粗紗。這些粗紗可包括沿縱向方向定向的連續(xù)纖維和包埋所述連續(xù)纖維的熱塑性基質。這些連續(xù)纖維可具有的極限拉伸強度與每單位長度質量的比率大于約I，OOOMPa / g / m。典型地,該棒可包括約25wt.%至約80wt.%的連續(xù)纖維和約20wt.%至約75wt.%的熱塑性基質。覆蓋層可環(huán)繞所述至少一個棒，而且覆蓋層通常可不含連續(xù)纖維。在這些和其他實施例中，復合芯可具有大于約IOGPa的彎曲模量。
[0008]下文將更詳細地闡述本發(fā)明的其他特征和方面。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]在包括參照附圖的說明書的其余部分中，更具體地闡述了本發(fā)明的完整且可實現的公開內容，該公開內容包括對于本領域技術人員來說最佳的實施例，附圖中:
[0010]圖1是用于本發(fā)明中的固化條帶的一個實施例的透視圖；
[0011]圖2是用于本發(fā)明中的固化條帶的另一個實施例的剖視圖；
[0012]圖3是用于本發(fā)明中的浸潰系統(tǒng)的一個實施例的示意圖；
[0013]圖4是圖3所示浸潰模具的剖視圖；
[0014]圖5是可用于本發(fā)明中的浸潰模具的歧管組件和門通道的一個實施例的分解圖；
[0015]圖6是可用于本發(fā)明中的至少部分地限定了浸潰區(qū)域的板的一個實施例的透視圖；
[0016]圖7是可用于本發(fā)明中的拉擠成形系統(tǒng)的一個實施例的示意圖；
[0017]圖8是本發(fā)明的棒的一個實施例的透視圖；
[0018]圖9是根據本發(fā)明制成的電傳輸纜的一個實施例的透視圖；
[0019]圖10是根據本發(fā)明制成的電傳輸纜的另一個實施例的透視圖；
[0020]圖11是根據本發(fā)明可使用的各種校準模具的一個實施例的俯視剖視圖；
[0021]圖12是根據本發(fā)明可使用的校準模具的一個實施例的側剖視圖；
[0022]圖13是根據本發(fā)明可使用的校準模具的一個實施例的一部分的主視圖；和
[0023]圖14是根據本發(fā)明可使用的成形輥的一個實施例的主視圖。
[0024]在本說明書和附圖中重復使用附圖標記旨在表示本發(fā)明的相同或類似的特征或元件。
【具體實施方式】
[0025]本領域技術人員應理解的是，本論述僅僅是對示例性實施例的說明，并不用來限制本發(fā)明的更寬方面。
[0026]—般而言,本發(fā)明針對一種用于諸如高壓傳輸纜的電纜的復合芯。該復合芯含有至少一個棒，所述至少一個棒包括被覆蓋層環(huán)繞的連續(xù)纖維元件。該連續(xù)纖維元件由多根包埋于熱塑性聚合物基質內的單向排列纖維粗紗形成。本
【發(fā)明者】已發(fā)現:可通過下述方式來顯著改善用熱塑性聚合物基質浸潰粗紗的程度:通過對浸潰過程進行選擇性控制，也可通過在棒的成形和定型期間以及最終棒的幾何形狀的校準期間對施加給粗紗的壓縮程度進行控制。該充分浸潰的棒具有非常小的空隙率，從而產生了極好的強度性能。值得注意的是，在棒中無需不同纖維類型的情況下可達到期望的強度性能。
[0027]本文所用的術語“粗紗”通常指一捆或一束單纖維。含在粗紗內的纖維可以是扭轉的或可以是直的。盡管在單個或不同粗紗中可使用不同纖維，但通常期望這些粗紗中的每一個粗紗含有單纖維類型，以最小化使用具有不同熱膨脹系數的材料的任何不利影響。在粗紗中所用的連續(xù)纖維相對于它們的質量具有高程度的拉伸強度。例如，纖維的極限拉伸強度典型地為約1，000至約15，000兆帕(“MPa”)，在一些實施例中，為約2，OOOMPa至約10，OOOMPa,而在一些實施例中，為約3，OOOMPa至約6，OOOMPa0即使纖維具有相對輕的重量，諸如每單位長度的質量為約0.1克/米至約2克/米，仍可達到所述拉伸強度，在一些實施例中，每單位長度的質量為約0.4克/米至約1.5克/米。每單位長度的質量與拉伸強度的比率因此可以為約1，000兆帕/克/米(“MPa/g/m”)或更大，在一些實施例中，為約4，OOOMPa / g / m或更大，而在一些實施例中，為約5，500MPa / g/m至約20，OOOMPa /g / m。這些高強度纖維可以是:例如，金屬纖維、玻璃纖維(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)、碳纖維(例如，無定形碳、石墨碳或金屬涂覆的碳等)、硼纖維、陶瓷纖維(例如，氧化鋁或二氧化硅)、芳族聚酰胺纖維(由E.1.duPont de Nemours, Wilmington, Del.銷售的Kevlar? )、合成的有機纖維(例如，聚酰胺、聚乙烯、對亞苯基、對苯二甲酰胺、聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚苯硫醚)、以及已知用于增強的熱塑性組合物的各種其他天然或合成的無機或有機纖維材料。碳纖維尤其適于用作連續(xù)纖維，所述連續(xù)纖維通常具有的拉伸強度與質量的比率在約5，000MPa/g/m至約
7,OOOMPa / g / m的范圍內。連續(xù)纖維通常具有的標稱直徑為約4微米至約35微米，并以及在一些實施例中，為約5微米至約35微米。每一根粗紗中所含的纖維數量可以是恒定的或針對各粗紗而改變。典型地，粗紗含有約1，000根纖維至約100，000根單獨的纖維，而以及在一些實施例中，含有約5，000根纖維至約50，000根纖維。
[0028]多種熱塑性聚合物中的任一種可用來形成包埋連續(xù)纖維的熱塑性基質。在本發(fā)明中使用的熱塑性聚合物可包括，例如，聚烯烴(例如，聚丙烯、丙烯-乙烯共聚物等)、聚酯(例如，聚對苯二甲酸丁二醇酯(“PBT”))、聚碳酸酯、聚酰胺(例如，Nylon?)、聚醚酮(例如，聚醚醚酮(“PEEK”))、聚醚酰亞胺、聚亞芳基酮(例如，聚亞苯基二酮(“PPDK”))、液晶聚合物、聚亞芳基硫醚(例如，聚苯硫醚(“PPS”)、聚(對亞聯苯基硫醚酮)、聚(亞苯基硫醚二酮)、聚(對亞聯苯基硫醚)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-烷氧基烷烴聚合物，四氟乙烯聚合物，乙烯-四氟乙烯聚合物等)、聚縮醛、聚氨酯、聚碳酸酯、苯乙烯類聚合物(例如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(“ABS”))等。
[0029]通常選擇熱塑性基質的性質以在使用過程中達到棒的加工性和性能的期望組合。例如，熱塑性基質的熔融粘度通常足夠低，以使得聚合物可充分地浸潰纖維并定型為棒構造。就此而言，熔融粘度通常在約25帕斯卡-秒至約2，OOO帕斯卡-秒(“Pa-s”)的范圍內，在一些實施例中，在50Pa_s至約500Pa_s的范圍內，以及在一些實施例中，在約60Pa_s至約200Pa-s的范圍內，這是在熱塑性聚合物所用的操作條件(例如，約360°C )下確定的。同樣，因為棒旨在在高溫下使用(例如，高壓傳輸纜)，故采用具有相對高熔融溫度的熱塑性聚合物。例如，這樣的高溫聚合物的熔融溫度可以在約200°C至約500°C的范圍內，在一些實施例中，在約225°C至約400°C的范圍內，以及在一些實施例中，在約250至約350°C的范圍內。
[0030]，基硫醚尤其適在本發(fā)明中用于作為具有理想熔融粘度的高溫基質。例如，聚苯硫醚是半結晶樹脂，其通常包括由下列通式表示的重復單體單元:
[0031]
[0032]在聚合物中，這些單體單元通常占重復單元的至少80摩爾百分比，在一些實施例中，為至少90摩爾百分比。然而，應理解的是，聚苯硫醚可以包括另外的重復單元，例如Gotoh等人的美國專利N0.5，075，381中所述的，出于所有目的，將在此其全部內容以引用方式并入本文中。在應用時，這些附加的重復單元通常占聚合物的不超過約20摩爾百分比。市售高熔融粘度聚苯硫醚可以包括那些以商標名FORTRON?,從Ticona，LLC (Florence, Kentucky)獲得的。這類聚合物可具有約285 °C的熔融溫度(根據IS011357-1、2、3而確定的)，和在310°C下約260帕斯卡-秒至約320帕斯卡-秒的熔融粘度。
[0033]根據本發(fā)明，通常采用擠出裝置來用熱塑性基質浸潰粗紗。此外，擠出裝置有助于熱塑性聚合物能夠施加到纖維的整個表面上。已浸潰的粗紗也具有低的空隙率，這有助于增強其強度。例如，空隙率可以為約6 %或更少，在一些實施例中為約4%或更少，在一些實施例中為約3%或更少，在一些實·施例中為約2%或更少，在一些實施例中為約I %或更少，以及在一些實施例中，為約·0.5%或更少?？墒褂帽绢I域技術人員所熟知的技術來測量所述空隙率。例如，可使用“樹脂燒掉”試驗來測量所述空隙率，在該試驗中，樣品被置于烤箱中(例如在600°C保持3小時)以燒掉樹脂。然后，可測量剩余纖維的質量來計算重量和體積分數。根據ASTM D2584-08進行該“燒掉”試驗以確定纖維的重量與熱塑性基質的重量，其然后可用來基于下面的公式而計算“空隙率”:
[0034]Vf = 100*(P t_P c) / P t
[0035]其中，
[0036]Vf是空隙率，為百分比；
[0037]P。是使用已知的技術(例如用液體或氣體比重計(例如，氦比重計))測量的復合物的密度；
[0038]P t是復合物的理論密度，其由以下等式而確定:
[0039]
【權利要求】
1.一種電傳輸纜的芯,其中所述芯沿縱向方向延伸并且包括:至少一個含有連續(xù)纖維元件的棒，所述連續(xù)纖維元件包括多根固化熱塑性浸潰粗紗，所述粗紗含有沿縱向方向定向的連續(xù)纖維和包埋所述連續(xù)纖維的熱塑性基質，所述連續(xù)纖維具有的極限抗拉強度與每單位長度質量的比率大于約1，OOO兆帕/克/米，其中所述連續(xù)纖維占棒的約25wt.%至約80wt.而熱塑性基質占棒的約20wt.%至約75wt.以及環(huán)繞連續(xù)纖維元件的覆蓋層，其中覆蓋層不含連續(xù)纖維； 其中，棒具有約10千兆帕的最小彎曲模量。
2.如權利要求1所述的芯，其中，所述連續(xù)纖維具有的極限抗拉強度與每單位長度質量的比率為從約5，500兆帕/克/米至約20，000兆帕/克/米。
3.如權利要求1所述的芯，其中，所述連續(xù)纖維是碳纖維。
4.如權利要求1所述的芯，其中，所述熱塑性基質包括聚芳硫醚。
5.如權利要求4所述的芯，其中，所述聚芳硫醚是聚苯硫醚。
6.如權利要求1所述的芯，其中，所述連續(xù)纖維占所述棒的約30wt.%至約75wt.%。
7.如權利要求1所述的芯，其中，所述棒具有約3%或更小的空隙率。
8.如權利要求1所述的芯，其中，所述棒具有約15千兆帕至約200千兆帕的彎曲模量。
9.如權利要求1所述的芯，其中，所述棒具有約300兆帕或更大的極限抗拉強度。
10.如權利要求1所述的芯，其中，所述棒具有約50千兆帕或更大的彈性拉伸模量?！?br> 11.如權利要求1所述的芯，其中，所述棒由4根至20根粗紗形成。
12.如權利要求1所述的芯,其中,所述連續(xù)纖維大致均勻地圍繞所述棒的縱向中心分布。
13.如權利要求1所述的芯，其中，每一根粗紗含有約1，000至約100，000根獨立的連續(xù)纖維。
14.如權利要求1所述的芯，其中，所述棒具有約0.1毫米至約50毫米的直徑。
15.如權利要求1所述的芯，其中，所述棒具有圓形橫截面形狀。
16.如權利要求1所述的芯，其中，所述覆蓋層含有介電強度為至少約2KV/ _的熱塑性聚合物。
17.—種形成電傳輸纜的芯的方法,所述芯在縱向方向上延伸,其中所述方法包括: 用熱塑性基質浸潰多根粗紗以及固化這些粗紗以形成條帶，其中所述粗紗包括沿縱向方向定向的連續(xù)纖維，所述連續(xù)纖維具有的極限拉伸強度與每單位長度質量的比率大于約1，000兆帕/克/米,其中所述連續(xù)纖維占所述條帶的約25wt.%至約80wt.% ,而所述熱塑性基質占所述條帶的約20wt.%至約75wt.% ； 加熱所述條帶； 將經加熱的條帶牽引經過至少一個成形模具以將條帶壓縮并定型為棒；以及 將覆蓋層施加至所述棒。
18.如權利要求17所述的方法，其中，所述棒具有圓形或橢圓形的橫截面形狀。
19.如權利要求17所述的方法，其中，所述覆蓋層通過使所述棒穿過十字頭模具而形成。
20.如權利要求17所述的方法，其中，所述連續(xù)纖維是碳纖維。
21.如權利要求17所述的方法，其中，所述熱塑性基質包括聚芳硫醚。
22.如權利要求17所述的方法,其中，所述連續(xù)纖維占所述條帶的約30wt.%至約75wt.%。
23.如權利要求17所述的方法，其中，所述條帶具有約2%或更小的空隙率。
24.如權利要求17所述的方法，其中，采用I根至20根獨立的條帶來形成預制件。
25.如權利要求17所述的方法，其中，在紅外烤箱內加熱所述條帶。
26.如權利要求17所述的方法，其中，使所述粗紗在所述條帶中彼此等距地間隔開。
27.如權利要求17所述的方法，其中，在擠出裝置內浸潰所述粗紗。
28.如權利要求27所述的方法，其中，使所述粗紗以曲折路徑橫穿所述擠出裝置。
29.如權利要求27所述的方法，其中，歧管組件將所述熱塑性基質供應至所述擠出裝置，所述歧管組件包括熱塑性基質所流經的分支流道。
30.如權利要求17所述的方法，其中，當用所述熱塑性基質進行浸潰時，所述粗紗處于張力下。
31.如權利要求17所述的方法，其中，將所述經加熱的條帶牽引穿過固化模具以及后續(xù)校準模具以壓縮所述條帶。
32.如權利要求17所述的方法，其中，使所述棒在離開所述固化模具之后且在進入校準模具之前冷卻。
33.如權利要求17所述的方法，其中，所述覆蓋層不含連續(xù)纖維。
34.如權利要求17所述的方法，其中，所述條帶具有約3%或更小的空隙率。
【文檔編號】H01B5/10GK103858181SQ201280018311
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年4月11日 優(yōu)先權日:2011年4月12日
【發(fā)明者】S·M·尼爾森, D·W·伊斯特普, T·L·蒂博爾, T·A·雷甘, M·L·韋斯里 申請人:提克納有限責任公司