CN106486194B - 一种气凝胶复合电缆及其制备方法 - Google Patents

一种气凝胶复合电缆及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纳米氧化铝纤维增强SiO2‑Al2O3气凝胶复合电缆及其制备方法。本发明与现有技术相比，根据本发明实施例的制备方法采用正硅酸乙酯(TEOS)、AlCl3·6H2O、乙醇、稀盐酸、氨水、去离子水、纳米氧化铝纤维等制备纳米氧化铝纤维增强复合SiO2‑Al2O3溶胶混合体，并经过老化处理、液态CO2溶剂置换、挤包和热处理增压固化处理，制得挤包有SiO2‑Al2O3复合气凝胶的电缆芯，电缆芯最外层采用无缝钢管纵包。本发明与现有技术相比，根据本发明实施例的纳米氧化铝纤维增强SiO2‑Al2O3气凝胶复合电缆结构简单，材料成本大大降低，显著降低电缆重量的同时，提高电缆的隔热、耐高温能力。

Description

一种气凝胶复合电缆及其制备方法
技术领域
本发明属于输配电线路器材领域，涉及一种电缆及其制备方法，尤其涉及一种纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3气凝胶复合电缆及其制备方法。
背景技术
随着经济社会发展，如何提高电缆在高温或火灾环境中的正常运行能力变得越来越迫切。而研制质轻、材料成本低、结构简单的高性能防火和耐火电缆，意义极其重大。
本发明所制备的纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3气凝胶复合电缆，综合运用材料和创新性工艺制备以纳米氧化铝纤维为骨架进行凝胶的SiO2-Al2O3混合气凝胶隔离层。相互桥联的纳米氧化铝纤维与SiO2-Al2O3气凝胶中的纳米孔壁相桥联，显著提高由纳米气孔分割而成的三维连续网状结构的强度和韧性。
在本发明完成之前，尚未见到用与本发明制备方法相同的纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3气凝胶复合电缆产品，也未见到有与本发明相同的纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3气凝胶复合电缆的制备方法在文献中有记载。
发明内容
本发明立足于材料特性及工艺的综合应用，旨在提供一种制备纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3气凝胶复合电缆的方法。
所述纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3气凝胶复合电缆由金属导体、绝缘、纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3气凝胶隔离层及不锈钢护套组成，其中，所述纳米氧化铝纤维长度为15nm-80nm，直径为4-11nm，添加量按重量百分比为3.9％-9.8％；SiO2-Al2O3气凝胶隔离层是一种由纳米气孔分割成三维连续网状的结构，孔隙率为85.2％-90.8％，所述纳米气孔平均孔径为5nm-11nm；所述纳米氧化铝纤维之间相互桥联，并与SiO2-Al2O3气凝胶孔壁相桥联，其中，所述纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3气凝胶密度为0.158g/cm3-0.185g/cm3。
所述SiO2-Al2O3气凝胶隔离层在25℃时的等效热导率为0.0288W/(m·k)-0.0465W/(m·k)，1000℃时的热导率为0.0528W/(m·k)-0.0685W/(m·k)，1200℃时的热导率0.0743W/(m·K)-0.0835W/(m·K)，最高使用温度可达1500℃。
所述的纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3气凝胶复合电缆的制备方法，主要包括以下步骤：
步骤一：电缆芯制备
导体材料采用铝合金或铜，经过熔炼、连铸连轧、拉丝、退火和绞合制得导体；
绝缘或绝缘后成缆制得电缆芯。
步骤二：纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3气凝胶隔离层制备
在20℃下，将正硅酸乙酯(TEOS)、乙醇、去离子水按一定的物质的量比混合，搅拌均匀，加入盐酸、水和乙醇将混合液PH值调整为3。在50℃的温度下电磁搅拌30分钟，加入氨水、水和乙醇进行催化至PH值为6，充分水解后得到SiO2溶胶。
在20℃下，将AlCl3·6H2O、乙醇、去离子水按一定的物质的量比混合，搅拌30分钟使AlCl3·6H2O充分水解并得到Al2O3溶胶。
然后将上述SiO2溶胶与Al2O3溶胶按一定的物质的量比混合均匀，加入纳米氧化铝纤维与SiO2-Al2O3复合溶胶进行复合，电磁搅拌30分钟使复合溶胶以纳米氧化铝纤维为骨架逐渐凝胶，得到纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3复合溶胶混合体。
将上述混合体凝胶后得到的SiO2-Al2O3复合湿凝胶，在20℃下静置5小时后，在45℃的烘箱内进行老化处理、每隔10小时用无水乙醇置换溶液一次，老化时间为40小时。
将老化后的纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3复合凝胶浸入储存有乙醇的超临界干燥器，然后将超临界干燥器内的温度降至3-4℃，通入液态CO2进行溶剂置换，去除凝胶内的水和乙醇。
采用挤出机将去除水和乙醇后的SiO2-Al2O3复合湿凝胶挤包在导体绝缘后的电缆芯上，挤出温度为70-90℃。
对挤包有复合湿凝胶的电缆芯进行热处理增压固化处理。使复合电缆芯在线经过热处理增压箱。
制得挤包有纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3复合气凝胶的电缆芯。
对挤包有纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3复合气凝胶的电缆芯最外层采用无缝钢管纵包。
所述SiO2溶胶按物质的量比n(TEOS)：n(C2H5OH)：n(H2O)：n(盐酸水溶液)：n(氨水溶液)＝1：12：(4-6)：0.013：0.016进行配料，盐酸水溶液浓度为0.5mol/L，氨水溶液浓度为0.5mol/L。
所述Al2O3溶胶以物质的量比n(AlCl3·6H2O)：n(C2H5OH)：n(H2O)＝1：15.8：(4-8)进行配料。
所述纳米氧化铝纤维增强复合SiO2-Al2O3溶胶混合体中n(TEOS)：n(AlCl3·6H2O)＝1：(2-5)。
所述热处理增压箱分为3阶段工作，第一段温度为100℃，压力为5MPa；第二段温度为150℃，压力为7.5MPa；第三段温度为250℃，压力为10MPa。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
本发明综合运用材料和创新性工艺制备纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3气凝胶隔离层，实现具有优异隔热性能的纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3气凝胶复合电缆的制备。
本发明与现有技术相比，结构简单，材料成本大大降低，显著降低电缆重量的同时，提高电缆的隔热、耐高温能力。
具体实施方式
为使本发明技术方案和优点更加清楚，通过以下几个具体实施例对本发明作进一步详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
1、导体材料采用铝合金或铜，经过熔炼、连铸连轧、拉丝、退火和绞合制得导体。绝缘或绝缘后成缆制得电缆芯。
2、按物质的量比n(TEOS)：n(C2H5OH)：n(H2O)：n(HCl)：n(NH3)＝1：12：4：0.013：0.016进行配料，盐酸水溶液浓度为0.5mol/L，氨水溶液浓度为0.5mol/L。在20℃下，将正硅酸乙酯(TEOS)、乙醇、去离子水混合，搅拌均匀，加入盐酸、水和乙醇将混合液PH调整为3。在50℃的温度下电磁搅拌30分钟，加入氨水、水和乙醇进行催化至PH为6，充分水解后得到SiO2溶胶。
3、以物质的量比n(AlCl3·6H2O)：n(C2H5OH)：n(H2O)＝1：15.8：4进行配料。在20℃下，将AlCl3·6H2O、乙醇、去离子水混合，搅拌30分钟使AlCl3·6H2O充分水解并得到Al2O3溶胶。
4、将上述SiO2溶胶与Al2O3溶胶按物质的量比n(TEOS)：n(AlCl3·6H2O)＝1：2混合均匀。添加量按重量百分比为3.9％、纤维长度为80nm、直径为11nm的纳米氧化铝纤维与SiO2-Al2O3复合溶胶进行复合，电磁搅拌30分钟使复合溶胶以纳米氧化铝纤维为骨架逐渐凝胶，得到纳米氧化铝纤维增强复合SiO2-Al2O3溶胶混合体。
5、将上述混合体凝胶后得到的SiO2-Al2O3复合湿凝胶，在20℃下静置5小时后，在45℃的烘箱内进行老化处理、每隔10小时用无水乙醇置换溶液一次，老化时间为40小时。
6、将老化后的纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3复合凝胶浸入充满乙醇的超临界干燥器，然后将超临界干燥器内的温度降至3-4℃，通入液态CO2进行溶剂置换，去除凝胶内的水和乙醇。
7、采用挤出机将老化后的SiO2-Al2O3复合湿凝胶挤包在导体绝缘或电缆芯上，挤出温度为70℃。
8、对挤包有复合湿凝胶的电缆芯经过热处理增压箱进行固化处理。热处理增压箱分为3段，第一段温度为100℃，压力为5MPa；第二段温度为150℃，压力为7.5MPa；第三段温度为250℃，压力为10MPa。制得挤包有纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3复合气凝胶的缆芯。电缆芯最外层采用无缝钢管纵包。
9、制得的SiO2-Al2O3气凝胶隔离层是一种由纳米气孔分割成三维连续网状的结构，孔隙率为90.8％，所述纳米气孔平均孔径为11nm；凝胶中纳米氧化铝纤维之间相互桥联，并与SiO2-Al2O3气凝胶孔壁相桥联。所述纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3气凝胶密度为0.158g/cm3。
10、制得的SiO2-Al2O3气凝胶隔离层在25℃时的等效热导率为0.0465W/(m·k)，1000℃时的热导率为0.0685W/(m·k)，1200℃时的热导率0.0835W/(m·K)，最高使用温度可达1500℃。
实施例2：
1、导体材料采用铝合金或铜，经过熔炼、连铸连轧、拉丝、退火和绞合制得导体。绝缘或绝缘后成缆制得电缆芯。
2、按物质的量比n(TEOS)：n(C2H5OH)：n(H2O)：n(HCl)：n(NH3)＝1：12：5：0.013：0.016进行配料，盐酸水溶液浓度为0.5mol/L，氨水溶液浓度为0.5mol/L。在20℃下，将正硅酸乙酯(TEOS)、乙醇、去离子水混合，搅拌均匀，加入盐酸、水和乙醇将混合液PH调整为3。在50℃的温度下电磁搅拌30分钟，加入氨水、水和乙醇进行催化至PH为6，充分水解后得到SiO2溶胶。
3、以物质的量比n(AlCl3·6H2O)：n(C2H5OH)：n(H2O)＝1：15.8：6进行配料。在20℃下，将AlCl3·6H2O、乙醇、去离子水混合，搅拌30分钟使AlCl3·6H2O充分水解并得到Al2O3溶胶。
4、将上述SiO2溶胶与Al2O3溶胶按物质的量比n(TEOS)：n(AlCl3·6H2O)＝1：3混合均匀。添加量按重量百分比为6％、纤维长度为35nm、直径为4nm的纳米氧化铝纤维与SiO2-Al2O3复合溶胶进行复合，电磁搅拌30分钟使复合溶胶以纳米氧化铝纤维为骨架逐渐凝胶，得到纳米氧化铝纤维增强复合SiO2-Al2O3溶胶混合体。
5、将上述混合体凝胶后得到的SiO2-Al2O3复合湿凝胶，在20℃下静置5小时后，在45℃的烘箱内进行老化处理、每隔10小时用无水乙醇置换溶液一次，老化时间为40小时。
6、将老化后的纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3复合凝胶浸入充满乙醇的超临界干燥器，然后将超临界干燥器内的温度降至3-4℃，通入液态CO2进行溶剂置换，去除凝胶内的水和乙醇。
7、采用挤出机将老化后的SiO2-Al2O3复合湿凝胶挤包在导体绝缘或电缆芯上，挤出温度为80℃。
8、对挤包有复合湿凝胶的电缆芯经过热处理增压箱进行固化处理。热处理增压箱分为3段，第一段温度为100℃，压力为5MPa；第二段温度为150℃，压力为7.5MPa；第三段温度为250℃，压力为10MPa。制得挤包有SiO2-Al2O3复合气凝胶的缆芯。电缆芯最外层采用无缝钢管纵包。
9、制得的SiO2-Al2O3气凝胶隔离层是一种由纳米气孔分割成三维连续网状的结构，孔隙率为90.2％，所述纳米气孔平均孔径为7nm；凝胶中纳米氧化铝纤维之间相互桥联，并与SiO2-Al2O3气凝胶孔壁相桥联。所述纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3气凝胶密度为0.165g/cm3。
10、制得的SiO2-Al2O3气凝胶隔离层在25℃时的等效热导率为0.0288W/(m·k)，1000℃时的热导率为0.0528W/(m·k)，1200℃时的热导率0.0743W/(m·K)，最高使用温度可达1500℃。
实施例3：
1、导体材料采用铝合金或铜，经过熔炼、连铸连轧、拉丝、退火和绞合制得导体。绝缘或绝缘后成缆制得电缆芯。
2、按物质的量比n(TEOS)：n(C2H5OH)：n(H2O)：n(HCl)：n(NH3)＝1：12：6：0.013：0.016进行配料，盐酸水溶液浓度为0.5mol/L，氨水溶液浓度为0.5mol/L。在20℃下，将正硅酸乙酯(TEOS)、乙醇、去离子水混合，搅拌均匀，加入盐酸、水和乙醇将混合液PH调整为3。在50℃的温度下电磁搅拌30分钟，加入氨水、水和乙醇进行催化至PH为6，充分水解后得到SiO2溶胶。
3、以物质的量比n(AlCl3·6H2O)：n(C2H5OH)：n(H2O)＝1：15.8：8进行配料。在20℃下，将AlCl3·6H2O、乙醇、去离子水混合，搅拌30分钟使AlCl3·6H2O充分水解并得到Al2O3溶胶。
4、将上述SiO2溶胶与Al2O3溶胶按物质的量比n(TEOS)：n(AlCl3·6H2O)＝1：5混合均匀。添加量按重量百分比为9.8％、纤维长度为15nm、直径为7nm的纳米氧化铝纤维与SiO2-Al2O3复合溶胶进行复合，电磁搅拌30分钟使复合溶胶以纳米氧化铝纤维为骨架逐渐凝胶，得到纳米氧化铝纤维增强复合SiO2-Al2O3溶胶混合体。
5、将上述混合体凝胶后得到的SiO2-Al2O3复合湿凝胶，在20℃下静置5小时后，在45℃的烘箱内进行老化处理、每隔10小时用无水乙醇置换溶液一次，老化时间为40小时。
6、将老化后的纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3复合凝胶浸入充满乙醇的超临界干燥器，然后将超临界干燥器内的温度降至3-4℃，通入液态CO2进行溶剂置换，去除凝胶内的水和乙醇。
7、采用挤出机将老化后的SiO2-Al2O3复合湿凝胶挤包在导体绝缘或电缆芯上，挤出温度为90℃。
8、对挤包有复合湿凝胶的电缆芯经过热处理增压箱进行固化处理。热处理增压箱分为3段，第一段温度为100℃，压力为5MPa；第二段温度为150℃，压力为7.5MPa；第三段温度为250℃，压力为10MPa。制得挤包有SiO2-Al2O3复合气凝胶的缆芯。电缆芯最外层采用无缝钢管纵包。
9、制得的SiO2-Al2O3气凝胶隔离层是一种由纳米气孔分割成三维连续网状的结构，孔隙率为85.2％％，所述纳米气孔平均孔径为5nm；凝胶中纳米氧化铝纤维之间相互桥联，并与SiO2-Al2O3气凝胶孔壁相桥联。所述纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3气凝胶密度为0.185g/cm3。
10、制得的SiO2-Al2O3气凝胶隔离层在25℃时的等效热导率为0.0395W/(m·k)，1000℃时的热导率为0.0528W/(m·k)，1200℃时的热导率0.0808W/(m·K)，最高使用温度可达1500℃。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3气凝胶复合电缆，其特征在于，所述电缆由金属导体、绝缘层、纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3气凝胶隔离层及无缝钢管护套组成，其中，所述纳米氧化铝纤维长度为15nm-80nm，直径为4-11nm，其中，所述纳米氧化铝纤维的重量百分比为3.9％-9.8％；SiO2-Al2O3气凝胶隔离层是一种由纳米气孔分割成三维连续网状的结构，孔隙率为85.2％-90.8％，所述纳米气孔平均孔径为5nm-11nm；所述纳米氧化铝纤维之间相互桥联，并与SiO2-Al2O3气凝胶孔壁相桥联，其中，所述纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3气凝胶密度为0.158g/cm3-0.185g/cm3。
2.根据权利要求1所述的纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3气凝胶复合电缆，其特征在于，所述SiO2-Al2O3气凝胶隔离层在室温下的等效热导率为0.0288W/m·k-0.0465W/m·k，在1000℃时的热导率为0.0528W/m·k-0.0685W/m·k，在1200℃时的热导率0.0743W/m·K-0.0835W/m·K。
3.一种纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3气凝胶复合电缆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用铝合金或铜，经过熔炼、连铸连轧、拉丝、退火和绞合制得导体；
绝缘后成缆制得电缆芯；
在室温下，将正硅酸乙酯、乙醇、去离子水相混合，搅拌均匀，加入盐酸、水和乙醇，使得混合液PH值为3；在50℃的温度下电磁搅拌30分钟，加入氨水、水和乙醇进行催化，使得PH值为6，充分水解后得到SiO2溶胶；
在室温下，将AlCl3·6H2O、乙醇、去离子水相混合，搅拌30分钟使AlCl3·6H2O充分水解并得到Al2O3溶胶；
将上述SiO2溶胶与Al2O3溶胶混合均匀，从而获得SiO2-Al2O3复合溶胶，加入纳米氧化铝纤维与SiO2-Al2O3复合溶胶进行复合；电磁搅拌30分钟，使得SiO2-Al2O3复合溶胶以纳米氧化铝纤维为骨架逐渐凝胶，得到纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3复合溶胶混合体；
将上述纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3复合溶胶混合体凝胶后得到的纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3复合湿凝胶，在室温下静置5小时后，在45℃的烘箱内进行老化处理，每隔10小时用无水乙醇置换溶液一次，老化时间为40小时；
将老化后的纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3复合湿凝胶浸入储存有乙醇的超临界干燥器，然后将超临界干燥器内的温度降至3-4℃，通入液态CO2进行溶剂置换，以去除纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3复合湿凝胶内的水和乙醇；
采用挤出机将去除水和乙醇后的纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3复合湿凝胶挤包在导体绝缘后的电缆芯上，挤出温度为70-90℃；
对挤包有复合湿凝胶的电缆芯进行热处理以及增压固化处理；
制得挤包有纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3复合气凝胶的电缆芯；
对挤包有纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3复合气凝胶的电缆芯最外层采用无缝钢管纵包。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述SiO2溶胶中，TEOS：C2H5OH：H2O：盐酸水溶液：氨水溶液的重量比为1：12：(4-6)：0.013：0.016，其中，盐酸水溶液浓度为0.5mol/L，氨水溶液浓度为0.5mol/L。
5.根据权利要求3-4任一所述的制备方法，其特征在于，所述Al2O3溶胶中，AlCl3·6H2O：C2H5OH：H2O的重量百分比为1：15.8：(4-8)。
6.根据权利要求3-4任一所述的制备方法，其特征在于，在所述纳米氧化铝纤维增强SiO2-Al2O3复合溶胶混合体中，TEOS：AlCl3·6H2O的重量比为1：(2-5)。
7.根据权利要求3-4任一所述的制备方法，其特征在于，所述热处理以及增压固化处理包括：第一段温度为100℃，压力为5MPa；第二段温度为150℃，压力为7.5MPa；第三段温度为250℃，压力为10MPa。
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