改性復(fù)合材料間隔棒和懸垂線夾的研制及應(yīng)用

牛海軍，付斌，朱寬軍，司佳鈞，張軍，王景朝

(1.中國電力科學(xué)研究院，北京市100192；2.國網(wǎng)湖北省電力公司，武漢市430000)

改性復(fù)合材料間隔棒和懸垂線夾的研制及應(yīng)用

牛海軍1，付斌2，朱寬軍1，司佳鈞1，張軍1，王景朝1

(1.中國電力科學(xué)研究院，北京市100192；2.國網(wǎng)湖北省電力公司，武漢市430000)

為了解決輸配電線路中鋼和鋁合金金具高能耗的問題，降低線路損耗，對數(shù)十種工程塑料進(jìn)行了遴選和研究，確定以PA66尼龍作為復(fù)合材料的基材。在基材中加入玻璃纖維、增韌劑、耐臭氧和耐腐蝕等改性材料，并通過反復(fù)試驗測試和配方優(yōu)化，成功研制出一種改性復(fù)合材料，其抗拉強(qiáng)度為210 MPa，延伸率為4.5%。材料具有密度小、絕緣性好、耐輻射、節(jié)能環(huán)保、耐疲勞等優(yōu)點。進(jìn)行了基于改性復(fù)合材料的間隔棒和懸垂線夾設(shè)計、試制與試驗研究，結(jié)果表明其性能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。基于復(fù)合材料的懸垂線夾已應(yīng)用于35 kV和220 kV架空輸電線路中，運行狀況良好。

PA66；纖維增強(qiáng)改性；改性復(fù)合材料；間隔棒；懸垂線夾

0 引 言

在輸配電線路中，采用高效節(jié)能金具來替代高能耗的鋼和鋁合金金具對于降低線路損耗具有重要的意義[1]。本文選用PA66為基材，在基材中加入PE-g-MAH增韌劑和玻璃纖維增強(qiáng)劑，再加入微量的抗臭氧劑、抗紫外劑和耐候劑得到不同強(qiáng)度和韌性的改性復(fù)合材料，從中遴選滿足金具材料性能要求的配方，基于此改性復(fù)合材料研制出滿足國家標(biāo)準(zhǔn)和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的間隔棒和懸垂線夾[2-4]。

1 基材材料比選

通過對改性聚氯乙烯(polyvinyl chloride，PVC)和聚酰胺(polyamide，PA)性能分析可知，PVC的拉伸強(qiáng)度最高為56 MPa，未增強(qiáng)PA的拉伸強(qiáng)度高達(dá)100 MPa，而尼龍改性研究的迅速發(fā)展賦予了尼龍高強(qiáng)度、耐燃、耐低溫、實現(xiàn)高性能化和功能化的特性。考慮到電力金具要滿足的強(qiáng)度、彎曲模量、高低溫沖擊和耐鹽霧及抗靜電老化等綜合性能，采用PA66芳香族聚酰胺為基材較為適合[5-6]。

2 纖維的增強(qiáng)改性

玻璃纖維對尼龍的增強(qiáng)得到廣泛應(yīng)用，是較為成熟的增強(qiáng)尼龍，玻璃纖維增強(qiáng)尼龍后其拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度等力學(xué)性能得到了大幅提高。玻璃纖維增強(qiáng)PPA樹脂是最大結(jié)晶度為20.3%的半結(jié)晶性芳香族系耐熱性聚酰胺樹脂，熔點為310 ℃，玻璃化溫度為127 ℃，熱變形溫度為285 ℃(增強(qiáng))，連續(xù)使用溫度為165 ℃[7]。

玻璃纖維增強(qiáng)PPA與其他玻璃纖維增強(qiáng)工程塑料比較如表1所示。

表1 玻璃纖維增強(qiáng)PPA工程塑料的性能

注：PEI為聚乙烯亞胺，PPS為聚苯硫醚，PET為聚對苯二甲酸二乙酯。

從表1可以看出玻璃纖維增強(qiáng)PPA的熱變形溫度、拉伸強(qiáng)度及彎曲彈性模量等性能指標(biāo)都優(yōu)于其他玻璃纖維增強(qiáng)工程塑料，所以選擇玻璃纖維增強(qiáng)PPA作為增強(qiáng)材料。

3 玻璃纖維含量對尼龍力學(xué)性能的影響

通過試驗研究表明玻璃纖維(glass fibre，GF)含量越高，玻璃纖維尼龍的力學(xué)性能越高，但過高的玻璃纖維含量對設(shè)備的磨損嚴(yán)重，且注塑成型加工也較困難，特別是薄壁制品難以充滿模腔。這是由于玻璃纖維的加入使玻璃纖維尼龍的溶體流動速率(melt mass-flow rate，MFR)下降，對形狀復(fù)雜及薄壁制品來說很難成型。圖1～4給出了不同的玻璃纖維含量對玻璃纖維PA66力學(xué)性能及熱變形溫度的影響。

由圖1～4可以看出，玻璃纖維的含量在30%以內(nèi)時，拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度及熱變形溫度提升很快，幾乎呈直線上升，但含量在40%～50%時，力學(xué)性能提升不大，在50%以后性能幾乎沒有提升，這是由于過高的玻璃纖維含量涉及到GF的分散性及與PA66樹脂的黏結(jié)效果，過高的GF含量使GF與PA66機(jī)體樹脂黏結(jié)度降低，因此采用30%左右的GF增強(qiáng)PA66較合理。同時由于玻璃纖維的加入，使得制品的成型收縮率也得到了很好的改善，GF填充30%時，收縮率降至0.2%[8-9]。

圖1 GF含量與PA66拉伸強(qiáng)度的關(guān)系

圖2 GF含量與缺口沖擊強(qiáng)度的關(guān)系

圖3 GF含量與彎曲強(qiáng)度的關(guān)系

圖4 GF含量與熱變形溫度的關(guān)系

4 增韌劑對性能的影響及選擇

可用于PA66增韌的增韌劑有EPDM、POE、PE、EVA等，但不同的增韌劑對其共混物的增韌效果及對剛性的影響不同。由于PA66是強(qiáng)極性高分子與彈性體本身相容性較差，因此常用彈性體接枝馬來酸酐法來解決相容性問題。圖5給出了不同增韌劑對PA66干態(tài)下沖擊性能的影響。

圖5 增韌劑對PA66干態(tài)沖擊性能的影響

圖5可以看出PA66與PE-g-MAH共混后，在PE-g-MAH含量少于30%的情況下，共混材料的沖擊強(qiáng)度隨PE-g-MAHd的含量增加而逐步上升。PE-g-MAH增強(qiáng)增韌的復(fù)合材料具有很高的剛性和較高的韌性，綜合性能優(yōu)越，其力學(xué)性能均衡，可以代替PA66應(yīng)用于各種產(chǎn)品。同時GF、PE-g-MAH的加入降低了成型收縮率和吸水率，克服了PA66固有的缺點。采用PA66/PE-g-MAH/GF共混的復(fù)合材料，可以通過改變PE-g-MAH和GF的含量得到不同剛性和韌性的改性PA66。基于試驗研究選擇PE-g-MAH為增韌劑材料。

5 改性復(fù)合材料性能

考慮到電力金具要滿足的強(qiáng)度、彎曲模量、高低溫沖擊和耐鹽霧及抗靜電老化性能，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對玻璃纖維改性增強(qiáng)型尼龍復(fù)合材料進(jìn)行了性能測試，主要試驗性能如下。

5.1 強(qiáng)度對比

可鍛鑄鐵、ZL104、改性復(fù)合材料強(qiáng)度對比如表2所示。

表2 幾種常用材料的抗拉強(qiáng)度

注：比強(qiáng)度為單位質(zhì)量的強(qiáng)度。

5.2 耐候、抗靜電老化試驗的性能對比

天然橡膠、三元乙丙、改性復(fù)合材料耐候、抗靜電老化試驗的性能對比如表3所示。

表3 幾種金具材料耐臭氧老化性能比較

5.3 耐鹽霧及表面電阻率對比

根據(jù)ASTM/G 85—1998標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行樣板復(fù)合涂層處理的制備，再進(jìn)行酸性鹽霧試驗的情況比較，35號鋼、ZL104、改性復(fù)合材料耐鹽霧及表面電阻率對比如表4所示。

表4 耐鹽霧及抗靜電老化性能的比較試驗

5.4 不同溫度下的抗張強(qiáng)度力學(xué)性能對比

可鍛鑄鐵、ZL104、改性復(fù)合材料在耐候中考慮在不同溫度下的抗張強(qiáng)度力學(xué)性能對比如表5所示，經(jīng)冷熱循環(huán)后各種材料的性能變化如表6所示。

表5 各種材料在不同溫度下的抗張強(qiáng)度力學(xué)性能

表6經(jīng)冷熱循環(huán)后各種材料性能變化

Tab.6Propertychangeofsomematerialafterthermal-coldcycling

表5和表6表明，在不同溫度下及經(jīng)冷熱循環(huán)后3種材料的性能變化不大，穩(wěn)定性良好。改性復(fù)合材料基本性能參數(shù)如7所示。

表7 改性復(fù)合材料的基本性能參數(shù)

通過大量測試、試驗和分析，改性復(fù)合材料具有優(yōu)良的機(jī)械性能和力學(xué)性能，其耐臭氧、耐紫外光、耐氧化、耐腐蝕、耐氣候老化性能滿足目前國內(nèi)各類金具性能的要求。

6 改性復(fù)合材料間隔棒和懸垂線夾

6.1 改性復(fù)合材料主要生產(chǎn)設(shè)備

改性復(fù)合材料加工設(shè)備和常用工程塑料基本一致，改性復(fù)合材料生產(chǎn)設(shè)備主要有PA鹽貯罐、乙酸罐、混合器、反應(yīng)器、液槽、噴射器、分離器、添加劑罐、貯槽、擠壓機(jī)、造粒機(jī)、脫水桶、干燥器、進(jìn)料斗、料倉。

6.2 間隔棒和懸垂線夾成型設(shè)備

間隔棒和懸垂線夾主要成型設(shè)備有真空加熱干燥機(jī)、料筒、螺桿注射機(jī)、模具、熱處理槽。

6.3 間隔棒和懸垂線夾的研制

基于改性復(fù)合材料性能的研究，在間隔棒和懸垂線夾的研制基礎(chǔ)上，開發(fā)出滿足工程需要的FJZF-445F/630四分裂導(dǎo)線阻尼間隔棒和CGF-100懸垂線夾。FJZF-445F/630四分裂導(dǎo)線阻尼間隔棒如圖6所示，復(fù)合材料CGF-100懸垂線夾如圖7所示。

圖6 復(fù)合材料 FJZF-445F/630四分裂導(dǎo)線阻尼間隔棒

圖7 復(fù)合材料CGF-100懸垂線夾

依據(jù)DL/T 1098—2009《間隔棒技術(shù)條件和試驗方法》，對間隔棒進(jìn)行了機(jī)械強(qiáng)度試驗，間隔棒向心力試驗結(jié)果如表8所示，線夾間拉力試驗結(jié)果如表9所示，線夾間壓力試驗結(jié)果如表10所示[10-11]。

表8 間隔棒向心力試驗結(jié)果

表9線夾間拉力試驗結(jié)果

Tab.9Tensiletestresultsofsuspendedclamp

表10線夾間壓力試驗結(jié)果

Tab.10Testresultsofpressurebetweenclamp

依據(jù)GB/T2317.4—2000《電力金具機(jī)械試驗方法》、GB/T2315—2000《電力金具標(biāo)稱破壞載荷及連接型式尺寸》對懸垂線夾進(jìn)行了機(jī)械性能試驗。破壞載荷和握力試驗結(jié)果如表11和表12所示[12-14]。

表11 懸垂線夾破壞載荷試驗結(jié)果

表12懸垂線夾握力試驗結(jié)果

Tab.12Testresultsofgripstrengthofsuspensionclamp

通過改性復(fù)合材料的FJZF-445F/630四分裂導(dǎo)線阻尼間隔棒和CGF-100懸垂線夾的設(shè)計、試制、試驗。其性能均滿足相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，研制的CGF-100垂線夾已應(yīng)用于35 kV和220 kV架空輸電線路，運行情況良好。

7 結(jié) 語

國家電網(wǎng)公司重點大力加強(qiáng)農(nóng)村電網(wǎng)改造和輸配電建設(shè)，輸電線路和配電網(wǎng)將大幅增長，全國用電量在大幅度提升和調(diào)整規(guī)劃后，輸電線損降低又是我國需要面對的一項重大研究課題。新型改性復(fù)合材料金具為高節(jié)能環(huán)保的電力金具，可節(jié)約能源，減少環(huán)境污染，降低電力金具的電能損耗。若產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)，還能帶動其他節(jié)能型電力器材的廣泛使用，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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(編輯：劉文瑩 )

DevelopmentandApplicationofSpacerandSuspensionClampBasedonModifiedComposites

NIU Haijun1, FU Bin2, ZHU Kuanjun1, SI Jiajun1, ZHANG Jun1, WANG Jingchao1

(1. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China; 2.State Grid Hubei Electric Power Company, Wuhan 430000, China)

In order to solve the high energy consumption problem of fittings with steel or aluminum alloy and reduce the line loss, dozens kinds of engineering plastics were studied and the PA66 nylon composite had been determined as the basic material. Then, some modified composites like glass fiber, flexibilizer, ozone resistance and corrosion resistance were mixed in the basic material. After repeated counts of tests and formulation optimization, a new kind of composite material was successfully developed, with the tensile strength of 210 MPa and the elongation of 4.5%, which had some good performances just as small specific gravity, good insulation, resistance to radiation, energy conservation, environmental protection, antifatigue, etc. The spacer and suspended clamp based on this modified composites were designed, trial-produced and tested, whose results showed that they could meet the requirement of national standard and electric power industry standard. The suspension clamps with the modified composites have been well applied in 35 kV and 220 kV overhead transmission lines.

PA66; fiber-reinforced; modified composites; spacer; suspension clamp

國家電網(wǎng)公司特高壓專項課題(GC81-10-006)。

TM 752

： A

： 1000-7229(2014)06-0097-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.018

2013-12-13

：2014-02-17

牛海軍(1975)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為架空導(dǎo)線與金具技術(shù)研究，E-mail：13521517742@126.com；

付斌(1964)，男，碩士，主要從事高電壓技術(shù)、輸電線路運行維護(hù)技術(shù)研究工作；

朱寬軍(1969)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為架空導(dǎo)線與金具制造技術(shù)、導(dǎo)線振動與舞動等問題；

司佳鈞(1985)，男，碩士，工程師，主要研究方向為架空導(dǎo)線與金具技術(shù)研究，E-mail：sijiajun@hotmail.com；

張軍(1986)，男，碩士，工程師，主要研究方向為架空導(dǎo)線與金具技術(shù)研究；

王景朝(1965)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為架空導(dǎo)線與金具技術(shù)、導(dǎo)線振動等問題的研究。