CN106653150B - 一种石墨烯电线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯电线，包括导体1、石墨烯基共混物屏蔽层2、绝缘层3和外护套层5，所述导体1为化学掺杂石墨烯纤维绞绕或是捆扎成化学掺杂石墨烯纤维束；所述导体1外同心包覆挤包有石墨烯基共混物屏蔽层2，在石墨烯基共混物屏蔽层2外同心包覆挤包有绝缘层3，构成一根绝缘线芯6；每根电线包括至少2根绝缘线芯相切排列。在所有的绝缘线芯6的外侧挤包包带层4，包带层4外通过挤包方式包覆有外护套层5，所述外护套层5外还设有石墨烯导电涂层7；本发明的制备方法简单、价格低廉、具有较高的导电率，电阻损耗相对较小、抗腐蚀性强、耐久度大、屏蔽均化电场效果好，且使用寿命长。

Description

一种石墨烯电线
技术领域
本发明属于电缆材料技术领域，涉及一种电线，具体涉及一种石墨烯电线。
背景技术
随着科学的进步及人们生活水平的提高，电气与我们的生活关系越来越密切，电线电缆是使用电气产品时必须配套的产品之一，起着传输电力、传递信息和实现电磁能量转换的作用，其主要由四个基本结构组成，它们分别是导体、屏蔽层、绝缘层和护层。
目前，最常见的用来作为电线导体的是铜，但其成本高、电阻损耗相对较大且抗腐蚀性差。电线屏蔽层的材料主要采用在聚合物中均匀分散加入导电炭黑的方式制成，但由于炭黑导电性不理想且难分散，使得其体积电阻率较大，大量炭黑的添加会降低聚合物基体的力学性能，而且在高压电场条件下容易产生尖端放电，导致材料击穿，因而对电缆屏蔽均化电场效果不佳。现有电线的外圈护套多是由橡胶制成的，但由于橡胶本身容易被腐蚀和老化，使得电缆外圈护套耐久度和抗腐蚀性都不佳。直接影响电线产品性能和使用寿命。
中国发明专利，授权公告号CN 205582608 U公开了一种纳米石墨烯低压电线，其采用在导体表面包覆纳米石墨烯层来改善电导性性能，但由于导体铜导电性没有石墨烯强，导电性还有提升空间，且纳米石墨烯容易团聚，不利于电导率的提高；中国发明专利，授权公告号CN103739929B公开了电缆用含石墨烯的聚烯烃高半导电屏蔽料及其制备方法，其将石墨烯均匀分散到乙烯-醋酸乙烯共聚物中来提高屏蔽效果，但无机材料与高分子共聚物之间粘结力低，石墨烯均匀分散难度大，使用过程中易出现渗透现象。
因此，需要寻求更为有效的方法，制备价格低廉、性能优异，且使用寿命长的电线。
发明内容
为克服现有技术中的缺陷，本发明提供了一种石墨烯电线，该电线制备方法简单、价格低廉、具有较高的导电率，电阻损耗相对较小、抗腐蚀性强、耐久度大、屏蔽均化电场效果好，且使用寿命长。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种石墨烯电线，包括导体、石墨烯基共混物屏蔽层、绝缘层和外护套层，其特征在于，所述导体为化学掺杂石墨烯纤维绞绕或是捆扎成化学掺杂石墨烯纤维束；所述导体外同心包覆挤包有石墨烯基共混物屏蔽层，在石墨烯基共混物屏蔽层外同心包覆挤包有绝缘层，构成一根绝缘线芯；每根电线包括至少2根绝缘线芯相切排列。在所有的绝缘线芯的外侧挤包包带层，包带层外通过挤包方式包覆有外护套层，所述外护套层外还设有石墨烯导电涂层，用于接地连接。其中，所述石墨烯导电涂层可以为导电石墨烯粉末层、导电石墨烯复合胶层或导电石墨烯复合涂料层中的一种。
所述石墨烯基共混物屏蔽层为石墨烯基共聚物与乙烯-醋酸乙烯共聚物的共混物，其中，石墨烯以化学键的形式链接在共聚物主链上。其制备方法包括如下步骤：1)乙烯基苯胺-乙烯基二茂铁共聚物的制备：将乙烯基苯胺、乙烯基二茂铁和引发剂溶于极性溶剂中，在惰性氛围保护下进行聚合反应，反应结束之后，经过溶解、沉淀、洗涤和干燥，得到乙烯基苯胺-醋酸乙烯基二茂铁共聚物；2)石墨烯基共聚物的制备：将经步骤1)制备得到的乙烯基苯胺-醋酸乙烯基二茂铁共聚物溶于N-甲基吡咯烷酮中，并在其中加入氧化石墨烯，超声20-30min，80-100℃下搅拌反应48h，后用水沉降，过滤，水洗至中性，在60℃下烘干制得石墨烯基共聚物；3)石墨烯基共混物的制备：将经步骤2)制备得到的石墨烯基共聚物与乙烯-醋酸乙烯共聚物按照质量比为(30-40):100的比例混合均匀，然后加入到挤出机中挤出成型，得到石墨烯基共混物；
其中，步骤1)所述乙烯基苯胺、乙烯基二茂铁、引发剂和极性溶剂的质量比为70:30:0.5:(300-500)；
所述惰性氛围为氮气氛围、氩气氛围、氦气氛围、氖气氛围中的一种或几种；所述极性溶剂选自：N,N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜、N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种；所述引发剂选自偶氮二异丁腈和偶氮二异庚腈中的一种；所述聚合反应为溶液聚合，聚合反应温度为80～100℃，聚合时间为4～6h。
步骤2)所述乙烯基苯胺-醋酸乙烯基二茂铁共聚物、氧化石墨烯和N-甲基吡咯烷酮的质量比为2:1:(5-8)；
所述化学掺杂石墨烯纤维的制备方法，包括如下步骤：将石墨烯纤维浸泡在溶质质量分数为6-10％的氯化铜水溶液中10-20小时，后在60℃下烘干备用。
所述绝缘层为HDPE、PTFE/FEP或PFA任何一种材料制成。
所述包带层由无纺布材料制成；所述外护套层由聚氯乙烯制成。
所述导体的横截面为圆形或扇形。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
(1)本发明提供的石墨烯电线制备成本较低，对设备要求不高；
(2)本发明提供的石墨烯电线，循环寿命长、能量密度高；
(3)本发明提供的石墨烯电线，由于采用了化学掺杂石墨烯纤维作为导体，大大降低了导体的电阻率，提高了输电效率，增强了其力学性能和抗腐蚀性，使电缆寿命大大加强。
(4)本发明提供的石墨烯电线，通过直接浸泡氯化铜溶液的方法化学掺杂石墨烯纤维，以提高其导电率，较现有技术简便，对设备要求低。
(5)本发明提供的石墨烯电线，屏蔽层采用石墨烯基共混物材料制备，屏蔽均化电场效果更好，石墨烯以化学键的方式与聚合物连接，有利于石墨烯的分散，从而提高屏蔽效果。
附图说明
图1为本发明一种石墨烯电线实施例1的线芯截面示意图。
图2为本发明一种石墨烯电线实施例1的电缆截面示意图。
图3为本发明一种石墨烯电线实施例1的线芯与线芯连接放大示意图。
附图标号说明：1-导体，2-石墨烯基共混物屏蔽层，3-绝缘层，4-包带层，5-外护套层，6-线芯，7-石墨烯导电涂层。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明产品作进一步详细的说明。
实施例1
如图1至图3所示，一种石墨烯电线，包括导体1、石墨烯基共混物屏蔽层2、绝缘层3和外护套层5，所述导体1为化学掺杂石墨烯纤维绞绕或是捆扎成化学掺杂石墨烯纤维束；所述导体1外同心包覆挤包有石墨烯基共混物屏蔽层2，在石墨烯基共混物屏蔽层2外同心包覆挤包有绝缘层3，构成一根绝缘线芯6；每根电线包括至少2根绝缘线芯相切排列。在所有的绝缘线芯6的外侧挤包包带层4，包带层4外通过挤包方式包覆有外护套层5，所述外护套层5外还设有石墨烯导电涂层7，用于接地连接。其中，所述石墨烯导电涂层7可以为导电石墨烯粉末层、导电石墨烯复合胶层或导电石墨烯复合涂料层中的一种。
所述石墨烯基共混物屏蔽层2为石墨烯基共聚物与乙烯-醋酸乙烯共聚物的共混物，其中，石墨烯以化学键的形式连接在共聚物主链上。其制备方法包括如下步骤：1)乙烯基苯胺-乙烯基二茂铁共聚物的制备：将乙烯基苯胺1400g、乙烯基二茂铁600g和偶氮二异丁腈10g溶于N,N-二甲基甲酰胺6000g中，在氮气氛围保护下80℃进行聚合反应，聚合时间为4h，反应结束之后，经过溶解、沉淀、洗涤和干燥得到乙烯基苯胺-乙烯基二茂铁共聚物；2)石墨烯基共聚物的制备：将经步骤1)制备得到的乙烯基苯胺-乙烯基二茂铁共聚物1000g溶于N-甲基吡咯烷酮2500g中，并在其中加入氧化石墨烯500g，超声20min，80℃下搅拌反应48h，后用水沉降，过滤，水洗至中性，在60℃下烘干制得石墨烯基共聚物；3)石墨烯基共混物的制备：将经步骤2)制备得到的石墨烯基共聚物与乙烯-醋酸乙烯共聚物按照质量比为30:100的比例混合均匀，然后加入到挤出机中挤出成型，得到石墨烯基共混物；
所述化学掺杂石墨烯纤维的制备方法。包括如下步骤：将石墨烯纤维浸泡在溶质质量分数为6％的氯化铜水溶液中20小时，后在60℃下烘干备用；
所述绝缘层3为HDPE材料制成；
所述包带层4由无纺布材料制成；所述外护套层5由聚氯乙烯制成；
所述导体1的横截面为圆形。
实施例2
一种石墨烯电线，包括导体1、石墨烯基共混物屏蔽层2、绝缘层3和外护套层5，所述导体1为化学掺杂石墨烯纤维绞绕或是捆扎成化学掺杂石墨烯纤维束；所述导体1外同心包覆挤包有石墨烯基共混物屏蔽层2，在石墨烯基共混物屏蔽层2外同心包覆挤包有绝缘层3，构成一根绝缘线芯6；每根电线包括至少2根绝缘线芯相切排列。在所有的绝缘线芯6的外侧挤包包带层4，包带层4外通过挤包方式包覆有外护套层5，所述外护套层5外还设有石墨烯导电涂层7，用于接地连接。其中，所述石墨烯导电涂层7可以为导电石墨烯粉末层、导电石墨烯复合胶层或导电石墨烯复合涂料层中的一种。
所述石墨烯基共混物屏蔽层2为石墨烯基共聚物与乙烯-醋酸乙烯共聚物的共混物，其中，石墨烯以化学键的形式连接在共聚物主链上。其制备方法包括如下步骤：1)乙烯基苯胺-乙烯基二茂铁共聚物的制备：将乙烯基苯胺1400g、乙烯基二茂铁600g和偶氮二异庚腈10g溶于二甲亚砜6000g中，在氩气氛围保护下90℃进行聚合反应，聚合反应时间5小时，反应结束之后，经过溶解、沉淀、洗涤和干燥得到乙烯基苯胺-乙烯基二茂铁共聚物；2)石墨烯基共聚物的制备：将经步骤1)制备得到的乙烯基苯胺-乙烯基二茂铁共聚物1000g溶于N-甲基吡咯烷酮3000g中，并在其中加入氧化石墨烯500g，超声25min，88℃下搅拌反应48h，后用水沉降，过滤，水洗至中性，在60℃下烘干制得石墨烯基共聚物；3)石墨烯基共混物的制备：将经步骤2)制备得到的石墨烯基共聚物与乙烯-醋酸乙烯共聚物按照质量比为35:100的比例混合均匀，然后加入到挤出机中挤出成型，得到共混物；
所述化学掺杂石墨烯纤维的制备方法。包括如下步骤：将石墨烯纤维浸泡在溶质质量分数为7％的氯化铜水溶液中12小时，后在60℃下烘干备用；
所述绝缘层3为PTFE材料制成；
所述包带层4由无纺布材料制成；所述外护套层5由聚氯乙烯制成；
所述导体1的横截面为扇形。
实施例3
一种石墨烯电线，包括导体1、石墨烯基共混物屏蔽层2、绝缘层3和外护套层5，其特征在于，所述导体1为化学掺杂石墨烯纤维绞绕或是捆扎成化学掺杂石墨烯纤维束；所述导体1外同心包覆挤包有石墨烯基共混物屏蔽层2，在石墨烯基共混物屏蔽层2外同心包覆挤包有绝缘层3，构成一根绝缘线芯6；每根电线包括至少2根绝缘线芯相切排列。在所有的绝缘线芯6的外侧挤包包带层4，包带层4外通过挤包方式包覆有外护套层5，所述外护套层5外还设有石墨烯导电涂层7，用于接地连接。其中，所述石墨烯导电涂层7可以为导电石墨烯粉末层、导电石墨烯复合胶层或导电石墨烯复合涂料层中的一种。
所述石墨烯基共混物屏蔽层2为石墨烯基共聚物与乙烯-醋酸乙烯共聚物的共混物，其中，石墨烯以化学键的形式连接在共聚物主链上。其制备方法包括如下步骤：1)乙烯基苯胺-乙烯基二茂铁共聚物的制备：将乙烯基苯胺1400g、乙烯基二茂铁600g和偶氮二异丁腈10g溶于N-甲基吡咯烷酮7000g中，在氖气氛围保护下100℃进行聚合反应，聚合反应时间5.5小时，反应结束之后，经过溶解、沉淀、洗涤和干燥得到乙烯基苯胺-乙烯基二茂铁共聚物；2)石墨烯基共聚物的制备：将经步骤1)制备得到的乙烯基苯胺-乙烯基二茂铁共聚物1000g溶于N-甲基吡咯烷酮3500g中，并在其中加入氧化石墨烯500g，超声28min，90℃下搅拌反应48h，后用水沉降，过滤，水洗至中性，在60℃下烘干制得石墨烯基共聚物；3)石墨烯基共混物的制备：将经步骤2)制备得到的石墨烯基共聚物与乙烯-醋酸乙烯共聚物按照质量比为36:100的比例混合均匀，然后加入到挤出机中挤出成型，得到共混物。
所述化学掺杂石墨烯纤维的制备方法，包括如下步骤：将石墨烯纤维浸泡在溶质质量分数为8％的氯化铜水溶液中13小时，后在60℃下烘干备用；
所述绝缘层3为HDPE材料制成；
所述包带层4由无纺布材料制成；所述外护套层5由聚氯乙烯制成；
所述导体1的横截面为圆形。
实施例4
一种石墨烯电线，包括导体1、石墨烯基共混物屏蔽层2、绝缘层3和外护套层5，其特征在于，所述导体1为化学掺杂石墨烯纤维绞绕或是捆扎成化学掺杂石墨烯纤维束；所述导体1外同心包覆挤包有石墨烯基共混物屏蔽层2，在石墨烯基共混物屏蔽层2外同心包覆挤包有绝缘层3，构成一根绝缘线芯6；每根电线包括至少2根绝缘线芯相切排列。在所有的绝缘线芯6的外侧挤包包带层4，包带层4外通过挤包方式包覆有外护套层5，所述外护套层5外还设有石墨烯导电涂层7，用于接地连接。其中，所述石墨烯导电涂层7可以为导电石墨烯粉末层、导电石墨烯复合胶层或导电石墨烯复合涂料层中的一种。
所述石墨烯基共混物屏蔽层2为石墨烯基共聚物与乙烯-醋酸乙烯共聚物的共混物，其中，石墨烯以化学键的形式连接在共聚物主链上。其制备方法包括如下步骤：1)乙烯基苯胺-乙烯基二茂铁共聚物的制备：将乙烯基苯胺1400g、乙烯基二茂铁600g和偶氮二异庚腈10g溶于N-甲基吡咯烷酮9000g中，在氦气氛围保护下97℃进行聚合反应，聚合反应时间6小时，反应结束之后，经过溶解、沉淀、洗涤和干燥得到乙烯基苯胺-乙烯基二茂铁共聚物；2)石墨烯基共聚物的制备：将经步骤1)制备得到的乙烯基苯胺-乙烯基二茂铁共聚物1000g溶于N-甲基吡咯烷酮4000g中，并在其中加入氧化石墨烯500g，超声28min，90℃下搅拌反应48h，后用水沉降，过滤，水洗至中性，在60℃下烘干制得石墨烯基共聚物；3)石墨烯基共混物的制备：将经步骤2)制备得到的石墨烯基共聚物与乙烯-醋酸乙烯共聚物按照质量比为40:100的比例混合均匀，然后加入到挤出机中挤出成型，得到共混物。
所述化学掺杂石墨烯纤维的制备方法。包括如下步骤：将石墨烯纤维浸泡在溶质质量分数为10％的氯化铜水溶液中19小时，后在60℃下烘干备用。所述绝缘层3为PFA材料制成；
所述包带层4由无纺布材料制成；所述外护套层5由聚氯乙烯制成；
所述导体1的横截面为扇形。
本发明实施例采用氯化铜掺杂的石墨烯纤维作为电线的导体，由于石墨烯的电子运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度，是目前发现的地球上电子运动速度最快的导电材料。同时，石墨烯在二维平面上的电阻率为10-6Ω·cm，小于最佳的金属导体银(银的电阻率为1.58x10-6Ω·cm)，而其导电密度是铜的一百倍，使得电导率远远大于现有技术中的铜；另一方面，本发明只有使用石墨烯，避免了现有技术中用石墨烯包覆铜导体产生的粘结力不足，容易产生相分离，且石墨烯容易团聚，很难均匀分散的缺陷。现有技术，申请公开号：CN10544017A中有公开用氯化铜等掺杂石墨烯能大大提高其导电性，但其使用的是氯化铜的蒸汽化学掺杂，增加了公用工程能力损耗，且需要石英管等仪器设备，增加了电缆线成本，本发明只需简单的浸泡的方法，就能达到同样高的导电率。
本发明实施例采用石墨烯基共混物作为电缆屏蔽层材料，一方面，聚苯胺、聚乙烯基二茂铁自身电阻小，能使得屏蔽层材料具备一定的导电性，通过共聚形成共聚物，再通过聚合物上的氨基与氧化石墨烯表面的羧基间的化学反应，将具有较好导电性和抗腐蚀性的氧化石墨烯以化学键链接在聚合物主链上，有利于小分子氧化石墨烯的分散，通过共聚物共混能增加结合力，有机物-有机物之间结合力大于无机-有机界面间作用力，从而提高电线屏蔽效果及耐久度。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用以上所揭示的技术内容而作出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种石墨烯电线，包括导体、石墨烯基共混物屏蔽层、绝缘层和外护套层，所述导体为化学掺杂石墨烯纤维绞绕或是捆扎成化学掺杂石墨烯纤维束；所述导体外同心包覆挤包有石墨烯基共混物屏蔽层，在石墨烯基共混物屏蔽层外同心包覆挤包有绝缘层，构成一根绝缘线芯；每根电线包括至少2根绝缘线芯相切排列；在所有的绝缘线芯的外侧挤包包带层，包带层外通过挤包方式包覆有外护套层，所述外护套层外还设有石墨烯导电涂层，用于接地连接，所述石墨烯基共混物屏蔽层为石墨烯基共聚物与乙烯-醋酸乙烯共聚物的共混物，其特征在于：
所述石墨烯基共混物通过如下步骤得到：
1）乙烯基苯胺-乙烯基二茂铁共聚物的制备：将乙烯基苯胺、乙烯基二茂铁和引发剂溶于极性溶剂中，在惰性氛围保护下进行聚合反应，反应结束之后，经过溶解、沉淀、洗涤和干燥，得到乙烯基苯胺-醋酸乙烯基二茂铁共聚物；
2）石墨烯基共聚物的制备：将经步骤1）制备得到的乙烯基苯胺-醋酸乙烯基二茂铁共聚物溶于N-甲基吡咯烷酮中，并在其中加入氧化石墨烯，超声20-30min，80-100 ℃下搅拌反应48 h，后用水沉降，过滤，水洗至中性，在60℃下烘干制得石墨烯基共聚物；
3）石墨烯基共混物的制备：将经步骤2）制备得到的石墨烯基共聚物与乙烯-醋酸乙烯共聚物按照质量比为（30-40）:100的比例混合均匀，然后加入到挤出机中挤出成型，得到石墨烯基共混物；
其中，步骤1）所述乙烯基苯胺、乙烯基二茂铁、引发剂和极性溶剂的质量比为70:30:0.5:(300-500)；
步骤2）所述乙烯基苯胺-乙烯基二茂铁共聚物、氧化石墨烯和N-甲基吡咯烷酮的质量比为2:1: (5-8)。
2.根据权利要求1所述的石墨烯电线，其特征在于：所述惰性氛围为氮气氛围、氩气氛围、氦气氛围、氖气氛围中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的石墨烯电线，其特征在于：所述极性溶剂选自：N,N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜、N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的石墨烯电线，其特征在于：所述引发剂选自偶氮二异丁腈和偶氮二异庚腈中的一种。
5.根据权利要求1所述的石墨烯电线，其特征在于：所述聚合反应为溶液聚合，聚合反应温度为80～100℃，聚合时间为4～6h。
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