CN105895211A - 一种含石墨烯的玻璃纤维增强型绝缘电缆 - Google Patents

一种含石墨烯的玻璃纤维增强型绝缘电缆 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种含石墨烯的玻璃纤维增强型绝缘电缆，包括导体(1)，所述导体(1)外同心包覆有石墨烯层(2)、玻璃纤维层(3)和聚氯乙烯绝缘层(4)；所述导体(1)截面为圆形，直径为10～15mm；所述石墨烯层(2)的外壁与内壁之间的厚度为0.2～0.4nm；所述玻璃纤维层(3)的外壁与内壁之间的厚度为0.5～0.8mm；所述聚氯乙烯绝缘层(4)的外壁与内壁之间的厚度为1～2mm。在所述石墨烯层(2)的外侧还可以配置耐落胶层(5)，所述耐落胶层(5)可包含石墨烯。本发明在导体表面包覆了石墨烯层，提高了电缆的导电性能，同时还包覆了玻璃纤维层，提高了绝缘电缆的机械强度和柔韧性，耐落胶层(5)可以保护石墨烯层同时添加石墨烯时可以起到屏蔽的作用。还提供了一种制造上述含石墨烯的玻璃纤维增强型绝缘电缆的方法。

Description

一种含石墨烯的玻璃纤维增强型绝缘电缆
技术领域
本发明涉及一种绝缘电缆，尤其涉及一种含石墨烯的玻璃纤维增强型绝缘电缆。
背景技术
传统绝缘电缆的结构一般为两层，内层为金属导电层，外层为非金属绝缘层。这样的电缆只能用于普通场所，并且具有绝缘层易老化，不耐弯折，使用寿命短等缺点。
电缆中通常采用铜作为导电层，而铜本身容易受到氧化和腐蚀，并且铜的质地较软，延展性不佳。现有技术中，为了解决铜被氧化和腐蚀的问题，通常在导体铜的表面进行电镀处理，镀上一层抗氧化的材料。然而这种电镀技术造成了电缆生产成本的提高，且容易污染环境。
为了增强电缆的延展性，可在导体和绝缘层之间设置耐弯曲、具有良好延展性的材料层。然而这种材料需要考虑成本和性能，不易于寻找。因此，目前市面上的绝缘电缆一般难以同时既具有良好的导电性，又具有较好的机械强度和柔韧性。
石墨烯是一种二维材料，由纯碳原子组成。其分子结构致密，除了氢原子以外的物质均不能透过。因此耐酸、耐氧化。在所有材料中，其具有最高的载流子传输速度，其电子传导率15000cmol/L/(V.s)，超强的耐大电流能力，是一种优良的导体。此外，石墨烯材料可以很好的混合到其他材料中，使得合成的材料具有好的耐腐蚀、耐磨性。
在通信领域中，某些电缆还要求具有较高的抗干扰性，而常规的电缆一般都设置有导体屏蔽层和绝缘屏蔽层，以达到均化电场的效果。然而现有的屏蔽层通常是在橡胶中添加导电碳黑。碳黑颗粒的分布、尺寸以及碳黑和橡胶的融合程度都影响着抗干扰效果。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于，提供一种含石墨烯的玻璃纤维增强型绝缘电缆。
具体而言，本发明采用如下技术方案：
一种含石墨烯的玻璃纤维增强型绝缘电缆，包括导体，所述导体外同心包覆有石墨烯层、玻璃纤维层和聚氯乙烯绝缘层。
特别的，所述导体截面为圆形，直径为10～15mm；所述石墨烯层的外壁与内壁之间的厚度为0.2～0.4nm；所述玻璃纤维层的外壁与内壁之间的厚度为0.5～0.8mm；所述聚氯乙烯绝缘层的外壁与内壁之间的厚度为1～2mm。
特别的，所述导体的直径为10mm；所述石墨烯层的外壁与内壁之间的厚度为0.2nm；所述玻璃纤维层的外壁与内壁之间的厚度为0.5mm；所述聚氯乙烯绝缘层的外壁与内壁之间的厚度为1mm。
特别的，所述导体的直径为15mm；所述石墨烯层的外壁与内壁之间的厚度为0.4nm；所述玻璃纤维层的外壁与内壁之间的厚度为0.8mm；所述聚氯乙烯绝缘层的外壁与内壁之间的厚度为2mm。
进一步的，在所述石墨烯层、玻璃纤维层还配置有耐落胶层。
进一步的，在所述玻璃纤维层和聚氯乙烯绝缘层之间还配置有耐落胶层。
特别的，所述耐落胶中混合有石墨烯。
此外，本发明提供了一种制造含石墨烯的玻璃纤维增强型绝缘电缆的方法，包括以下步骤：
步骤1：配置稀盐酸溶液，将导体置入盐酸溶液中进行清洗，移除导体表面的氧化物，随后将导体取出，再次采用去离子水对导体进行清洗；
步骤2：将去离子水清洗后的导体进行烘干；将烘干后的导体放置于无氧环境中，并通入氢气，维持温度于900-1000℃；
步骤3：通入甲烷或乙炔或乙烯，利用化学气象沉淀法在导体的表面形成石墨烯层，根据石墨烯层厚度的需要，可维持不同的持续时间；
步骤4：将生成的具有石墨烯层的导体冷却；
步骤5：配置玻璃纤维层到石墨烯层的外周；
步骤6：配置聚氯乙烯绝缘层到导体的最外一层。
进一步的实施例中，还包括在步骤4和步骤5之间执行如下步骤：
步骤41：将生成的具有石墨烯层的导体至少冷却至耐落胶的熔点之上，将耐落胶挤压到包围导体的金属套中，耐落胶在导体的高温下熔化成液态并充满所述金属套的空间；
步骤42：将导体从金属套中抽离，并在金属套出口处设置冷却装置，用于冷却涂覆有耐落胶的导体；冷却后，耐落胶重新固化，紧紧包裹在带有石墨烯层的导体上；将其充分冷却，以释放其应力之后再进行步骤5；
其中所述的耐落胶包含有石墨烯，或者其中所述的耐落胶不包含有石墨烯。
进一步的实施例中，还包括在步骤5和步骤6之间实施以下步骤：
步骤51：将耐落胶配置环绕玻璃纤维层的外周；其中所述的耐落胶包含有石墨烯，或者其中所述的耐落胶不包含有石墨烯。
本发明的有益效果是：通过合理设置导体、石墨烯层、玻璃纤维层和聚氯乙烯绝缘层，获得具有良好的导电性及较好机械强度与柔韧性的绝缘电缆。增加耐落胶层可以保护石墨烯层，在耐落胶中同时添加石墨烯时可以起到屏蔽的作用。
附图说明
图1是本发明第一实施例的结构示意图。
图2是本发明第二实施例的结构示意图。
图3是本发明第三实施例的结构示意图。
具体实施方式
通过下面给出的本发明的具体实施例可以进一步清楚的理解本发明，但下述实施例并不是对本发明的限定。
参照图1，本发明的石墨烯电缆包括导体1，导体1通常由铜构成，也可以为铝材。在导体1的外周均匀地设置有一石墨烯层2。该石墨烯层2具有良好的导电性，可以增强铜质电缆的导电性。同时，可以防止酸性物质、氧化性物质对金属导体的腐蚀。
在石墨烯层2的外周，设置有玻璃纤维层3，玻璃纤维层3的作用在于增加电缆的强度和延展性。玻璃纤维是一种耐高温、耐腐蚀的材料，用于电缆中可以较好地防止电缆起火和腐蚀。
在玻璃纤维层3的外侧设置有绝缘层4，优选为聚氯乙烯绝缘层4。
导体1的截面优选为圆形，直径为10～15mm；石墨烯层2的外壁与内壁之间的厚度为0.2～0.4nm；玻璃纤维层3的外壁与内壁之间的厚度为0.5～0.8mm；聚氯乙烯绝缘层4的外壁与内壁之间的厚度为1～2mm。
在一个实施例中，导体1截面为圆形，直径为10mm；石墨烯层2的外壁与内壁之间的厚度为0.2nm；玻璃纤维层3的外壁与内壁之间的厚度为0.5mm；聚氯乙烯绝缘层4的外壁与内壁之间的厚度为1mm。
在另一个优选的实施例中，导体1截面为圆形，直径为15mm；石墨烯层2的外壁与内壁之间的厚度为0.4nm；玻璃纤维层3的外壁与内壁之间的厚度为0.8mm；聚氯乙烯绝缘层4的外壁与内壁之间的厚度为2mm。
由于该石墨烯层2的厚度很小，因此容易受到划伤。例如，当玻璃纤维层3受到弯折而产生突刺的情况下，石墨烯薄膜层很容易被划伤，同时玻璃纤维层3是具有一定强度和硬度的，当其设置在石墨烯层外侧时，容易与石墨烯层发生相对移动，由此造成两者之间发生摩擦，造成石墨烯层的刮伤。
为解决上述问题，在本发明的一个实施例中，见图2，在石墨烯层2与玻璃纤维层3之间设置有一固体耐落胶层5，该耐落胶层具有良好的延展性，可以稳固地“粘”在石墨烯层2与玻璃纤维层3之间，防止两层之间发生相对移动。同时耐落胶层5具有防冲击的效果，可以保护石墨烯层2以避免被损坏的玻璃纤维层3的突刺划伤。
由于玻璃纤维层3已经具有一定的强度，因此在玻璃纤维层和导体之间不宜再应用橡胶作为保护层，否则将导致电缆整体过硬和过重。本发明的耐落胶相对于橡胶而言，更为柔软和轻便，贴合性更好，密封效果更佳，价格更低。
在某些场合，电缆需要具有一定的抗干扰能力，具有能够屏蔽外部信号干扰的屏蔽层。可以在固体耐落胶中添加石墨烯，构成耐落胶-石墨烯屏蔽层，以实现电缆的抗干扰功能。石墨烯可以很好的融合到耐落胶中，石墨烯添加量优选为0.1-2％。耐落胶是一种主要成分为尼龙(nylon)的固体胶，工作温度一般为-50到200℃，通常可包括尼龙、混合溶剂、聚丙烯、聚合成树脂等材料，并经上述材料混合而成。其具有良好的弹性，其表面光滑、柔软，能够很好地贴合固体表面，密封性能好、防水、防酸性佳。
在本发明一个优选地实施例中，见图3，也可以在玻璃纤维层3和聚氯乙烯绝缘层4之间设置耐落胶层5，这可以增强玻璃纤维层3和聚氯乙烯绝缘层4之间的粘合程度，减小两者之间的间隙，增大摩擦力防止两者之间运动。
如果对电缆的抗干扰效果有更严格的要求，也可以在该耐落胶层5中添加石墨烯。
此外，本发明还提供一种用于生产含石墨烯的玻璃纤维增强型绝缘电缆的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：配置稀盐酸溶液，将导体1置入盐酸溶液中进行清洗，去除导体表面的氧化物，随后将导体1取出，用去离子水对导体1进行清洗，
步骤2：将去离子水清洗后的导体1进行烘干；将烘干后的导体1放置于无氧环境中，并通入氢气，维持温度于:900-1000℃；
步骤3：通入甲烷或乙炔或乙烯等含碳气体，利用化学气相沉积法在导体1的表面形成石墨烯层，根据石墨烯层厚度的需要，可维持不同的持续时间；
步骤4：将生成的具有石墨烯层的导体冷却；
步骤5：配置玻璃纤维层；
步骤6：配置聚氯乙烯绝缘层。
此外，在特定是实施例中，在步骤4和步骤5之间执行如下步骤：
步骤41：将生成的具有石墨烯层的导体至少冷却至耐落胶的熔点之上，例如在一个实施例中，耐落胶的熔点为250℃，则至少将导体的温度冷却至250℃以上，将耐落胶挤压到包围导体的金属套中，耐落胶在导体的高温下熔化成液态并充满金属套的空间；该耐落胶可以是纯的耐落胶，也可以是混合有石墨烯的耐落胶。
当采用混合有石墨烯的耐落胶时，不仅可以获得良好的密封和抗冲击性，而且能够获得良好地屏蔽性能。
该步骤可以节约能源。传统的方法是将橡胶等绝缘材料加热至熔融状态，挤压在冷的线材上，从而将橡胶层涂覆在导体上。
而在本发明中，由于耐落胶本身是柔软而易于挤压的，因此，不需要将其加热至熔融状态，直接挤压到导体上，利用导体的热量将其融化，冷却后即可得到涂覆。但导体的温度不宜过高，优选地高于耐落胶熔点温度0-20℃的范围，过高的温度对于耐落胶是不利的。对于石墨烯和耐落胶的制备，不必集合到电缆的生产工艺中，通过采购现有的产品即可。
采用这种方式，可以高效快速地将耐落胶涂覆到导体上。
石墨烯与耐落胶的混合技术此处不再赘述，传统方法制备中，将石墨烯片状或粉末状地投入到融化的耐落胶中充分混合冷却后即可得到。
步骤42：将导体从金属套中抽离，并在金属套出口处设置冷却装置，用于冷却涂覆有耐落胶的导体；冷却后，耐落胶重新固化，紧紧包裹在带有石墨烯层的导体上；将其充分冷却，以释放其应力；例如将其充分冷却至常温，并维持一段时间，使得耐落胶的体积稳定，之后再进行步骤5，以防止直接将高温的耐落胶与玻璃纤维层接触，这会造成冷却后的耐落胶体积缩小而与玻璃纤维层之间产生间隙。
在另一个特定的实施例中，还包括在步骤5和步骤6之间实施以下步骤：
步骤51：将耐落胶配置环绕玻璃纤维层。由此，可以进一步增强电缆的屏蔽效果，其中所述的耐落胶包含有石墨烯，或者其中所述的耐落胶不包含有石墨烯。
本发明选用耐落胶添加石墨烯作为屏蔽件，可以节省橡胶和碳黑的应用。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种含石墨烯的玻璃纤维增强型绝缘电缆，包括导体(1)，其特征在于：所述导体(1)外依次包覆有石墨烯层(2)、玻璃纤维层(3)和绝缘层(4)。
2.根据权利要求1所述的含石墨烯的玻璃纤维增加型绝缘电缆，其特征在于：所述导体(1)截面为圆形，直径为10～15mm；所述石墨烯层(2)的外壁与内壁之间的厚度为0.2～0.4nm；所述玻璃纤维层(3)的外壁与内壁之间的厚度为0.5～0.8mm；所述绝缘层(4)的外壁与内壁之间的厚度为1～2mm。
3.根据权利要求1所述的含石墨烯的玻璃纤维增加型绝缘电缆，其特征在于：所述绝缘层为聚氯乙烯绝缘层。
4.根据权利要求1所述的含石墨烯的玻璃纤维增强型绝缘电缆，其特征在于：在所述石墨烯层(2)和玻璃纤维层(3)之间还配置有耐落胶层(5)。
5.根据权利要求1或4所述的含石墨烯的玻璃纤维增强型绝缘电缆，其特征在于：在所述玻璃纤维层(3)和绝缘层(4)之间还配置有耐落胶层(5)。
6.根据权利要求5所述的含石墨烯的玻璃纤维增强型绝缘电缆，其特征在于：所述耐落胶层(5)中混合有石墨烯。
7.根据权利要求6所述的含石墨烯的玻璃纤维增强型绝缘电缆，其特征在于：所述耐落胶层(5)中的石墨烯添加量为0.1-2％。
8.一种制造含石墨烯的玻璃纤维增强型绝缘电缆的方法，包括以下步骤：
步骤1：将导体(1)置入盐酸溶液中进行清洗，去除导体表面的氧化物，随后将导体(1)取出，采用去离子水对导体(1)进行清洗；
步骤2：将去离子水清洗后的导体(1)进行烘干；将烘干后的导体(1)放置于无氧环境中，并通入氢气，维持温度于900-1000℃；
步骤3：通入甲烷或乙炔或乙烯，利用化学气相沉积法在导体(1)的表面形成石墨烯层(2)；
步骤4：将生成的具有石墨烯层(2)的导体(1)冷却；
步骤5：配置玻璃纤维层(3)到石墨烯层(2)的外周；
步骤6：配置绝缘层(4)到玻璃纤维层(3)的外周。
9.权利要求8所述的制造含石墨烯的玻璃纤维增强型绝缘电缆的方法，其特征在于还包括在步骤4和步骤5之间执行如下步骤：
步骤41：将生成的具有石墨烯层的导体冷却至耐落胶的熔点之上，将耐落胶挤压到包围导体的金属套中，耐落胶在导体的温度下融化成液态并充满所述金属套的空间；
步骤42：将导体从金属套中抽离，并在金属套出口处设置冷却装置，用于冷却涂覆有耐落胶的导体；冷却后，耐落胶重新固化，包裹在带有石墨烯层的导体上；将耐落胶冷却并释放应力之后进行步骤5。
10.根据权利要求8或9所述的制造含石墨烯的玻璃纤维增强型绝缘电缆的方法，其特征在于还包括在步骤5和步骤6之间实施以下步骤：
步骤51：将耐落胶配置环绕玻璃纤维层(3)的外周。
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