CN108129732A - 一种强ptc效应的自控温发热电缆料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电缆料制备的技术领域，提供了一种强PTC效应的自控温发热电缆料及其制备方法。该方法先对聚苯乙烯多孔微球进行磁性处理，然后将含纳米炭黑的分散液通过静电喷雾沉积于磁性聚苯乙烯多孔微球的孔隙中，然后与高密度聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯共混挤出造粒，并辅以交变磁场提高纳米炭黑粒子的分散性及取向程度，制得强PTC效应的自控温发热电缆料。与传统方法相比，本发明的制备的自控温发热电缆料中导电炭黑粒子的流动性好，在聚合物中的分散状态和取向程度佳，PTC效应强，性能稳定，同时柔性较好，加工性能优异，耐候性佳，并且制备过程简单，能耗较低，成本低廉，适合工业化生产。

Description

一种强PTC效应的自控温发热电缆料及其制备方法
技术领域
本发明属于电缆料制备的技术领域，提供了一种强PTC效应的自控温发热电缆料及其制备方法。
背景技术
石油、化工介质在长距离输送过程和长时间的储存过程中会因散热造成温度下降，会使粘性物料的粘度升高，易结晶物料则可能使物料产生结晶，为避免这种情况发生，必须对***散失的热量予以及时补充，即对***进行连续不断地加热，而传统的伴管加热时温度不均，导致性能下降，因此自控温发热电缆料逐渐成为世界广泛应用的先进点了保温材料，是管道等伴热工程使用的理想节能材料，它的使用对石油、化工生产装置的安全可靠运行具有很大的实用意义。
自控温加热电缆的结构呈扁平状，内有两根平行的金属线芯作为电极被PTC发热材料所包埋和隔离，外覆一层绝缘护套，便得到实用的基本型自控温加热电缆。根据需要还可以在基本型自控温加热电缆外面增加屏蔽层或耐腐蚀保护套。自控温加热电缆除具有低压电缆所要求的基本特性外，还应具备以下性能指标：最高维持温度、最高承受温度、最高表面温度、最大使用长度。加热电缆的种类和型式是多样化的，从其发热元件来看有线性和非线性之分；从电路连接来看有串联型和并联型之分。线性发热元件通常用金属材料制成，如铜、镍、铬、铝、铁等高电阻合金线材，也有纯铜和铜合金低电阻线材；非线性发热元件是具有PTC效应的可交联导电塑料，还有多晶体片状元件。其中PTC效应电缆料是自控温发热电缆料研究和发展的主要方向。
高分子PTC电缆料是一种新型的PTC材料，由绝缘的有机高分子聚合物材料和某些无机导电填料复合而成，其中高分子材料是基体材料，起骨架和填料载体作用；无机填料是导电成分，是电流载体。其不仅综合了无机填料的导电性和高分子材料优良的力学性能和加工性能，还有两单组分者所不具有的新的物理性能，具有室温电阻率低、PTC性能强度高、NTC现象可消除、成本低廉、易于制备和加工，以及可以大范围调节材料的导电性。高分子PTC电缆料导电填料主要有炭黑、石墨、金属粉末或纤维、以及某些导电性氧化物等。因此，制备PTC材料的的途径常常是加入大量导电填料，对高分子材料进行改性，这也是高分子PTC电缆料的主要研究内容。
目前国内外在自控温发热电缆料制备技术，尤其是高分子PTC电缆料方面已取得了一定成效。其中李真等人发明了一种阻燃耐候PTC电缆料及制备方法（中国发明专利申请号201610756216.X），由以下成分组成：热塑性聚氨酯、马来酸酐接枝聚丙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、石墨烯微片、相容剂、阻燃剂、抗氧剂、紫外线吸收剂和润滑剂，电缆料经混合、混炼、挤出等工序，在特定工艺参数下制得。另外，葛吉平等人发明了一种PTC型炭黑高分子复合材料（中国发明专利申请号201611181489.2），原料组成为：聚丙烯、高密度聚乙烯、碳纤维T300、炭黑N750、钛酸丁酯、甘油、异丙醇、三乙酰胺、对甲苯磺酸、抗氧剂1010、氢氧化铝、三嗪成炭剂、顺丁烯二酸二丁酯和麦饭石粉。
可见，现有技术中的高分子PTC电缆料多为刚性，缺少柔软可卷绕能力，限制了其在移动领域的使用；常见的炭黑粒子等导电填料与高分子基体相互作用力较小，且具有较强的附聚作用，高温时基体黏度降低，CB粒子聚集形成新的导电网络而产生NTC现象，并且存在制备过程复杂、成本较高、性能不稳定且耐久性不高的缺陷。
发明内容
针对这种情况，我们提出一种强PTC效应的自控温发热电缆料及其制备方法，主要是是借助于磁性聚苯乙烯多孔微球受外加磁场的作用，负载于其中的炭黑粒子的流动情况得到改善，提升了炭黑粒子在聚合物中的分散状态和取向程度，减弱NTC现象，得到性能优异的自控温发热电缆料。
为实现上述目的，本发明涉及的具体技术方案如下：
一种强PTC效应的自控温发热电缆料的制备方法，先对聚苯乙烯多孔微球进行磁性处理，然后将含纳米炭黑的分散液通过静电喷雾沉积于磁性聚苯乙烯多孔微球的孔隙中，然后与高密度聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯共混挤出造粒，并辅以交变磁场提高纳米炭黑粒子的分散性及取向程度，制得强PTC效应的自控温发热电缆料，制备的具体步骤如下：
（1）将聚苯乙烯多孔微球放入电磁铁的磁头之间，加热至一定温度，调节磁头间的距离，开启磁场电源，并对微球施加压力，保持温度、压力及磁场一定时间后，关闭电源并取出微球，自然冷却至室温，然后放入烘箱中加热干燥，制得磁性聚苯乙烯多孔微球；
（2）将纳米炭黑、分散剂、去离子水按一定的重量份混合，采用玻璃棒搅拌，然后加入乳化机中，制得纳米炭黑分散液，然后通过静电喷雾沉积于步骤（1）所得的磁性聚苯乙烯多孔微球的孔隙中，制得复合微球；
（3）将步骤（2）所得的复合微球与高密度聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯预混后加入三螺杆挤出机中，在共混挤出的同时辅以交变磁场处理，提高纳米炭黑粒子在高密度聚乙烯及聚甲基丙烯酸甲酯中的分散状态和取向程度，然后进行切粒、干燥，即可制得强PTC效应的自控温发热电缆料。
优选的，步骤（1）所述磁场强度为0.5~2T，磁头间距离为10~15cm。
优选的，步骤（1）所述加热温度为40~50℃，压力为8~10MPa，处理时间为18~22min。
优选的，步骤（1）所述烘箱干燥的温度为75~80℃，时间为8~12h。
优选的，步骤（2）所述分散剂为超分散剂，可为聚醚型、聚丙烯酸酯型或聚酯型中的一种。
优选的，步骤（2）中各原料重量份为，纳米炭黑15~30重量份、分散剂2~3重量份、去离子水27~58重量份、磁性聚苯乙烯多孔微球25~40重量份。
优选的，步骤（2）所述乳化机的转子为三级定转子，乳化时转速应逐步分级增加至7000~8000r/min，乳化时间为2~4min。
优选的，步骤（2）所述静电喷雾采用气流喷雾，出口温度为80~90℃，喷雾盘直径为120~180mm，2~3s内实现沉积干燥。
优选的，步骤（3）中各原料重量份为，复合微球25~30重量份、高密度聚乙烯30~55重量份、聚甲基丙烯酸甲酯20~40重量份。
优选的，步骤（3）所述三螺杆挤出机的螺杆可为一字型排列或倒品字形排列，单根螺杆的直径为40~50mm。
优选的，步骤（3）所述交变磁场的磁感应强度为0.02~0.08T，频率为40~70Hz。
本发明还提供一种上述制备方法制备得到的一种强PTC效应的自控温发热电缆料。
将本发明制备的自控温发热电缆料与石墨烯发热电缆料及碳纤维发热电缆料的电阻率、PTC强度、粒子取向程度及成本进行对比，如表1所示，可见，本发明制备的自控温发热电缆料的PTC效应强，发热效果好且性能稳定，同时成本低廉。
表1：
本发明提供了一种强PTC效应的自控温发热电缆料及其制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1.本发明制备的自控温发热电缆料中的导电炭黑粒子的流动性好，在聚合物中的分散状态和取向程度佳，显著减弱了NTC现象，PTC效应强。
2.本发明的制备中通过炭黑粒子附着于磁性聚苯乙烯多孔微球和外加磁场的作用，所得电缆料柔性较好，加工性能优异。
3.本发明的自控发热电缆料的性能稳定，耐候性佳，使用寿命长。
4.本发明的制备过程简单，能耗较低，成本低廉，适合工业化生产。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例1
将聚苯乙烯多孔微球放入电磁铁的磁头之间，加热至45℃，将磁头间的距离调节为12cm，开启磁场电源并施加压力，保持温度，在压力9MPa、磁场强度为1T的条件下处理20min，关闭电源并取出微球，自然冷却至室温，然后放入烘箱中在78℃温度下干燥10h，制得磁性聚苯乙烯多孔微球；取25kg纳米炭黑、2kg聚醚型超分散剂、43kg去离子水混合，采用玻璃棒搅拌，然后加入三级定转子乳化机中，在7500r/min的转速下乳化反应3min，制得纳米炭黑分散液，然后在出口温度在85℃通过气流喷雾、2s内沉积于30kg的磁性聚苯乙烯多孔微球的孔隙中，制得复合微球；然后取 28kg复合微球与42kg高密度聚乙烯、30kg聚甲基丙烯酸甲酯预混后加入螺杆为一字型排列、单根螺杆的直径为45mm的三螺杆挤出机中，在共混挤出的同时辅以磁感应强度为0.05T、频率为50Hz的交变磁场处理，然后进行切粒、干燥，即可制得强PTC效应的自控温发热电缆料；
实施例1制备的自控温发热电缆料，测试电阻率、PTC强度、粒子取向程度及成本，得到的结果如表2所示。
实施例2
将聚苯乙烯多孔微球放入电磁铁的磁头之间，加热至40℃，将磁头间的距离调节为10cm，开启磁场电源并施加压力，保持温度，在压力8MPa、磁场强度为0.5T的条件下处理22min，关闭电源并取出微球，自然冷却至室温，然后放入烘箱中在75℃温度下干燥12h，制得磁性聚苯乙烯多孔微球；取15kg纳米炭黑、3kg聚丙烯酸酯型超分散剂、57kg去离子水混合，采用玻璃棒搅拌，然后加入三级定转子乳化机中，在7000r/min的转速下乳化反应4min，制得纳米炭黑分散液，然后在出口温度在80℃通过气流喷雾、3s内沉积于25kg的磁性聚苯乙烯多孔微球的孔隙中，制得复合微球；然后取 25kg复合微球与55kg高密度聚乙烯、20kg聚甲基丙烯酸甲酯预混后加入螺杆为倒品字形排列、单根螺杆的直径为40mm的三螺杆挤出机中，在共混挤出的同时辅以磁感应强度为0.02T、频率为40Hz的交变磁场处理，然后进行切粒、干燥，即可制得强PTC效应的自控温发热电缆料；
实施例2制备的自控温发热电缆料，测试电阻率、PTC强度、粒子取向程度及成本，得到的结果如表2所示。
实施例3
将聚苯乙烯多孔微球放入电磁铁的磁头之间，加热至50℃，将磁头间的距离调节为15cm，开启磁场电源并施加压力，保持温度，在压力10MPa、磁场强度为2T的条件下处理18min，关闭电源并取出微球，自然冷却至室温，然后放入烘箱中在80℃温度下干燥8h，制得磁性聚苯乙烯多孔微球；取30kg纳米炭黑、2kg聚酯型超分散剂、28kg去离子水混合，采用玻璃棒搅拌，然后加入三级定转子乳化机中，在8000r/min的转速下乳化反应2min，制得纳米炭黑分散液，然后在出口温度在90℃通过气流喷雾、2s内沉积于40kg的磁性聚苯乙烯多孔微球的孔隙中，制得复合微球；然后取 30kg复合微球与30kg高密度聚乙烯、40kg聚甲基丙烯酸甲酯预混后加入螺杆为一字型排列、单根螺杆的直径为50mm的三螺杆挤出机中，在共混挤出的同时辅以磁感应强度为0.08T、频率为70Hz的交变磁场处理，然后进行切粒、干燥，即可制得强PTC效应的自控温发热电缆料；
实施例3制备的自控温发热电缆料，测试电阻率、PTC强度、粒子取向程度及成本，得到的结果如表2所示。
实施例4
将聚苯乙烯多孔微球放入电磁铁的磁头之间，加热至42℃，将磁头间的距离调节为13cm，开启磁场电源并施加压力，保持温度，在压力9MPa、磁场强度为1.5T的条件下处理19min，关闭电源并取出微球，自然冷却至室温，然后放入烘箱中在76℃温度下干燥11h，制得磁性聚苯乙烯多孔微球；取18kg纳米炭黑、2kg聚醚型超分散剂、52kg去离子水混合，采用玻璃棒搅拌，然后加入三级定转子乳化机中，在7200r/min的转速下乳化反应3min，制得纳米炭黑分散液，然后在出口温度在82℃通过气流喷雾、2s内沉积于28kg的磁性聚苯乙烯多孔微球的孔隙中，制得复合微球；然后取 27kg复合微球与51kg高密度聚乙烯、22kg聚甲基丙烯酸甲酯预混后加入螺杆为倒品字形排列、单根螺杆的直径为45mm的三螺杆挤出机中，在共混挤出的同时辅以磁感应强度为0.04T、频率为50Hz的交变磁场处理，然后进行切粒、干燥，即可制得强PTC效应的自控温发热电缆料；
实施例4制备的自控温发热电缆料，测试电阻率、PTC强度、粒子取向程度及成本，得到的结果如表2所示。
实施例5
将聚苯乙烯多孔微球放入电磁铁的磁头之间，加热至49℃，将磁头间的距离调节为11cm，开启磁场电源并施加压力，保持温度，在压力10MPa、磁场强度为1.5T的条件下处理19min，关闭电源并取出微球，自然冷却至室温，然后放入烘箱中在78℃温度下干燥9h，制得磁性聚苯乙烯多孔微球；取28kg纳米炭黑、3kg聚丙烯酸酯型超分散剂、33kg去离子水混合，采用玻璃棒搅拌，然后加入三级定转子乳化机中，在7800r/min的转速下乳化反应4min，制得纳米炭黑分散液，然后在出口温度在88℃通过气流喷雾、3s内沉积于36kg的磁性聚苯乙烯多孔微球的孔隙中，制得复合微球；然后取 28kg复合微球与36kg高密度聚乙烯、36kg聚甲基丙烯酸甲酯预混后加入螺杆为一字型排列、单根螺杆的直径为48mm的三螺杆挤出机中，在共混挤出的同时辅以磁感应强度为0.07T、频率为60Hz的交变磁场处理，然后进行切粒、干燥，即可制得强PTC效应的自控温发热电缆料；
实施例5制备的自控温发热电缆料，测试电阻率、PTC强度、粒子取向程度及成本，得到的结果如表2所示。
实施例6
将聚苯乙烯多孔微球放入电磁铁的磁头之间，加热至46℃，将磁头间的距离调节为13cm，开启磁场电源并施加压力，保持温度，在压力9MPa、磁场强度为1T的条件下处理21min，关闭电源并取出微球，自然冷却至室温，然后放入烘箱中在77℃温度下干燥11h，制得磁性聚苯乙烯多孔微球；取23kg纳米炭黑、3kg聚酯型超分散剂、39kg去离子水混合，采用玻璃棒搅拌，然后加入三级定转子乳化机中，在7500r/min的转速下乳化反应3min，制得纳米炭黑分散液，然后在出口温度在85℃通过气流喷雾、2s内沉积于35kg的磁性聚苯乙烯多孔微球的孔隙中，制得复合微球；然后取 27kg复合微球与41kg高密度聚乙烯、32kg聚甲基丙烯酸甲酯预混后加入螺杆为倒品字形排列、单根螺杆的直径为45mm的三螺杆挤出机中，在共混挤出的同时辅以磁感应强度为0.06T、频率为55Hz的交变磁场处理，然后进行切粒、干燥，即可制得强PTC效应的自控温发热电缆料；
实施例6制备的自控温发热电缆料，测试电阻率、PTC强度、粒子取向程度及成本，得到的结果如表2所示。
对比例1
未对聚苯乙烯多孔微球进行磁性处理，其他制备条件与实施例6一致；
对比例1制备的自控温发热电缆料，测试电阻率、PTC强度、粒子取向程度及成本，得到的结果如表2所示。
表2：

Claims (10)

1.一种强PTC效应的自控温发热电缆料的制备方法，其特征在于，先对聚苯乙烯多孔微球进行磁性处理，然后将含纳米炭黑的分散液通过静电喷雾沉积于磁性聚苯乙烯多孔微球的孔隙中，然后与高密度聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯共混挤出造粒，并辅以交变磁场提高纳米炭黑粒子的分散性及取向程度，制得强PTC效应的自控温发热电缆料，制备的具体步骤如下：
（1）将聚苯乙烯多孔微球放入电磁铁的磁头之间，加热至一定温度，调节磁头间的距离，开启磁场电源，并对微球施加压力，保持温度、压力及磁场一定时间后，关闭电源并取出微球，自然冷却至室温，然后放入烘箱中加热干燥，制得磁性聚苯乙烯多孔微球；
（2）将纳米炭黑、分散剂、去离子水按一定的重量份混合，采用玻璃棒搅拌，然后加入乳化机中，制得纳米炭黑分散液，然后通过静电喷雾沉积于步骤（1）所得的磁性聚苯乙烯多孔微球的孔隙中，制得复合微球；其中，纳米炭黑15~30重量份、分散剂2~3重量份、去离子水27~58重量份、磁性聚苯乙烯多孔微球25~40重量份；
（3）将步骤（2）所得的复合微球与高密度聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯预混后加入三螺杆挤出机中，在共混挤出的同时辅以交变磁场处理，提高纳米炭黑粒子在高密度聚乙烯及聚甲基丙烯酸甲酯中的分散状态和取向程度，然后进行切粒、干燥，即可制得强PTC效应的自控温发热电缆料；其中，复合微球25~30重量份、高密度聚乙烯30~55重量份、聚甲基丙烯酸甲酯20~40重量份。
2.根据权利要求1所述一种强PTC效应的自控温发热电缆料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述磁场强度为0.5~2T，磁头间距离为10~15cm。
3.根据权利要求1所述一种强PTC效应的自控温发热电缆料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述加热温度为40~50℃，压力为8~10MPa，处理时间为18~22min。
4.根据权利要求1所述一种强PTC效应的自控温发热电缆料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述烘箱干燥的温度为75~80℃，时间为8~12h。
5.根据权利要求1所述一种强PTC效应的自控温发热电缆料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述分散剂为超分散剂，为聚醚型、聚丙烯酸酯型或聚酯型中的一种。
6.根据权利要求1所述一种强PTC效应的自控温发热电缆料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述乳化机的转子为三级定转子，乳化时转速应逐步分级增加至7000~8000r/min，乳化时间为2~4min。
7.根据权利要求1所述一种强PTC效应的自控温发热电缆料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述静电喷雾采用气流喷雾，出口温度为80~90℃，喷雾盘直径为120~180mm，2~3s内实现沉积干燥。
8.根据权利要求1所述一种强PTC效应的自控温发热电缆料的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述三螺杆挤出机的螺杆可为一字型排列或倒品字形排列，单根螺杆的直径为40~50mm。
9.根据权利要求1所述一种强PTC效应的自控温发热电缆料的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述交变磁场的磁感应强度为0.02~0.08T，频率为40~70Hz。
10.权利要求1～9任一项所述制备方法制备得到的强PTC效应的自控温发热电缆料。
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