本發(fā)明涉及一種復合材料電桿及其制備方法，尤其是一種高強高韌聚氨酯復合材料電桿及其制備方法。
背景技術：
傳統(tǒng)的電桿一般為水泥桿、金屬桿或木質電桿。這些電桿在內陸地區(qū)得到了廣泛的應用，但是將其用于沿海地區(qū)時則存在諸多困難。沿海地區(qū)和內陸地區(qū)環(huán)境特點不同，年平均風速基本在5m/s左右，這種高頻率小速度風要求電桿具有良好的耐疲勞性能，即需要良好的韌性。此外，沿海地區(qū)還會有臺風、超強臺風等高風速風出現(xiàn)，這就要求電桿具有良好的承載力彎矩(大風速不損壞)，即具有足夠的強度。傳統(tǒng)的三種電桿滿足沿海用要求比較困難，會出現(xiàn)易受腐蝕、安裝運輸困難、強度及韌性不夠從而易被臺風吹斷的問題。
因此，迫切需要一種電桿，其耐疲勞性能優(yōu)良，可以應用于沿海地區(qū)。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的之一在于提供一種復合材料電桿，其耐疲勞性能優(yōu)良。本發(fā)明的目的之二在于提供上述復合材料電桿的制備方法，其工藝簡單，可以獲得耐疲勞性能優(yōu)良的電桿。
本申請的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，對于復合材料電桿，通過調整鋪層設計，選擇合適的纖維材料可以獲得耐疲勞性能優(yōu)良的電桿，從而完成了本發(fā)明。
本發(fā)明提供一種復合材料電桿，其包括至少一個纏繞組，例如1～5個纏繞組，優(yōu)選為1～3個纏繞組。本發(fā)明的所述至少一個纏繞組由內向外依次包括螺旋纏繞層、補強層和環(huán)向纏繞層。本發(fā)明的電桿可以設計為錐臺形結構，亦即根徑大于梢徑。
根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式，所述的電桿包括至少一個纏繞組，該至少一個纏繞組由內向外依次包括螺旋纏繞層、補強層和環(huán)向纏繞層；
其中，所述螺旋纏繞層使用玻璃纖維或玄武巖纖維從所述電桿的根部螺旋纏繞至梢部，所述螺旋纏繞層的厚度為0.5～1mm，其纏繞角為1～3°；
其中，所述補強層使用纖維布或者織物從距離所述電桿的根部0.5～1.8m處開始纏繞至距離所述電桿的根部3～8m處，所述補強層的厚度為0.5～1mm；和
其中，所述環(huán)向纏繞層使用玻璃纖維或玄武巖纖維從所述電桿的根部環(huán)向纏繞至梢部，所述環(huán)向纏繞層的厚度為0.3～0.6mm。
根據(jù)本發(fā)明的電桿，優(yōu)選地，在所述螺旋纏繞層中，所述的玻璃纖維或玄武巖纖維均以經過聚氨酯浸潤處理的無捻紗的形式使用；并且在所述環(huán)向纏繞層中，所述的玻璃纖維或玄武巖纖維均以經過聚氨酯浸潤處理的無捻紗的形式使用。在本發(fā)明中，無捻紗優(yōu)選為高強度玻璃纖維無捻紗或高強度玄武巖纖維無捻紗，這樣可以進一步提高電桿的強度。本發(fā)明的聚氨酯優(yōu)選為雙組分聚氨酯，可以采用本領域已知的那些。作為優(yōu)選，雙組分聚氨酯為亨斯邁公司生產的聚氨酯樹脂；A組分：SK15001多元醇混合物，B組分:Suprasec 1502。
在本發(fā)明中，在所述螺旋纏繞層中，所述螺旋纏繞層的厚度可以為0.5～1mm，優(yōu)選為0.8～1mm。所述螺旋纏繞層的纏繞角可以為1～3°，優(yōu)選為2～3°。在所述環(huán)向纏繞層中，所述環(huán)向纏繞層的厚度可以為0.3～0.6mm，優(yōu)選為0.35～0.5mm。所謂環(huán)向纏繞是指纏繞角接近90°時的纏繞方式。
在本發(fā)明中，所述補強層使用纖維布或者織物可以從距離所述電桿的根部0.5～1.8m處開始纏繞至距離所述電桿的根部3～8m處。優(yōu)選地，所述補強層使用纖維布或者織物可以從距離所述電桿的根部1～1.5m處開始纏繞至距離所述電桿的根部3～6m處。所述補強層的厚度可以為0.5～1mm，優(yōu)選為0.8～1mm。在纏繞纖維布或者織物時，采用人工淋膠的方式將聚氨酯淋在纖維布或者織物上。該聚氨酯可以采用螺旋纏繞層、環(huán)向纏繞層所使用的那些，這里不再贅述。
根據(jù)本發(fā)明的電桿，優(yōu)選地，在所述補強層中，所述的纖維布或者織物均由玻璃纖維無捻紗或玄武巖纖維無捻紗形成，并且所述的纖維布或者織物的幅寬為250～400mm。作為優(yōu)選，所述的纖維布或者織物的幅寬為300～350mm。在本發(fā)明中，無捻紗優(yōu)選為高強度玻璃纖維無捻紗或高強度玄武巖纖維無捻紗，這樣可以進一步提高電桿的強度。在本發(fā)明中，高強度玻璃纖維無捻紗或高強度玄武巖纖維無捻紗的拉伸斷裂強度不小于0.45N/tex。
根據(jù)本發(fā)明的電桿，優(yōu)選地，在所述補強層中，所述的纖維布或者織物在纏繞時第n+1圈與第n圈之間重疊1/3～1/2，其中n為自然數(shù)，即1，2，3，4，5，6，7，8……。例如，第2圈與第1圈之間重疊1/3，第3圈與第2圈之間重疊1/3。
根據(jù)本發(fā)明的電桿，優(yōu)選地，所述補強層包括第一補強層和第二補強層；第一補強層使用纖維布或者織物從距離所述電桿的根部0.5～1.8m處開始纏繞至距離所述電桿的根部3～5m處；第二補強層使用纖維布或者織物從距離所述電桿的根部0.5～1.8m處開始纏繞至距離所述電桿的根部5～8m處。作為優(yōu)選，第一補強層使用纖維布或者織物從距離所述電桿的根部1～1.5m處開始纏繞至距離所述電桿的根部3～4m處；第二補強層使用纖維布或者織物從距離所述電桿的根部1～1.5m處開始纏繞至距離所述電桿的根部5～6m處。
根據(jù)本發(fā)明的電桿，優(yōu)選地，所述的電桿還包括最外纏繞層，其設置在所述至少一個纏繞組的外表面，并具有耐老化和耐紫外線功能；所述最外纏繞層使用玻璃纖維或玄武巖纖維從所述電桿的根部環(huán)向纏繞至梢部，所述最外纏繞層的厚度為0.3～0.6mm。作為優(yōu)選，所述最外纏繞層的厚度為0.3～0.5mm。
根據(jù)本發(fā)明的電桿，優(yōu)選地，在最外纏繞層中，所述的玻璃纖維或玄武巖纖維均以經過具有耐老化和耐紫外線的聚氨酯浸潤處理的無捻紗的形式使用。具有耐老化和耐紫外線的聚氨酯優(yōu)選為耐老化和耐紫外線的雙組分聚氨酯，可以采用本領域已知的那些，這里不再贅述。作為優(yōu)選，具有耐老化和耐紫外線的雙組分聚氨酯為亨斯邁公司生產的聚氨酯樹脂；A組分：SK15002脂肪組多元醇混合物，B組分：Suprasec 3276。
本發(fā)明還提供一種上述電桿的制備方法，包括如下步驟：
(1)螺旋纏繞：在模具的外表面，使用玻璃纖維或玄武巖纖維進行纏繞，從而得到帶螺旋纏繞層的模具；
(2)補強層纏繞：在所述帶螺旋纏繞層的模具的外表面，使用纖維布或者織物進行纏繞，從而得到帶補強層的模具；
(3)環(huán)向纏繞：在帶補強層的模具的外表面，使用玻璃纖維或玄武巖纖維進行纏繞，從而得到帶環(huán)向纏繞層的模具；
(4)固化：將所述帶環(huán)向纏繞層的模具在80～95℃下固化2～5小時，脫模和修整后得到所述電桿。
根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式，該制備方法包括如下步驟：
(1)螺旋纏繞：在模具的外表面，使用經過聚氨酯浸潤處理的玻璃纖維無捻紗或玄武巖纖維無捻紗進行纏繞，從而得到帶螺旋纏繞層的模具。亦即，從模具的根部螺旋纏繞至其梢部，從而得到帶螺旋纏繞層的模具。
(2)補強層纏繞：在所述帶螺旋纏繞層的模具的外表面，使用由玻璃纖維無捻紗或玄武巖纖維無捻紗形成的纖維布或者織物進行纏繞，從而得到帶補強層的模具。
(3)環(huán)向纏繞：在帶補強層的模具的外表面，使用經過聚氨酯浸潤處理的玻璃纖維無捻紗或玄武巖纖維無捻紗進行纏繞，從而得到帶環(huán)向纏繞層的模具。亦即，從根部環(huán)向纏繞至梢部，從而得到帶環(huán)向纏繞層的模具。
(4)固化：將所述帶環(huán)向纏繞層的模具在80～95℃下固化2～5小時，脫模和修整后得到所述電桿。
本發(fā)明還提供上述電桿的另一種制備方法，包括如下步驟：
(1)螺旋纏繞：在模具外表面，使用玻璃纖維或玄武巖纖維進行纏繞，從而得到帶螺旋纏繞層的模具；
(2)補強層纏繞：在所述帶螺旋纏繞層的模具的外表面，使用纖維布或者織物進行纏繞，從而得到帶補強層的模具；
(3)環(huán)向纏繞：在帶補強層的模具的外表面，使用玻璃纖維或玄武巖纖維進行纏繞，從而得到帶環(huán)向纏繞層的模具；
(4)最外層纏繞：在所述帶環(huán)向纏繞層的模具外表面，使用玻璃纖維或玄武巖纖維進行纏繞，從而得到帶最外纏繞層的模具；
(5)固化：將所述帶最外纏繞層的模具在80～95℃下固化2～5小時，脫模和修整后得到所述電桿。
根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式，該制備方法包括如下步驟：
(1)螺旋纏繞：在模具外表面，使用經過聚氨酯浸潤處理的玻璃纖維無捻紗或玄武巖纖維無捻紗進行纏繞，從而得到帶螺旋纏繞層的模具。亦即，從模具的根部螺旋纏繞至其梢部，從而得到帶螺旋纏繞層的模具。
(2)補強層纏繞：在所述帶螺旋纏繞層的模具的外表面，使用由玻璃纖維無捻紗或玄武巖纖維無捻紗形成的纖維布或者織物進行纏繞，從而得到帶補強層的模具；
(3)環(huán)向纏繞：在帶補強層的模具的外表面，使用經過聚氨酯浸潤處理的玻璃纖維無捻紗或玄武巖纖維無捻紗進行纏繞，從而得到帶環(huán)向纏繞層的模具。以及從根部環(huán)向纏繞至梢部，從而得到帶環(huán)向纏繞層的模具。
(4)最外層纏繞：在所述帶環(huán)向纏繞層的模具外表面，使用經過具有耐老化和耐紫外線的聚氨酯浸潤處理的玻璃纖維無捻紗或玄武巖纖維無捻紗從根部纏繞至梢部，從而得到帶最外纏繞層的模具。
(5)固化：將所述帶最外纏繞層的模具在80～95℃下固化2～5小時，脫模和修整后得到所述電桿。
在本發(fā)明的制備方法中，螺旋纏繞、補強層纏繞、環(huán)向纏繞、最外層纏繞的條件與前面的電桿產品部分的描述相同，這里不再贅述。
根據(jù)本發(fā)明的制備方法，優(yōu)選地，整個纏繞過程在恒溫恒濕的封閉條件下進行，溫度控制在20～25℃，濕度在40％以內。在上述條件下實施纏繞過程，可以使得聚氨酯樹脂固化良好，電桿的強度和韌性增加。
此外，本發(fā)明的制備方法還可以包括準備步驟：開啟注膠機上的內外層料，安裝混膠裝置和出膠管，模具清理并打兩遍油性脫模劑。內層料用于螺旋纏繞層、補強層和環(huán)向纏繞層，其為普通雙組分聚氨酯。外層料用于最外層纏繞層，其為防紫外線耐老化的雙組分聚氨酯樹脂。這樣可以起到保護整個電桿的作用，使得強度發(fā)揮更好。
本發(fā)明的電桿通過優(yōu)化設計，可以通過至少200萬次的疲勞測試。本發(fā)明通過調整鋪層設計，控制螺旋纏繞的厚度，減少螺旋纏繞交叉處缺陷，并且采用小角度纏繞，從而實現(xiàn)了獲得高強度電桿的目的。此外，本發(fā)明的根部補強層進一步增加了電桿的強度。本發(fā)明采用聚氨酯可以進一步提高電桿的韌性。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明，但本發(fā)明的保護范圍并不限于此。
<原料說明>
普通雙組分聚氨酯：亨斯邁公司生產，A組分：SK15001多元醇混合物，B組分:Suprasec 1502。
具有耐老化和耐紫外線的雙組分聚氨酯：亨斯邁公司生產，A組分：SK15002脂肪組多元醇混合物，B組分：Suprasec 3276。
高強度玻璃纖維無捻紗：歐文斯科寧公司生產，PB-192-2400。
<耐疲勞試驗>
在室外環(huán)境條件下，將12m的電桿距離根部2m處固定，電機帶動偏心輪來回擺動從而帶動電桿左右擺動，電桿頂端的面向一側的擺動幅度為300mm，根據(jù)電機頻率及開機時間計算出電桿擺動次數(shù)。
實施例1
本發(fā)明的復合材料電桿的根徑大于梢徑。該電桿包括一個纏繞組，該纏繞組由內向外的三種鋪層分別為：螺旋纏繞層、補強層和環(huán)向纏繞層。
在螺旋纏繞層中，使用表面經過普通雙組分聚氨酯處理的高強度玻璃纖維無捻紗從根部纏繞至梢部，控制螺旋纏繞層厚度為1mm，纏繞角度為3°。
在補強層中，使用高強度玻璃纖維無捻紗形成的織物進行纏繞，第一層從距離根部1.5m處至距離根部3m，第二層為從距離根部1.5m處至距離根部5m處，補強層的總厚度為1mm。淋膠采用普通雙組分聚氨酯。
在環(huán)向纏繞層中，使用表面經過普通雙組分聚氨酯處理的高強度玻璃纖維無捻紗從根部纏繞梢部，控制環(huán)向纏繞層的厚度為0.5mm，從根部纏繞至梢部。
本發(fā)明的電桿還包括最外纏繞層，其設置在該纏繞組的外表面，并具有耐老化和耐紫外線功能；在最外纏繞層中，使用表面經過具有耐老化和耐紫外線的雙組分聚氨酯的高強度玻璃纖維無捻紗從根部環(huán)向纏繞至梢部，控制最外纏繞層的厚度為0.5mm。
下面描述上述復合材料電桿的制備方法，包含以下步驟：
步驟一、準備工作：啟動注膠機上料，安裝混膠裝置和出膠管，模具清理并打兩遍油性脫模劑。
步驟二、螺旋纏繞：使用膠槽浸膠(普通雙組分聚氨酯)后的高強度玻璃纖維無捻紗從根部至所述梢部等角度螺旋纏繞，纏繞角為3°。
步驟三、補強層纏繞：補強層的纏繞從距離根部1.5m處開始至3m處為第一層，從距離根部1.5m處至5m處為第二層；選用幅寬為400mm高強度玻璃纖維無捻紗形成的織物，纏繞時重疊1/3；采用人工淋膠的方式，使用普通雙組分聚氨酯。
步驟四、環(huán)向纏繞：使用膠槽浸膠(普通雙組分聚氨酯)后的高強度玻璃纖維無捻紗從根部纏繞至梢部。
步驟五、開啟耐老化和耐紫外線的雙組分聚氨酯設備，并進行最外層纏繞。
步驟六、在固化爐內90℃下固化2小時，出爐后脫模和修整，獲得復合材料電桿A1。
整個纏繞過程在恒溫恒濕的封閉條件下纏繞，溫度控制在25℃，濕度在40％以內。
將所得電桿進行耐疲勞試驗，能夠通過至少200萬次的耐疲勞試驗。
實施例2
除了將高強度玻璃纖維無捻紗替換為高強度玄武巖纖維無捻紗，將高強度玻璃纖維無捻紗形成的織物替換為高強度玄武巖纖維無捻紗形成的織物，其余條件和步驟與實施例1相同，獲得實施例2的電桿A2。將所得電桿進行耐疲勞試驗，能夠通過至少200萬次的耐疲勞試驗。
實施例3
除了省略最外纏繞層以及步驟五之外，其余條件和步驟與實施例1相同，獲得實施例3的電桿A3。將所得電桿進行耐疲勞試驗，能夠通過至少200萬次的耐疲勞試驗。
本發(fā)明并不限于上述實施方式，在不背離本發(fā)明的實質內容的情況下，本領域技術人員可以想到的任何變形、改進、替換均落入本發(fā)明的范圍。