CN101083854A - 一种纳米智能控温电缆材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米智能控温电缆材料，是由镀锡的铜导线为缆芯，以含导电碳黑的聚四氟乙烯塑料为缆芯保护层，以含纳米导电碳黑的交联聚乙烯塑料为中保护层，以缠绕在中保护层外的镀锡铜导线为接地线，以耐热105℃级聚氯乙烯电缆料为外保护套的五个部分组成，它具有智能控温的功能，可广泛应用于室内取暖，室外管道防冻，油田开采保温，土地加热等保温场所。具有智能控温加热，绝缘，阻燃，耐化学稳定性好，环境适应性强，使用方便，安全可靠等优点。

Description

一种纳米智能控温电缆材料及制备方法

【技术领域】

本发明涉及一种电缆材料，特别是一种通电后，当温度升至一定值后，能自动停止加温，温度低于一定值时，又会自动升温的纳米智能控温电缆材料。

【背景技术】

电缆是电力***用于输送和分配电能及作为各种电气设备间的连接之用。城市的地下电网，发电厂的引出线，联络线，工矿企业内部的供电以及水下输电线等采用电力电缆供电，电缆产品很多，主要有聚氯乙烯绝缘电缆，聚乙烯绝缘电缆，交联聚乙烯绝缘电缆，阻燃，橡胶绝缘电缆等。随着科技的进步和发展，人们开始把电缆及电热丝应用于供热取暖及防冻方面。但现有的电缆材料存在着安全性差，耗能高，供热效果不佳，使用不方便等问题。

本发明为克服以上存在缺陷，提出采用“一种纳米温度记忆材料”(见中国专利申请200510029442.x)复合于绝缘层电缆材料中，其原理和特点是：当“纳米温度记忆材料”中的导电粒子与电缆材料中的聚乙烯，聚氯乙烯，橡胶等材料结合后，形成一种半导体材料，当半导体材料施加一定的电压电流后，该半导体材料(电缆)消耗电能而迅速发热升温，电能转化为热能，当温度达到一定值的时候，半导体材料中导体粒子距离增大，绝缘层电阻急剧增大，几乎绝缘断路，此时绝缘层电流减小，温度下降；当温度继续下降时，导电粒子之间距离减小，电阻减小，电流开始增加，温度又开始上升。经过这样的反复，该半导体材料就形成为具有“温度记忆”的“纳米智能控温”材料。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术之不足，将温度记忆材料应用电缆的保护层之中，使其成为一种当温度升高至一定值后，能自动降低，当温度低于一定值时又会自动升温的纳米智能控温电缆材料，这种新材料用途广泛，具有使用安全可靠，能耗低等优点。

本发明的目的是通过以下技术方法实现地：

具体地说，本发明共由五层组成

第一层为缆芯它采用镀锡的铜导线，或铝合金导体材料。为了增强缆芯的柔性和可曲折性，缆芯导线采用多根小直径导线绞合并股使用。

第二层为缆芯保护层，它是采用含纳米导电碳黑的氟材料制作。

第三层电缆中保护层，它系由含纳米导电碳黑的交联聚乙烯制成。

第四层接地层，采用镀锡的铜导线缠绕在中保护层外。

第五层即电缆的外保护层，它采用耐热105℃级聚氯乙烯电缆料制成纳米智能控温电缆材料是通过下列方法来实施的。

电缆缆芯材料的制作。

缆芯材料系采用镀锡的铜导线或铝合金导体材料，单根直径为0.05～0.4mm，为提高安全性，采用多根合股使用，合股根数为5根至40根由绞线机进行并股，缆芯的直径控制在1～2.5mm。

电缆缆芯保护层的材料的选择。

缆芯绝缘层对材料要求较高，本发明采用聚四氟乙烯塑料为保护层，聚四氟乙烯：耐温为-50～250℃，长期使用温度200℃，其表面电阻和体积电阻均≥10¹⁶，它柔性好，不易折断，使用寿命高达20年以上。

缆芯保护层及中保护层使用的导电碳黑及表面处理。

本发明采用的纳米碳黑是乙炔导电碳黑，也可以用超导电碳黑或特导电碳黑。以及它们的混合物。碳黑的粒径为30～200nm，电阻率3.0，PH值7～8。其表面处理时，先在碳黑中加0.1～3％钛酸丁酯，也可以用硬脂酸或铝酸丁酯。一般情况下，分散剂钛酸丁酯添加量为碳黑重量比的1～2％，混合时，在高速搅拌机中以2500～3000转/分的转速，拌和1～3小时，然后进行干燥，粉碎，筛分，使碳黑颗粒均匀分散，不团聚，易于和塑料均匀混合。

3)缆芯保护层的制造。

缆芯保护层由分散型聚四氟乙烯树脂，纳米导电碳黑混合而成，为使氟塑料冷压成型还须添加20～25％的高级溶剂油。加工时按重量比称取分散聚四氟乙烯100份，经表面处理的纳米导电碳黑10～15份。高级溶剂油20～25份，先将聚四氟树脂和纳米导电碳黑混合均匀，再加入高级溶剂油(煤油或航空汽油)混合均匀，然后用冷压机压制成有中孔的棒料。将棒料装入推压机模具内，同时在棒料的孔中***缆芯线，开动压机使缆芯和棒料一起运动，缆芯保护层的厚度由推压机口模控制，自上而下，边推压边把包覆好缆线送入直立式烧结炉。烧结炉高为5～6米。烧结炉温度上低下高，高温段为380～400℃，烧结时间为6～8分钟，烧结后缆芯含绝缘层的直径为2.0～3.5mm。

纳米导电碳黑内保护层的制备。

中保护层是发明的核心部分，因为从缆芯传递来的电流和热量一方面使纳米导电碳黑导电，同时也使高压聚乙烯塑料受热，随温度升高，作为内保护层的聚乙烯塑料膨胀增大，纳米导电碳黑以至最后不导电，此时温度开始下降塑料随之收缩，纳米导电碳黑间的距离又步靠近，以至成为导电体，所谓记忆控温主要靠上述过程来实现。

作为中保护层的电缆材料，主要是交联聚乙烯电缆料或用耐热80～90℃级聚氯乙烯电缆料。

含导电碳黑的交联聚乙烯配方。(按重量比)

高压聚乙烯，    HDPE                  100

纳米导电碳黑    30～200nm             25～40

阻燃剂          三氧化二锑            2～4

阻燃剂          十溴联苯醚            2～4

抗氧剂          618                   0.5～1.5

石蜡                                  2～4

交联剂          过氧化二异丙苯，DCP   3～4

配方中所述的碳黑及处理方法和上面所述的相同。

制备工艺：

称取HDPE 100kg，加入经表面处理的碳黑25～40kg，阻燃剂三氧化二锑和十溴联苯醚各2～4kg，抗氧剂618 0.5～1.5kg，石蜡2～4kg及交联剂DCP 3～4kg，在高速拌料机中搅拌均匀，送挤出机挤出造粒。挤出机加料口温度为150～160℃，中段为170～175℃，前段为180～185℃，机头温度185～190℃，经机头挤出的条料，用热切工艺切粒，入水冷却后，再送干燥除去表面水份即成。

中保护层电缆料生产；

所用挤出机的机头为T型结构，挤出机挤出物料通过T型模具包覆在缆芯上。挤出机加料口温度为150～160℃，中段温度为170～175℃，前段为180～185℃，机头温度190～195℃。包覆后的电缆直径为4～6mm。

交联处理；

将冷却后的包覆有保护层电缆送入封闭式热处理烘道内处理，处理烘道长度为40～50M，温度为70～90℃，蒸气压力为1.5-1.8Mpa，在加热中促进聚乙烯的交链。

接地线缠绕；

接地线采用镀锡的铜导线，直径为0.1～0.2mm，用单根缠绕在中保护层的外径上，它处于内保护层和外保护套中间，

外保护层的制作；

外保护层采用耐热105℃级的聚氯乙烯电缆料(市场有供应)，采用生产普通电缆的工艺进行挤出包覆，挤出包覆时。挤出机加料口温度为150～160，中段温度为170～175℃，前段为180～185℃，T型机头温度190～195℃。

挤出包覆后的电缆料经冷却火花测试卷绕成所需的纳米智能控温电缆材料。

纳米智能控温电缆材料的应用

纳米智能控温电缆材料是很好的供热材料，可广泛的应用于室内取暖，室外管道防冻，油田开采(特别适合用于冬季油田粘稠冻油的开采)，土的加热，机场，铁路，公路化雪，水产养殖，蔬菜，园林，花卉种植大棚的供热保暖等。

本发明所公开一种纳米智能控温电缆材料其优点在于：

采用纳米导电材料及工艺技术先进，可操作性强

具有智能控温供热，绝缘，阻燃，强度高，耐化学性和耐环境性好，使用方便，安全可靠

导热快而均匀，能耗低，费用少，可替代空调，水暖，气暖。

无毒无味，远红外发射率80，有益人体健康。

可广泛用于室内外供热取暖，保暖，是理想的供热材料。

【附图说明】

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

纳米智能控温电缆材料结构示意图；见附图1。

【主要元件符号说明】

1.外保护层(护套)

2.接地线

3.中保护层

4.缆芯保护层

5.缆芯导体

6.导电碳黑粒子

【具体实施方式】

第一步，纳米智能控温电缆材料缆芯的制备。

2.纳米智能控温电缆材料缆芯是镀锡的铜导线或铝合金导体材料，单位直径0.05～0.4mm，使用时用5至40根并股。缆芯直径控制在1～2.5mm。

它们可按下列组合；

第二步，缆芯绝缘层的制备

在100份聚四氟乙烯分树脂中添加10～15份经表面处理的纳米导电碳黑，经搅拌均匀后再添加20～25份高级溶剂油(煤油或航空汽油)，并充分混合均匀，用模具冷压成有中孔棒料，供插缆芯用.

棒料送入推压机模具内，缆芯同时***料孔中，开动推压机，使缆芯和聚四氟乙烯棒料一起运动，用推压机口模控制聚四氟乙烯包覆的厚度，自上而下，边推压边送入直立式5～6米高的烧结炉内烧结。烧结炉温度上低下高，高温段为380～400℃，烧结时间为6～8分钟，烧结后缆芯含绝缘层的直径为2.5～3.5mm。

第三步含纳米导电碳黑的中保护层制备。

纳米导电碳黑。

所用纳米导电碳黑是经表面处理的乙炔导电碳黑或超导电碳黑。特导电碳黑及它们的混合物。碳黑粒径为30～200nm，电阻率≤3.0，PH值7～8。

含纳米导电碳黑中保护层材料制备。

含纳米导电碳黑交联聚乙烯的配方，按重量比为：高压聚乙烯100公斤，纳米导电碳黑25-40公斤阻燃剂三氧化二锑和十溴联苯醚各2-4公斤，抗氧剂618：0.5-1.5公斤，石蜡3-4公斤，交联剂DCP3-4公斤，其配方举例如下：

第一生产电缆粒料；

以配方2为例。

造粒；称取HDPE 100kg，加入经表面处理的碳黑40kg阻燃剂三氧化二锑和十溴联苯醚各4kg，抗氧剂6181kg，石蜡4kg及交联剂DCP 3kg，在高速拌料机中搅拌均匀，送挤出造粒。挤出机加料口温度为150～160℃，中段为170～175℃，前段为180～185℃，机头温度185～190℃，经机头挤出条料，用热切工艺切粒，入水冷却后，送干燥除去表面水份，即得电缆粒料。

第二在缆芯绝缘层外包覆有电缆粒料制造绝缘层。

所用挤出机的机头为T型结构，和生产普通电缆工艺相同。挤出机挤出物料通过T型模具包覆在缆芯上。挤出机加料口温度为150～160℃，中段温度为170～175℃，前段为180～185℃，机头温度190～195℃。包覆后的直径为4～6mm。

第三交链处理；

将冷却后的包覆中保护层电缆(也可以乘热)，送入封闭式热处理烘道内，也称交联管道，烘道长度为40～50M，温度为70～90℃，蒸气直接加热，加热蒸气压力为1.5-1.8Mpa，加热中促进聚乙烯的交联。

含纳米导电碳黑交联聚乙烯的配方1，配方3，配方4的制备方法和配方2相同。

第四步接地线的实施；

接地线采用镀锡的铜导线，直径为0.1～0.2mm，缠绕在内保护层的外径上，它处于内保护层和外保护套中间。

第五步外保护层的制作；

外保护套，采用耐热105℃级的聚氯乙烯电缆料，同样采用生产电缆的工艺进行挤出包覆，挤出机加料口温度为150～160℃，中段温度为170～175℃，前段为180～185℃，T型机头温度190～195℃。挤出包覆后经冷却火花测试卷绕成所需的纳米智能控温电缆材料。

Claims (7)

1.一种纳米智能控温电缆材料，其特征在于它系由缆芯导线，含纳米导电碳黑缆芯保护层，含导电碳黑的电缆中保护层，接地导线及电缆外保护层所组成。

2.如权利要求1所述的智能控温电缆材料，其特征在于所述的缆芯是镀锡的铜导线，单丝直径0.05～0.4mm，采用5至40根并股，组成的缆芯直径为1～2.5mm。

3.如权利要求1所述的智能控温电缆材料，其特征在于所述的缆芯绝缘层是聚四氟乙烯塑料，并添加10-15重量份的乙炔导电碳黑，高级溶剂20-25份，所述的纳米乙炔导电碳黑粒径为30～200nm，电阻率≤3.0，PH值7～8，其表面处理剂为碳黑重量比的0.1％-3％钛酸丁酯。

4.如权利要求1所述的智能控温电缆材料，其特征在于所述的电缆中保护层是由含纳米导电碳黑的交联聚乙烯，或用含纳米导电碳黑耐热80～90℃级聚氯乙烯电缆料100公斤，碳黑25-40公斤，阻燃剂三氧化二锑和十溴联苯醚各2-4公斤，抗氧剂618，0.5-1.5公斤，石蜡3-4公斤，交联剂DCP3-4公斤组成。

5.如权利要求1所述的智能控温电缆材料，其特征在于所述的接地线是镀锡的铜导线，直径为0.1～0.2mm。

6.如权利要求1所述的智能控温电缆材料，其特征在于所述的外保护层是耐温105℃级的聚氯乙烯电缆料。

7.一种纳米智能控温电缆材料的制备方法，其特征在于：

第一步缆芯的制备

采用镀锡的铜导线，单根直径为0.05～0.4mm，使用时用5根至40根由绞线机进行并股；

第二步缆芯保护层制备

缆芯保护层为分散型聚四氟乙烯树脂100kg，乙炔导电碳黑10-15kg，高级溶剂油20-25kg，先将乙炔碳黑用0.1％-3％的钛酸丁酯处理，再和聚四氟乙烯混合均匀，然后和溶剂油充分混合均匀，用模具冷压成有中孔的棒料，棒料送入推压机模具内，缆芯同时***料孔中，开动推压机，使缆芯和聚四氟乙烯棒料一起运动，用推压机口模控制聚四氟乙烯包覆的厚度，自上而下，边推压边送入直立式6米高的烧结炉内烧结。烧结炉温度上低下高，高温段为380～400℃，烧结时间为6～8分钟，烧结后缆芯含绝缘层的直径为2～3.5mm；

第三步含纳米导碳黑的中保护层制备方法

纳米导电碳黑表面处理

取100kg碳黑加入0.1-3kg钛酸丁酯，在高速搅拌机中以2500～3000转/分的转速拌合1-3小时，然后干燥，粉碎，筛分，使碳黑均匀分散不团聚；

含纳米导电碳黑中保护层材料制备

造粒；称取HDPE 100kg，加入经表面处理的碳黑25-40kg阻燃剂三氧化二锑和十溴联苯醚各2-4kg，抗氧剂618 0.5-1.5kg，石蜡3-4kg及交联剂DCP2-3kg，在高速拌料机中搅拌均匀，送挤出造粒。挤出机加料口温度为150～160℃，中段为170～175℃，前段为180～185℃，机头温度185～190℃，经机头挤出条料，用热切工艺切粒，入水冷却后，送干燥除去表面水份；

中保护层电缆料制备

用T型机头结构的挤出机，挤出机挤出物料通过T型机头模具包覆在缆芯上；

挤出机加料口温度为150～160℃，中段温度为170～175℃，前段为180～185℃，机头温度190～195℃。包覆后的直径为4～6；

交联处理

将冷却后的包覆中保护层电缆，送入封闭式热处理烘道内，烘道长度为40～50M，温度为70～90℃，蒸气压力为1.5-1.8Mpa，直接加热促进聚乙烯的交联；

含纳米导电碳黑交联聚乙烯的配方1，配方3，配方4的制备方法和配方2相同；

第四步接地线的实施

接地线采用镀锡的铜导线，直径为0.1～0.2mm，用缠绕方法缠绕在中保护层的外径上，它处于中保护层和外保护套中间，

第五步外保护层的制作

外保护套，采用耐热105℃级的聚氯乙烯电缆料，用生产电缆的工艺进行挤出包覆，挤出机加料口温度为150～160℃，中段温度为170～175℃，前段为180～185℃，T型机头温度190～195℃；

挤出包覆后经冷却火花测试卷绕成所需的纳米智能控温电缆材料。

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