CN107887060A - 数据中心电源用石墨烯‑铜复合芯轻型耐火软电缆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数据中心电源用石墨烯‑铜复合芯轻型耐火软电缆，该电缆由内向外依次包括石墨烯‑铜复合芯、耐火层、90℃丁腈改性柔软聚氯乙烯绝缘层；所述的石墨烯‑铜复合芯由柔软铜单丝多根绞合，铜线间隙内填充石墨烯导电胶，外层紧密纵包半导电弹性包带组成。本发明采用退火柔软细铜丝、石墨烯导电胶通电吸收热量后进一步增加了复合导体的柔软度，另一方面采用90℃丁腈改性柔软聚氯乙烯绝缘层保证绝缘性的同时提高了绝缘材料的弹性，整体电缆弯曲半径达到4倍，优于常规电缆6倍的指标，更适宜狭小空间的敷设。采用拖包高性能的耐火包带材料，保证耐火等级可达到GB/T12666的A级1000℃。

Description

数据中心电源用石墨烯-铜复合芯轻型耐火软电缆
技术领域
本发明涉及一种数据中心电源用石墨烯-铜复合芯轻型耐火软电缆，特别是石墨烯-铜的复合芯材质耐火软电缆的加工方法。
背景技术
电缆的载流能力由导体的导电能力决定。目前通信行业基站、数据中心建设用电缆一般采用纯铜芯电缆，在5G日益功耗、高负载设备的接入，只能通过增大电缆截面积的方法来保证较高的载流能力，但是截面的增加势必会增加电缆的重量和外径，且增加了产品成本、施工难度，因此急需寻求一种高导电、低密度的物质来替换纯铜的材料。
石墨烯是人类已探知的强度、导电、传热性能最强的一种新型材料，石墨烯优异的导电导热性能可以用于制备散热板、石墨烯涂料、太阳能电池、超级电容器、轻质电线电缆。使用石墨烯作为电线电缆的导电介质，既能提高电缆的导热、导电性能，又使得电缆的重量减轻，具备优越性。
中国授权专利CN201410194397.2一种具有铜-石墨烯复相导电线芯的电线电缆的制备方法、CN201410193891.7一种电线电缆的核-鞘结构导电线芯及其制备方法等公开了对铜-石墨烯复合电缆导体材料的制备原理进行了阐述，主要是采用化学溶液对金属进行的化学还原反应制得的铜-石墨烯复合导体，此种方式制得的复合导体耗费资源多、能耗大，在企业中难以批量化，宜停留于实验室阶段。
中国授权专利 CN201610054970.9一种高导电石墨烯纤维及其制备方法、CN201410421879.7一种导电导热石墨复合线材及其制备方法等公开了一种石墨烯纤维介质的电缆，石墨烯纤维丝达到μm级，以超细的纤维丝作为导体多股束合过程易拉断，加工难度大。而且，由于石墨烯为主体导电介质的电线电缆导体硬度高，不利于在一些有移动要求的场合敷设。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种数据中心电源用石墨烯-铜复合芯轻型耐火软电缆，不仅能够保证铜材原有柔韧性，还具备高载流、重量轻的优点。
为解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：数据中心电源用石墨烯-铜复合芯轻型耐火软电缆，该电缆由内向外依次包括石墨烯-铜复合芯、耐火层、90℃丁腈改性柔软聚氯乙烯绝缘层。
进一步地，石墨烯-铜复合芯由柔软铜单丝、石墨烯导电胶和半导电弹性包带组成；所述的柔软铜单丝多根绞合形成铜线，所述的石墨烯导电胶填充在所述铜线的间隙内；所述的半导电弹性包带纵包在填充有石墨烯导电胶的铜线外周。
进一步地，所述柔软铜单丝为导体单丝直径在0.10～0.20mm之间的软铜线，伸长率不小于15%。
进一步地，所述石墨烯导电胶含有如下质量百分比的组分：60～70%石墨烯、0.1～10%树脂、0.1～25%助剂。
进一步地，所述的半导电弹性包带厚度范围0.10～0.16mm，表面电阻不大于1000Ω，体积电阻率不大于105Ω/cm。
进一步地，所述的耐火层为厚度0.12～0.16mm耐火云母带或陶瓷化硅胶带；所述的耐火云母带中云母含量不小于60%，拉伸强度不小于80N/cm，体积电阻率不小于1011Ω.m；所述的陶瓷化硅胶带中乙烯基硅橡胶涂层厚度不小于0.05mm，陶瓷粉含量不小于70%，体积电阻率不小于1011Ω.m。
进一步地，所述的90℃丁腈改性柔软聚氯乙烯绝缘层包含以下重量份数的原料：粉末丁腈橡胶70-80份、PVC树脂粉40-50份、氧化锌4-6份、硬脂酸2-3份、防老剂2-4份、双酚A 1-3份、氯化石蜡10-20份、三氧化二锑7-10份、硼酸锌4-6份、氢氧化铝60-70份、炭黑50-70份。
进一步地，90℃丁腈改性柔软聚氯乙烯绝缘层采用氧指数不小于33的90℃丁腈改性柔软聚氯乙烯绝缘材料。
本发明还提供了一种制备数据中心电源用石墨烯-铜复合芯轻型耐火软电缆的方法，具体包括如下步骤：
一）石墨烯-铜复合芯的制备：
1a）将柔软铜单丝设定节径比为16倍，使用单丝直径0.10～0.20mm区间的柔软铜单丝多根绞合形成圆形铜导体；
1b）将石墨烯导电胶在挤出机完成挤出，设定温度范围70～80℃，使石墨烯导电胶在熔融状态下对圆形铜导体的间隙进行填充；
1c）将填充了石墨烯导电胶后的圆形铜导体在包带纵包装置使用半导电弹性包带紧密拖包，搭盖率≥10%；纵包后石墨烯导电胶与半导电包带紧密集合形成石墨烯-铜复合芯；
二）拖包耐火层：石墨烯-铜复合芯在包带纵包装置中使用耐火云母带或陶瓷化硅胶带紧密拖包，搭盖率大于等于10%；
三）制备绝缘层：将包含以下重量份数的原料：粉末丁腈橡胶70-80份、PVC树脂粉40-50份、氧化锌4-6份、硬脂酸2-3份、防老剂2-4份、双酚A 1-3份、氯化石蜡10-20份、三氧化二锑7-10份、硼酸锌4-6份、氢氧化铝60-70份、炭黑50-70份制成90℃丁腈改性柔软聚氯乙烯绝缘料，然后将90℃丁腈改性柔软聚氯乙烯绝缘料通过挤出机挤出包裹在耐火层外周形成绝缘层，材料设定加工温度150～160℃。
进一步地，所述步骤1b）中石墨烯导电胶的制备：将含有质量百分比为60～70%石墨烯、0.1～10%树脂、0.1～25%助剂的原料与有机溶液混合后充分搅拌，得到石墨烯和树脂的混合溶液，然后在惰性气体保护下，通过喷雾干燥造粒得到所述的石墨烯导电胶。
本发明的有益效果：本发明的数据中心电源用石墨烯-铜复合芯轻型耐火软电缆，一方面采用退火柔软细铜丝、石墨烯导电胶通电吸收热量后进一步增加了复合导体的柔软度，另一方面采用90℃丁腈改性柔软聚氯乙烯绝缘层保证绝缘性的同时提高了绝缘材料的弹性，整体电缆弯曲半径达到4倍，优于常规电缆6倍的指标，更适宜狭小空间的敷设。
本发明采用拖包高性能的耐火包带材料，保证耐火等级可达到GB/T12666的A级1000℃。
此外，电缆使用氧指数不小于33的90℃丁腈改性柔软聚氯乙烯绝缘，成品电缆能通过成束A类的阻燃试验，试验后电缆的炭化长度仅为0.5m，大大的优于标准不大于2.5m的上限值。
附图说明
为了更清晰地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的电缆的结构示意图。
图2本发明生产设备的结构示意图。
图3位本发明的石墨烯-铜复合芯与纯铜芯导体的结构对比图。
具体实施方式
下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，为本发明的数据中心电源用石墨烯-铜复合芯轻型耐火软电缆，该电缆由内向外依次包括石墨烯-铜复合芯1、耐火层3、90℃丁腈改性柔软聚氯乙烯绝缘层2。
本发明的石墨烯-铜复合芯1由柔软铜单丝12、石墨烯导电胶11和半导电弹性包带13组成；所述的柔软铜单丝12多根绞合形成铜线，所述的石墨烯导电胶11填充在所述铜线的间隙内；所述的半导电弹性包带13纵包在填充有石墨烯导电胶11的铜线外周。
本发明的柔软铜单丝12为导体单丝直径在0.10～0.20mm之间的软铜线，伸长率不小于15%，具有良好的伸长率；单丝电阻率不大于0.017180Ω.mm2/m，具备高于国标要求的0.017241Ω.mm2/m。
在铜线间隙内填充石墨烯导电胶11，充分利用圆形软铜绞合之间的间隙，挤出填充一种石墨烯导电胶11，电缆在未通电状态，环境温度60℃以下石墨烯导电胶11呈柔性固体状，当电缆通电负载后随着温度的升高石墨烯内部的电子运动速度加快，吸收电缆导体热量的同时又能传输传导电流，降低整体电缆的温度，提高了整体电缆导体的载流能力。石墨烯导电胶11的热导率能达到5200W/mK，电阻率达到0.012231Ω.mm2/m，密度不大于2.25g/cm3。
本发明的石墨烯导电胶11含有如下质量百分比的组分：60～70%石墨烯、0.1～10%树脂、0.1～25%助剂。
本发明的半导电弹性包带13厚度范围0.10～0.16mm，表面电阻不大于1000Ω，体积电阻率不大于105Ω/cm，起到石墨烯-铜复合导体表面均化电场的作用。
石墨烯-铜复合芯1外部设置包带耐火层3，耐火层3可以由厚度0.12～0.16mm耐火云母带或陶瓷化硅胶带，耐火云母在施火条件下，能够迅速对电缆导体形成隔热保护层，避免电缆过热导致线路而出现短路。耐火云母带中云母含量不小于60%，保证具备较高的耐火云母介质；拉伸强度不小于80N/cm，保证加工过程中的拖包的稳定性；体积电阻率不小于1011Ω.m，增加了电缆整体绝缘性能。
陶瓷化硅胶带在施火条件下，会经过陶瓷化反应转变成坚硬的陶瓷保护层，形成一层致密、且具有一定强度的耐高温陶瓷保护层，有效的阻隔外部热量向电力内部扩散，达到较高的隔热耐火的作用。陶瓷化硅胶带中乙烯基硅橡胶涂层厚度不小于0.05mm，陶瓷粉含量不小于70%，保证供火2min后陶瓷化硅胶带开始烧结成坚硬的陶瓷状壳体的隔绝层；拉伸强度不小于10Mpa，保证加工过程拖包的稳定性。体积电阻率不小于1011Ω.m，增加了电缆整体绝缘性能。
本发明的90℃丁腈改性柔软聚氯乙烯绝缘层包含以下重量份数的原料：粉末丁腈橡胶70-80份、PVC树脂粉40-50份、氧化锌4-6份、硬脂酸2-3份、防老剂2-4份、双酚A 1-3份、氯化石蜡10-20份、三氧化二锑7-10份、硼酸锌4-6份、氢氧化铝60-70份、炭黑50-70份。
挤包的90℃丁腈改性柔软聚氯乙烯绝缘料2，拉伸强度大于15.0MPa，断裂伸长率大于300%，具有优异的机械性能；邵氏硬度值达到75A，具备优良的柔软性，20℃体积电阻率不小于1×1013Ω.m，介电强度不小于20MV/m，具有优异的绝缘性能；该材料通过UL94的V-0级燃烧试验，具有优异的阻燃性能；经受120℃空气老化168h后拉伸强度和断裂伸长率变化率不超过±15%，-40℃的断裂伸长率不小于200%，具有优异的耐高低温性能。
此外，本发明的电缆使用氧指数不小于33的90℃丁腈改性柔软聚氯乙烯绝缘材料。
本发明的数据中心电源用石墨烯-铜复合芯轻型耐火软电缆关键工序生产设备，如图2所示，包括依次排列的放线装置31、放线张力装置32、挤出机A33、包带纵包装置34、包带纵包装置42、挤出机35、控制柜36、冷却水槽37、吹干装置38、火花测试装置39、张力盘轮装置40、双盘收线装置41。
其中包带纵包装置34用于半导电带的拖包，包带纵包装置B42用于耐火层包带的拖包。
本发明制备数据中心电源用石墨烯-铜复合芯轻型耐火软电缆的方法，具体包括如下步骤：
一）石墨烯-铜复合芯（1）的制备：
1a）将柔软铜单丝设定节径比为16倍，使用单丝直径0.10～0.20mm区间的柔软铜单丝多根绞合形成圆形铜导体；圆形铜导体完成后安装于放线装置31上；
1b）将含有质量百分比为60～70%石墨烯、0.1～10%树脂、0.1～25%助剂的原料与有机溶液混合后充分搅拌，得到石墨烯和树脂的混合溶液，然后在惰性气体保护下，通过喷雾干燥造粒得到所述的石墨烯导电胶，将石墨烯导电胶在挤出机A33完成挤出，模具采用挤压式，设定温度范围70～80℃，使石墨烯导电胶在熔融状态下对圆形铜导体的间隙进行填充；
1c）将填充了石墨烯导电胶后的圆形铜导体在包带纵包装置使用半导电弹性包带紧密拖包，搭盖率≥10%；纵包后石墨烯导电胶与半导电包带紧密集合形成石墨烯-铜复合芯；
二）拖包耐火层：石墨烯-铜复合芯在包带纵包装置中使用耐火云母带或陶瓷化硅胶带紧密拖包，搭盖率大于等于10%；纵包后表面光滑、平整、无翘边不良；
三）制备绝缘层：将包含以下重量份数的原料：粉末丁腈橡胶70-80份、PVC树脂粉40-50份、氧化锌4-6份、硬脂酸2-3份、防老剂2-4份、双酚A 1-3份、氯化石蜡10-20份、三氧化二锑7-10份、硼酸锌4-6份、氢氧化铝60-70份、炭黑50-70份制成90℃丁腈改性柔软聚氯乙烯绝缘料，然后将90℃丁腈改性柔软聚氯乙烯绝缘料通过挤出机挤出包裹在耐火层外周形成绝缘层，材料设定加工温度150～160℃，挤出绝缘表面光滑。
本发明将纯铜芯导体9优化成石墨烯-铜复合芯1具有如下效益，见图3：
1）由于石墨烯导电胶11的导电性是纯铜的1.5倍，相同的载流能力的电缆导体，石墨烯-铜复合芯1的含铜量，降低了电缆成本。
2）由于石墨烯导电胶11的密度是纯铜的1/5~1/4倍，石墨烯-铜复合芯1的重量大大减轻，降低了施工难度。
本发明的数据中心电源用石墨烯-铜复合芯轻型耐火软电缆，一方面采用退火柔软细铜丝、石墨烯导电胶通电吸收热量后进一步增加了复合导体的柔软度，另一方面采用90℃丁腈改性柔软聚氯乙烯绝缘层保证绝缘性的同时提高了绝缘材料的弹性，整体电缆弯曲半径达到4倍，优于常规电缆6倍的指标，更适宜狭小空间的敷设。
数据中心电源用石墨烯-铜复合芯轻型耐火软电缆，采用拖包高性能的耐火包带材料，保证耐火等级可达到GB/T12666的A级1000℃，90分钟的耐火试验标准，更能通过最高耐火标准英国BS6387的CWZ级水喷淋、震动、耐火试验。
同时，电缆使用氧指数不小于33的90℃丁腈改性柔软聚氯乙烯绝缘，成品电缆能通过成束A类的阻燃试验，试验后电缆的炭化长度仅为0.5m，大大的优于标准不大于2.5m的上限值。
上面所述的实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进均应落入本发明的保护范围，本发明的请求保护的技术内容，已经全部记载在技术要求书中。

Claims (10)

1.数据中心电源用石墨烯-铜复合芯轻型耐火软电缆，其特征在于：该电缆由内向外依次包括石墨烯-铜复合芯（1）、耐火层（3）、90℃丁腈改性柔软聚氯乙烯绝缘层（2）。
2.根据权利要求1所述的数据中心电源用石墨烯-铜复合芯轻型耐火软电缆，其特征在于：石墨烯-铜复合芯（1）由柔软铜单丝（12）、石墨烯导电胶（11）和半导电弹性包带（13）组成；所述的柔软铜单丝（12）多根绞合形成铜线，所述的石墨烯导电胶（11）填充在所述铜线的间隙内；所述的半导电弹性包带（13）纵包在填充有石墨烯导电胶（11）的铜线外周。
3.根据权利要求2所述的数据中心电源用石墨烯-铜复合芯轻型耐火软电缆，其特征在于：所述柔软铜单丝（12）为导体单丝直径在0.10～0.20mm之间的软铜线，伸长率不小于15%。
4.根据权利要求2所述的数据中心电源用石墨烯-铜复合芯轻型耐火软电缆，其特征在于：所述石墨烯导电胶（11）含有如下质量百分比的组分： 60～70%石墨烯、0.1～10%树脂、0.1～25%助剂。
5.根据权利要求2所述的数据中心电源用石墨烯-铜复合芯轻型耐火软电缆，其特征在于：所述的半导电弹性包带（13）厚度范围0.10～0.16mm，表面电阻不大于1000Ω，体积电阻率不大于105Ω/cm。
6.根据权利要求2所述的数据中心电源用石墨烯-铜复合芯轻型耐火软电缆，其特征在于：所述的耐火层（3）为厚度0.12～0.16mm耐火云母带或陶瓷化硅胶带；所述的耐火云母带中云母含量不小于60%，拉伸强度不小于80N/cm，体积电阻率不小于1011Ω.m；所述的陶瓷化硅胶带中乙烯基硅橡胶涂层厚度不小于0.05mm，陶瓷粉含量不小于70%，体积电阻率不小于1011Ω.m。
7.根据权利要求1所述的数据中心电源用石墨烯-铜复合芯轻型耐火软电缆，其特征在于：所述的90℃丁腈改性柔软聚氯乙烯绝缘层包含以下重量份数的原料：粉末丁腈橡胶70-80份、PVC树脂粉40-50份、氧化锌4-6份、硬脂酸2-3份、防老剂2-4份、双酚A 1-3份、氯化石蜡10-20份、三氧化二锑7-10份、硼酸锌4-6份、氢氧化铝60-70份、炭黑50-70份。
8.根据权利要求1所述的数据中心电源用石墨烯-铜复合芯轻型耐火软电缆的生产方法，其特征在于：90℃丁腈改性柔软聚氯乙烯绝缘层采用氧指数不小于33的90℃丁腈改性柔软聚氯乙烯绝缘材料。
9.制备权利要求1所述的数据中心电源用石墨烯-铜复合芯轻型耐火软电缆的方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：
一）石墨烯-铜复合芯的制备：
1a）将柔软铜单丝设定节径比为16倍，使用单丝直径0.10～0.20mm区间的柔软铜单丝多根绞合形成圆形铜导体；
1b）将石墨烯导电胶在挤出机完成挤出，设定温度范围70～80℃，使石墨烯导电胶在熔融状态下对圆形铜导体的间隙进行填充；
1c）将填充了石墨烯导电胶后的圆形铜导体在包带纵包装置使用半导电弹性包带紧密拖包，搭盖率≥10%；纵包后石墨烯导电胶与半导电包带紧密集合形成石墨烯-铜复合芯；
二）拖包耐火层：石墨烯-铜复合芯在包带纵包装置中使用耐火云母带或陶瓷化硅胶带紧密拖包，搭盖率大于等于10%；
三）制备绝缘层：将包含以下重量份数的原料：粉末丁腈橡胶70-80份、PVC树脂粉40-50份、氧化锌4-6份、硬脂酸2-3份、防老剂2-4份、双酚A 1-3份、氯化石蜡10-20份、三氧化二锑7-10份、硼酸锌4-6份、氢氧化铝60-70份、炭黑50-70份制成90℃丁腈改性柔软聚氯乙烯绝缘料，然后将90℃丁腈改性柔软聚氯乙烯绝缘料通过挤出机挤出包裹在耐火层外周形成绝缘层，材料设定加工温度150～160℃。
10.根据权利要求9所述的制备数据中心电源用石墨烯-铜复合芯轻型耐火软电缆的方法，其特征在于：所述步骤1b）中石墨烯导电胶的制备：将含有质量百分比为60～70%石墨烯、0.1～10%树脂、0.1～25%助剂的原料与有机溶液混合后充分搅拌，得到石墨烯和树脂的混合溶液，然后在惰性气体保护下，通过喷雾干燥造粒得到所述的石墨烯导电胶。
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