电缆复合芯用树脂组合料的研究

刘龙江，高文超，张培影，姚其胜

（上海康达化工新材料股份有限公司，上海 221000）

电缆复合芯用树脂组合料的研究

刘龙江，高文超，张培影，姚其胜

（上海康达化工新材料股份有限公司，上海 221000）

以四官能环氧树脂AG-80及三官能环氧树脂AFG-90作为主体树脂，以甲基四氢苯酐作为固化剂，以甲基丙烯酸（MMA）和丙烯酸异辛酯进行共聚反应的产物作为增韧剂，制备电缆复合芯组合料。研究结果表明，添加增韧剂的树脂复合料本体拉伸强度、弯曲强度及断裂伸长率均有所提升，模量有所下降，而通过DSC测试显示对体系的耐热性能影响不大，与外来样品性能持平，可以满足电缆复合芯的需要。

电缆复合芯；增韧改性；应用

我国是缺电的国家，不仅发电业的发展滞后，而且输电业的弊端也很突出，过负荷造成的停电、断电故障频频发生，电力传输成为电力工业发展的“瓶颈”。现有的各种架空导线中，常用的是钢芯铝绞电缆（ACSR），其存在电容负荷小、传输损失大等多种问题[1]。各国均在研究新型架空输电路用导线，以取代传统的钢芯铝绞线，碳纤维和玻璃纤维复合芯铝绞电缆（ACCC）是目前研究成功并投入商业运行的产品[2]。与传统的ACSR相比，这种新型电缆具有耐高温、热线胀系数小、耐腐蚀、输送容量大、线损小等一系列优异性能, 能够提高电力传输容量1倍以上，同时减少电损和杆塔数各约20%，对电路增容、扩容具有重要意义[3]。ACCC在新建电力输电线路或老线路的改造上具有显著经济价值和社会效益[4]。

碳纤维和玻璃纤维复合芯铝绞电缆的核心技术是芯棒的制造，高温韧性环氧树脂是十分关键的材料。在碳纤维复合芯棒中，碳纤维占35%，玻璃纤维占35%，高温韧性环氧树脂占30%[5]。所用碳纤维的拉伸强度高和断裂伸长大，提高了所制芯棒韧性和耐冲击性能。目前，在国内外高温韧性环氧树脂市场中国外产品占据绝对的主导地位[6]。本文通过合成新型的甲基丙烯酸脂类增韧剂使电缆芯组合料达到高温增韧效果同时不降低耐热性，弥补国内产品与国外产品在性能上的差距，目前测试性能和国外样品对比性能基本持平。

1 实验部分

1.1 实验原料

AG-80、AFG-90，工业级，上海合成树脂所；增韧剂，自制；甲基四氢苯酐，工业级，福来特化工有限公司；2-乙基-4-甲基咪唑，工业级，江苏康乐新材料科技有限公司；甲基丙烯酸异辛酯，工业级，上海高桥石化有限公司；甲基丙烯酸，工业级，上海华谊丙烯酸有限公司；偶氮二异丁腈（AIBN），阿拉丁试剂（上海）有限公司。

1.2 测试与表征

用瑞士梅特勒-托力多公司型号820的差热分析仪（DSC）测定浇注体玻璃化温度，O～25O ℃，升温速率20 ℃／min：

安东帕高级旋转流变仪100 ℃测试凝胶速度；树脂浇注体按照GB/T 2570—95测定弯曲强度；按照GB/T2568—95测试拉伸强度、拉伸模量、拉伸伸长率。

1.3 样品制备

增韧剂的制备：丙烯酸异辛酯160 g与甲基丙烯酸11.8 g在常温下预先混合20 min，而后升温到130℃（升温30 min），滴加3.5 g AIBN 和80 g甲苯溶解液，130℃反应2～3 h，导入瓶中减压蒸馏去除溶剂备用。增韧剂合成反应方程式见式（1）：

双组分组合料A、B组分配方∶A组分为m（AG80）∶m（AG90）=9∶1；B组分为m（甲基四氢苯酐）∶m（自制增韧剂）∶m（2-乙基-4-甲基咪唑）=78∶29∶1；组合料按照m（A）∶m（B）=100∶185比例搅拌均匀后浇铸成型，在200℃固化1 h。

2 结果与讨论

2.1 浇注料的性能研究

由表1可以看出，配方加入增韧剂改性后本体拉伸强度略微增高，改性后体系材料韧性较好，断裂伸长率在2.7%左右。国内关于环氧树脂增韧较成功的改性方法，是通过橡胶弹性体增韧，端羧基丁腈橡胶（CTBN）改性效果很好，但是CTBN中含有较多的不饱和双键，高温下易于裂解和氧化，降低了弹性体粒子的弹性和延展性，耐热性有所损失，与此同时黏度也会增加，价格成本也较为昂贵[7]。以此为借鉴，丙烯酸异辛酯和甲基丙烯酸在AIBN的催化作用下进行自由基反应，羧基的引入可以使增韧剂在固化过程中有效地与环氧基体、固化剂形成化学连接，从而提高了韧性的同时不会降低强度，使增韧后的产品性能达到外来样品水平。

表1 浇注料体系性能对比Fig.1 Performance comparison of cured cast epoxy resin materials

2.2 浇注料的耐热性研究

对固化产物进行DSC分析（见图1）。由图1可以看出外样和改性后的Tg均 为216℃左右，由于四官能团环氧AG-80和三官能团环氧AFG-90的加入整体结构体系显刚性，增韧剂的结构为高分子结构，在羧基和体系反应后重复链段为脂肪族结构，体系起到增韧效果的同时羧基还可以和环氧进行反应交联[8]，在耐热性方面对材料的Tg（ 玻璃化转变温度）影响很小。

2.3 组合料固化速度研究

在复合芯拉挤过程中，拉挤速度直接影响到最终的拉挤效率。从图2改性配方树脂和外样品的流变对比可以看出，在100℃固化在15 min后剪切弹性模量G′和剪切黏性模量G″开始上升，G′、G″在22 min左右交点即为凝胶时间，因此可以看出固化速度基本和外样持平，均为22 min左右。

图1 DSC分析Fig.1 DSC analysis

图2 流变分析Fig.2 Rheological analysis

3 结论

以四官能环氧树脂AG-80及AFG-90作为主体树脂，以甲基四氢苯酐作为固化剂，以甲基丙烯酸（MMA）和丙烯酸异辛酯进行共聚反应的产物作为增韧剂，制备电缆复合芯组合料。自制增韧剂对体系固化速度没有影响，满足电缆复合芯制备过程中对拉挤速度的要求，在不影响耐温性能的情况下对其力学性能有所提升，增韧剂的加入同时模量有所下降，使得所制产品达到外样性能，满足电缆芯在卷绕过程中对韧性的要求，可以用于电缆复合芯的制备。

[1]甘兴忠.碳纤维复合芯软铝绞线等扩容量导线的性能及应用[J].电线电缆,2007,50(5):37-41．

[2]朱爱钧,尤志薇.碳纤维复合导线在上海电网应用前景初探[J].华东电力,2007,35(10):93-95．

[3]费斐.新型耐热导线的优化设计[J].上海电力,2007,56(5):525-528．

[4]黄强,王家红,欧名勇.2005年湖南电网冰灾事故分析及其应对措施[D].山东大学.

[5]郭同彩,李明,徐晓东.加快电网建设新技术推广应用的研究与建议[J].电网技术,2006,30(2):23-29．

[6]尤志魏.碳纤维复合芯导线在上海电网应用分析[J].华东电力,2009,37(8):1292-1294．

[7]李晓强,唐斌,成奖国.羧基丁腈橡胶的性能研究[J].橡胶工业,2004,51(5):69-73．

[8]马天信,姜波.增韧剂对环氧树脂性能的影响[J].热固性树脂,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

刘龙江（1979-），男，硕士，研发主任，从事环氧胶粘剂及复合材料用树脂研发及管理工作。E-mail：longjiang23@163.com。