CN105960039A - 一种阻燃型高分子自限温伴热电缆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阻燃型高分子自限温伴热电缆，包括PTC芯带，依次包覆在所述PTC芯带外的绝缘层、金属屏蔽层和耐磨护套层，PTC芯带由两根平行布置的发热导线和包覆在其外的PTC材料层构成；本发明制备的电缆材料结构简单，低烟无卤环保性好，克服了现有技术中电缆重量较大、电阻较大、导电能力差、安全性能差等缺陷，值得推广。
Description
技术领域
本发明涉及电缆材料技术领域，尤其涉及一种阻燃型高分子自限温伴热电缆。
背景技术
伴热电缆广泛应用于许多领域，如在工业方面主要利用在石油、化工、热电厂等需要防止管道或罐内的液体物质凝固/流动速度慢的场所，在公共设施方面主要用于消防管道的伴热，在民用方面可用于室内取暖以及冬季室外管道防冻方面。伴热电缆的核心在于其结构和制作其电热原件PTC材料。PTC材料是指材料的电阻值随温度的升高而上升的一种热敏材料，即材料的电阻或电阻率在某一特定的温度范围内时基本保持不变或仅有微小量的变化，而当温度达到材料的某个特定的转变点温度附近时，材料的电阻率会在几度或十几度的狭窄的温度范围内发生突变，电阻率迅速增大103-109数量级。PTC材料主要分为陶瓷基PTC材料和高分子基PTC材料两种类型。其中，高分子基PTC材料由于具有易加工、制造成本较低、导电范围大、室温电阻率低 等优点而显示出巨大的应用价值。但是，现有技术中，高分子基PTC材料及高分子伴热电缆还存在性能稳定性较差、PTC强度较低等缺陷。
《导电_抗静电聚合物纳米复合材料的制备及其性能研究》一文中作者利用低熔点金属、碳纳米管等导电填料制备得到导电抗静电聚合物复合材料及纤维，提出了新的制备方法和新原理，采用电导率高、易加工的低熔点金属作为导电填料，通过熔融共混以及固相拉伸等方法，制备出复合纤维，得出聚合物/低熔点导电金属复合纤维具有电阻率随着拉伸倍率的提高而降低的性质，与未含有低导电熔点纤维的复合纤维比较，其复合纤维的强度和断裂伸长率都有所提高。通过在复合纤维中添加碳纳米管和纳米蒙脱土显著降低了金属颗粒粒径，使得复合纤维获得了更加优异的电性能和力学性能。导电填料在聚合物基体中的分散性是影响PTC材料性能优良与否的决定性因素，影响着PTC材料的发展和应用。PTC材料的稳定性和是否有NTC效应是运用到伴热电缆中最主要的问题。而通篇文章作者没有考虑到这个问题，这也是本发明所要解决的问题。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种阻燃型高分子自限温伴热电缆。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种阻燃型高分子自限温伴热电缆，包括PTC芯带，依次包覆在所述PTC芯带外的绝缘层、金属屏蔽层和耐磨护套层，PTC芯带由两根平行布置的发热导线和包覆在其外的PTC材料层构成；所述PTC材料由以下重量份的原料制备制成：氧化石墨烯9-13、聚苯胺4-5、水合肼0.3-0.5、聚丙烯30-35、锡铋合金粉4-6、硬脂酸锌0.2-0.4、碳纳米管13-16、羧基丁腈粉末橡胶9-12、聚甲基丙烯酸酯10-14、碳纤维5-7、N，N-二甲基甲酰胺20-26、去离子水适量。
所述一种阻燃型高分子自限温伴热电缆，由以下具体步骤制备制成：
（1）将氧化石墨烯加到去离子水中制成1mg/ml的溶液，超声搅拌均匀后加入聚苯胺继续超声分散1h，再加入水合肼在90℃下冷凝回流3-4小时，趁热过滤，产物用去离子水清洗，呈中性后于40℃真空干燥后备用；
（2）将聚丙烯在烘箱中80℃下烘干6-8h，冷却后切成颗粒，将锡铋合金粉、硬脂酸锌、碳纳米管和预处理的聚丙烯粒料按照配比在高速搅拌机中混合均匀，然后加到双螺杆挤出机挤出造粒，再将颗粒在80℃下烘干4-5h，之后置于毛细管流变仪中，制成混合原丝，将原丝夹持在夹具上，在170-180℃的环境加热箱内，以10mm/min的速度均匀拉伸纤维；
（3）将聚甲基丙烯酸酯和N，N-二甲基甲酰胺加到烧瓶中，在90℃下冷凝回流1h，同时将步骤（1）制备的产物和碳纤维加到N，N-二甲基甲酰胺中超声分散1h，超声结束后加到上述烧瓶中冷凝回流2h，然后加到烘箱中除去溶剂，自然冷却至室温；
（4）将剩余配方量的各组分、步骤（2）制备的产物和步骤（3）制备的产物通过密炼机熔融共混，温度为160-175℃，时间为15-25min，然后通过单螺杆挤出机造粒，再将粒子在10-15m/min的挤出速率下，通过挤压模挤出成缆材冷却至常温即可。
本发明的优点是：本发明通过使用低熔点金属作为导电填料，结合熔融混合和固相拉伸的手段，制备了导电、抗静电复合纤维，使其拥有良好的强度和断裂伸长率，且具有优异的导电性能和力学性能，解决了金属与基体材料相容性差、容易氧化导致电导率下降的问题，并且通过引入的超细粉末橡胶和改性石墨烯，实现高体积填充，显著提高体积排除效应的效率，并且帮助难分散的纳米粒子在聚合物种分散，完善了金属/导电材料的导电网络，大幅度降低了导电逾渗值，提高了材料的电学稳定性，并且利用聚苯胺改性石墨烯，通过两者间形成酰胺基将聚苯胺嫁接到石墨烯表面，得到在基体中分散性好的石墨烯，提高了体系的PTC强度，本发明制备的电缆材料结构简单，低烟无卤环保性好，克服了现有技术中电缆重量较大、电阻较大、导电能力差、安全性能差等缺陷，值得推广。
具体实施方式
一种阻燃型高分子自限温伴热电缆，包括PTC芯带，依次包覆在所述PTC芯带外的绝缘层、金属屏蔽层和耐磨护套层，PTC芯带由两根平行布置的发热导线和包覆在其外的PTC材料层构成；所述PTC材料由以下重量份（公斤）的原料制备制成：氧化石墨烯9、聚苯胺4、水合肼0.3、聚丙烯30、锡铋合金粉4-6、硬脂酸锌0.2、碳纳米管13、羧基丁腈粉末橡胶9、聚甲基丙烯酸酯10、碳纤维5、N，N-二甲基甲酰胺20、去离子水适量。
所述一种阻燃型高分子自限温伴热电缆，由以下具体步骤制备制成：
（1）将氧化石墨烯加到去离子水中制成1mg/ml的溶液，超声搅拌均匀后加入聚苯胺继续超声分散1h，再加入水合肼在90℃下冷凝回流3小时，趁热过滤，产物用去离子水清洗，呈中性后于40℃真空干燥后备用；
（2）将聚丙烯在烘箱中80℃下烘干6h，冷却后切成颗粒，将锡铋合金粉、硬脂酸锌、碳纳米管和预处理的聚丙烯粒料按照配比在高速搅拌机中混合均匀，然后加到双螺杆挤出机挤出造粒，再将颗粒在80℃下烘干4h，之后置于毛细管流变仪中，制成混合原丝，将原丝夹持在夹具上，在170℃的环境加热箱内，以10mm/min的速度均匀拉伸纤维；
（3）将聚甲基丙烯酸酯和N，N二甲基甲酰胺加到烧瓶中，在90℃下冷凝回流1h，同时将步骤（1）制备的产物和碳纤维加到N，N二甲基甲酰胺中超声分散1h，超声结束后加到上述烧瓶中冷凝回流2h，然后加到烘箱中除去溶剂，自然冷却至室温；
（4）将剩余配方量的各组分、步骤（2）制备的产物和步骤（3）制备的产物通过密炼机熔融共混，温度为160℃，时间为15min，然后通过单螺杆挤出机造粒，再将粒子在10m/min的挤出速率下，通过挤压模挤出成缆材冷却至常温即可。
该伴热电缆的性能测试如下：
拉伸强度（MPa）：23.5；断裂伸长率（%）：402；氧指数（%）：31；热稳定性：由10℃到99℃间来回循环300次后电缆发热量维持在95%；体积电阻率（Ω.cm）：89；工作温度≥160℃。
Claims (2)
1.一种阻燃型高分子自限温伴热电缆，其特征在于，包括PTC芯带，依次包覆在所述PTC芯带外的绝缘层、金属屏蔽层和耐磨护套层，PTC芯带由两根平行布置的发热导线和包覆在其外的PTC材料层构成；所述PTC材料由以下重量份的原料制备制成：氧化石墨烯9-13、聚苯胺4-5、水合肼0.3-0.5、聚丙烯30-35、锡铋合金粉4-6、硬脂酸锌0.2-0.4、碳纳米管13-16、羧基丁腈粉末橡胶9-12、聚甲基丙烯酸酯10-14、碳纤维5-7、N，N-二甲基甲酰胺20-26、去离子水适量。
2.根据权利要求1所述一种阻燃型高分子自限温伴热电缆，其特征在于，由以下具体步骤制备制成：
（1）将氧化石墨烯加到去离子水中制成1mg/ml的溶液，超声搅拌均匀后加入聚苯胺继续超声分散1h，再加入水合肼在90℃下冷凝回流3-4小时，趁热过滤，产物用去离子水清洗，呈中性后于40℃真空干燥后备用；
（2）将聚丙烯在烘箱中80℃下烘干6-8h，冷却后切成颗粒，将锡铋合金粉、硬脂酸锌、碳纳米管和预处理的聚丙烯粒料按照配比在高速搅拌机中混合均匀，然后加到双螺杆挤出机挤出造粒，再将颗粒在80℃下烘干4-5h，之后置于毛细管流变仪中，制成混合原丝，将原丝夹持在夹具上，在170-180℃的环境加热箱内，以10mm/min的速度均匀拉伸纤维；
（3）将聚甲基丙烯酸酯和N，N-二甲基甲酰胺加到烧瓶中，在90℃下冷凝回流1h，同时将步骤（1）制备的产物和碳纤维加到N，N-二甲基甲酰胺中超声分散1h，超声结束后加到上述烧瓶中冷凝回流2h，然后加到烘箱中除去溶剂，自然冷却至室温；
（4）将剩余配方量的各组分、步骤（2）制备的产物和步骤（3）制备的产物通过密炼机熔融共混，温度为160-175℃，时间为15-25min，然后通过单螺杆挤出机造粒，再将粒子在10-15m/min的挤出速率下，通过挤压模挤出成缆材冷却至常温即可。
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