CN107974165A - 一种加热电缆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电缆技术领域，具体涉及一种加热电缆，包括导体及设置在导体外的云母带绕包层，所述的云母带绕包层外设有导热绝缘层，导热绝缘层的外侧设有护套；所述的导热绝缘层由以下重量份的物质组成：环氧树脂10～45份、有机溶剂30～100份、硅烷改性石墨烯5～15份、100～300μm大粒径无机导热填料10～30份、0.1～5μm小粒径无机导热填料60～100份、玻璃纤维1～5份；通过云母带绕包层的设置，不仅提高了导体的绝缘性能，同时提高了导体外表面的粗糙度，提高了导热绝缘层的附着能力，另一方面，云母带绕包层与导热绝缘层都具有优异的导热效果，使得导体通电后产生的热量快速、高效的传递到外侧的受热体上。

Description

一种加热电缆
技术领域
本发明涉及电缆技术领域，具体涉及一种加热电缆。
背景技术
顾名思义，加热电缆是用于实现加热或保温的电缆线。一般来说，加热电缆采用单根或多根合金电热丝作为发热源，具有耐高温、导热性好的材料作为导热绝缘体，不锈钢或铜管作为护套。
传统的加热电缆，里层的合金电热丝通电后将电能转化为热能并通过热传导的方式传递给导热绝缘体，最终传递给受热体。其不足之处是发热效率比较低，仅为65％左右。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种加热电缆，提高加热电缆的热扩散性能。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：一种加热电缆，包括导体及设置在导体外的云母带绕包层，所述的云母带绕包层外设有导热绝缘层，导热绝缘层的外侧设有护套；；
所述的导热绝缘层由以下重量份的物质组成：环氧树脂10～45份、有机溶剂30～100份、硅烷改性石墨烯5～15份、100～300μm大粒径无机导热填料10～30份、0.1～5μm小粒径无机导热填料60～100份、玻璃纤维1～5份。
本发明中，通过绕设在导体外的云母带绕包层及设置在云母带绕包层外的导热绝缘层将导体产生的热量迅速、高效的传出来，避免导体的热量的堆积，为了避免相邻导体之间的热量堆积，确保电能的高效转换，本发明采用单根导体包裹云母带绕包层的方案，所述的导体可以选用所属领域技术人员所熟知的，如铜芯线、铝芯线，进一步的，本发明对所述的导体的直径不做特殊要求，根据具体的受热体的受热需求进行设计。
所述云母带绕包层的主要成分为云母，其具有优异的耐高温性能和耐燃烧性能，其包覆在导体外层，确保良好的绝缘性能，同时将导体转化出的热能及时的传递出来，本发明中所述的云母带为合成云母带、白云母带、金云母带中的一种，优选为合成云母带。该合成云母带是以氟离子代替羟基，在常压条件下合成出的尺寸大、晶型完整的人工云母，在高温下具有更好的绝缘性能。以合成云母抄制成的云母纸为主要材料，再用粘合剂将玻璃布粘贴在一面或两面，经烘干，收卷分切得到不同规格的云母带。
为确保绝缘性能，所述云母带绕包层的厚度与所述导体的直径有直接的关系，云母带绕包层的厚度不足时，其绝缘性能无法满足，而过厚则导致热量无法持续有效的传递出去，影响热效率。本发明中，所述云母带绕包层的厚度为导体直径的0.01～0.05倍。
根据本发明，为了实现热量进一步的向外扩散，所述的云母带绕包层外设有导热绝缘层，所述的导热绝缘层在保证绝缘性能的同时，进一步的提供更优异的导热性，通过硅烷改性的石墨烯能实现在环氧树脂中良好的分散效果，且大、小粒径的无机导热填料使得导热绝缘层中的导热粒子更为紧密，提供更好的导热效果。所述的玻璃纤维也是一种具有良好导热性能的材料，更重要的是，所述的玻璃纤维具有一定的长度，相互交织在导热绝缘层中，使其具有一定的编织效果，使得导热绝缘层具有一定的韧性及强度，本发明所述玻璃纤维的长度为0.1～0.5mm。
根据本发明，所述硅烷改性的石墨烯由以下方法制备得到：以石墨烯的重量份为100计，将100份石墨烯粉末分散到500～1000份的溶剂中，搅拌并超声分散，然后滴加5～10份的硅烷，继续搅拌30～60min即可得到硅烷改性的石墨烯。
所述的溶剂可以为四氢呋喃、甲基四氢呋喃、丁酮或环己烷。
所述的硅烷为六甲基二硅氮烷、六甲基二硅氧烷、六甲基环三硅氮烷、八甲基环四硅氧烷、二甲基二甲氧基硅烷或三甲基甲氧基硅烷中的一种。
为了确保良好的导热效果，导热绝缘层的厚度不能太厚，而过薄时，也会导致强度不足而使内层的导体有暴露的风险，本发明中所述导热绝缘层的厚度为0.1～0.5mm。
进一步的，所述的环氧树脂为导热绝缘层的基体树脂材料，环氧树脂材料对金属和非金属材料的表面都有优异的粘接强度，介电性能良好，变性收缩率小，制品的尺寸稳定性也好，硬度高，柔韧性较好，对碱和大部分的溶剂稳定，本发明所述的环氧树脂为水性环氧树脂或环氧树脂乳液中的一种。
进一步的，所述的大、小粒径无机导热填料的作用在于将内层的热量快速、高效的传递到外侧，本发明所述的大、小粒径无机导热填料为二氧化硅、二氧化钛、硅酸锆、三氧化二铝、碳化硅、氧化镁、氧化铝、氮化铝、氮化硼中的一种或一种以上的混合物。
所述的护套是保护加热电缆的绝缘层防止环境因素侵蚀的结构部分，其作用在于提高加热电缆的机械强度、防化学腐蚀、防潮、防水，该护套可以为所属领域技术人员所熟知的，具体的，可以为RVV、BVV、RVVB、BVVB护套中的一种。
根据本发明，所述的有机溶剂作为溶解、分散载体的作用，本发明对其没有特殊的要求，可以为所述领域技术人员所知，优选的，所述有机溶剂为丙酮、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基乙酰胺、二氯甲烷、磷酸三乙酯、三氯甲烷、甲苯、乙醇、醋酸、乙酸乙酯、甲酸、氯仿、四氢呋喃和二甲基亚砜中的至少一种。
本发明所述的加热电缆可以用于地下供暖、汽车座位供暖以及其它任何需要供暖的应用。
上述加热电缆的制备方法包括以下步骤：
(1)在铜芯导体或铝芯导体表面绕制云母带绕包层；云母带绕包层的厚度为导体直径的0.01～0.05倍；
(2)配制导热绝缘层，具体的：
(2.1)以石墨烯的重量份为100计，将100份石墨烯粉末分散到500～1000份的溶剂中，搅拌并超声分散，然后滴加5～10份的硅烷，继续搅拌30～60min即可得到硅烷改性的石墨烯；
(2.2)将大、小粒径无机导热填料分散到有机溶剂中，加入硅烷偶联剂，搅拌混合均匀，然后再加入玻璃纤维，继续搅拌至混匀，得混合物1；
(2.3)将环氧树脂分散到有机溶剂中，然后依次加入(2.1)中的硅烷改性石墨烯、(2.2)中的混合物1，搅拌混合得到用于形成导热绝缘层的浆料；
(3)将步骤(1)中绕制了云母带的导体浸没到步骤(2)中得到浆料中，提出烘干，形成导热绝缘层，；
(4)通过挤塑设备将护套挤包在步骤(3)的导热绝缘层外，得到成品加热电缆。
上述步骤(2.2)中，大、小粒径无机导热填料与硅烷偶联剂混合后，提高了其与环氧树脂的相容性，使其更均匀的分散在环氧树脂中。本发明对所述的硅烷偶联剂没有特殊要求，具体的，所述硅烷偶联剂为正癸基三甲氧基硅烷、正癸基三乙氧基硅烷、正癸基三氯硅烷、正辛基三甲氧基硅烷、正辛基三乙氧基硅烷、正辛基三氯硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷、十二烷基三乙氧基硅烷、十二烷基三氯硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷、十七氟癸基三乙氧基硅烷、十七氟癸基三氯硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、十三氟癸基三氯硅烷、全氟十二烷基三甲氧基硅烷、全氟十二烷基三乙氧基硅烷、全氟十二烷基三氯硅烷或三氟丙基三甲氧基硅烷中的至少一种。
与现有技术相比，本发明提供的加热电缆，通过云母带绕包层的设置，不仅提高了导体的绝缘性能，同时提高了导体外表面的粗糙度，提高了导热绝缘层的附着能力，另一方面，云母带绕包层与导热绝缘层都具有优异的导热效果，使得导体通电后产生的热量快速、高效的传递到外侧的受热体上。
附图说明
图1为本发明中加热电缆的示意图；
图中标号说明：10-导体，20-云母带绕包层，30-导热绝缘层，40-护套。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示及实施例，进一步阐明本发明。
实施例1
如图1所示，一种加热电缆，包括直径为6mm的铜芯导体10及设置在铜芯导体10外的合成云母带绕包层20，所述合成云母带绕包层20的厚度为0.2mm；
所述的合成云母带绕包层20外设有导热绝缘层30，导热绝缘层的厚度为0.3mm，导热绝缘层30外侧设有护套40；
所述的导热绝缘层由以下重量份的物质组成：
水性环氧树脂30份
丙酮50份
硅烷改性石墨烯10份
200μm碳化硅填料20份
3μm碳化硅填料80份
玻璃纤维(长度为0.3mm)3份；
上述加热电缆的制备方法为：
(1)在铜芯导体表面绕制合成云母带绕包层；
(2)配制导热绝缘层，具体的：
(2.1)以石墨烯的重量份为100计，将100份石墨烯粉末分散到800份的丙酮中，搅拌并超声分散，然后滴加8份的六甲基二硅氮烷，继续搅拌50min即可得到硅烷改性的石墨烯；
(2.2)将大、小粒径碳化硅填料分散到丙酮中，加入正癸基三甲氧基硅烷，搅拌混合均匀，然后再加入玻璃纤维，继续搅拌至混匀，得混合物1；
(2.3)将水性环氧树脂分散到丙酮中，然后依次加入(2.1)中的硅烷改性石墨烯、(2.2)中的混合物1，搅拌混合得到用于形成导热绝缘层的浆料；
(3)将步骤(1)中绕制了合成云母带的铜芯导体浸没到步骤(2)中得到浆料中，提出烘干，形成导热绝缘层，；
(4)通过挤塑设备将RVV护套挤包在步骤(3)的导热绝缘层外，得到成品加热电缆。
实施例2
如图1所示，一种加热电缆，包括直径为7mm铝芯导体10及设置在铝芯导体10外的合成云母带绕包层20，所述合成云母带绕包层20的厚度为0.1mm；
所述的合成云母带绕包层20外设有导热绝缘层30，导热绝缘层的厚度为0.2mm，导热绝缘层30外侧设有护套40；
所述的导热绝缘层由以下重量份的物质组成：
环氧树脂乳液15份
乙醇50份
硅烷改性石墨烯8份
150μm三氧化二铝填料15份
1μm三氧化二铝填料80份
玻璃纤维(长度为0.2mm)3份；
上述加热电缆的制备方法为：
(1)在铝芯导体表面绕制合成云母带绕包层；
(2)配制导热绝缘层，具体的：
(2.1)以石墨烯的重量份为100计，将100份石墨烯粉末分散到600份的乙醇中，搅拌并超声分散，然后滴加6份的六甲基二硅氧烷，继续搅拌40min即可得到硅烷改性的石墨烯；
(2.2)将大、小粒径三氧化二铝填料分散到乙醇中，加入正癸基三乙氧基硅烷，搅拌混合均匀，然后再加入玻璃纤维，继续搅拌至混匀，得混合物1；
(2.3)将环氧树脂乳液分散到乙醇中，然后依次加入(2.1)中的硅烷改性石墨烯、(2.2)中的混合物1，搅拌混合得到用于形成导热绝缘层的浆料；
(3)将步骤(1)中绕制了合成云母带的铝芯导体浸没到步骤(2)中得到浆料中，提出烘干，形成导热绝缘层，；
(4)通过挤塑设备将BVV护套挤包在步骤(3)的导热绝缘层外，得到成品加热电缆。
实施例3
如图1所示，一种加热电缆，包括直径为6mm铜芯导体10及设置在铜芯导体10外的合成云母带绕包层20，所述合成云母带绕包层20的厚度为0.3mm；
所述的合成云母带绕包层20外设有导热绝缘层30，导热绝缘层的厚度为0.0.4mm，导热绝缘层30外侧设有护套40；
所述的导热绝缘层由以下重量份的物质组成：
水性环氧树脂40份
甲苯90份
硅烷改性石墨烯13份
250μm二氧化硅填料25份
4μm二氧化硅填料90份
玻璃纤维(长度为0.4mm)4份；
上述加热电缆的制备方法为：
(1)在铜芯导体表面绕制合成云母带绕包层；
(2)配制导热绝缘层，具体的：
(2.1)以石墨烯的重量份为100计，将100份石墨烯粉末分散到900份的甲苯中，搅拌并超声分散，然后滴加9份的六甲基环三硅氮烷，继续搅拌50min即可得到硅烷改性的石墨烯；
(2.2)将大、小粒径二氧化硅填料分散到甲苯中，加入正癸基三氯硅烷，搅拌混合均匀，然后再加入玻璃纤维，继续搅拌至混匀，得混合物1；
(2.3)将水性环氧树脂分散到甲苯中，然后依次加入(2.1)中的硅烷改性石墨烯、(2.2)中的混合物1，搅拌混合得到用于形成导热绝缘层的浆料；
(3)将步骤(1)中绕制了合成云母带的铜芯导体浸没到步骤(2)中得到浆料中，提出烘干，形成导热绝缘层，；
(4)通过挤塑设备将RVVB护套挤包在步骤(3)的导热绝缘层外，得到成品加热电缆。
实施例4
如图1所示，一种加热电缆，包括直径为5mm铝芯导体10及设置在铝芯导体10外的合成云母带绕包层20，所述合成云母带绕包层20的厚度为0.05mm；
所述的合成云母带绕包层20外设有导热绝缘层30，导热绝缘层的厚度为0.1mm，导热绝缘层30外侧设有护套40；
所述的导热绝缘层由以下重量份的物质组成：
环氧树脂乳液10份
N,N-二甲基甲酰胺30份
硅烷改性石墨烯5份
100μm二氧化钛填料10份
0.1μm二氧化钛填料60份
玻璃纤维(长度为0.1mm)1份；
上述加热电缆的制备方法为：
(1)在铝芯导体表面绕制合成云母带绕包层；
(2)配制导热绝缘层，具体的：
(2.1)以石墨烯的重量份为100计，将100份石墨烯粉末分散到500份的N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌并超声分散，然后滴加5份的八甲基环四硅氧烷，继续搅拌30min即可得到硅烷改性的石墨烯；
(2.2)将大、小粒径二氧化钛填料分散到N,N-二甲基甲酰胺中，加入正辛基三甲氧基硅烷，搅拌混合均匀，然后再加入玻璃纤维，继续搅拌至混匀，得混合物1；
(2.3)将环氧树脂乳液分散到N,N-二甲基甲酰胺中，然后依次加入(2.1)中的硅烷改性石墨烯、(2.2)中的混合物1，搅拌混合得到用于形成导热绝缘层的浆料；
(3)将步骤(1)中绕制了合成云母带的铝芯导体浸没到步骤(2)中得到浆料中，提出烘干，形成导热绝缘层，；
(4)通过挤塑设备将BVVB护套挤包在步骤(3)的导热绝缘层外，得到成品加热电缆。
实施例5
如图1所示，一种加热电缆，包括直径为8mm铜芯导体10及设置在铜芯导体10外的合成云母带绕包层20，所述合成云母带绕包层20的厚度为0.4mm；
所述的合成云母带绕包层20外设有导热绝缘层30，导热绝缘层的厚度为0.5mm，导热绝缘层30外侧设有护套40；
所述的导热绝缘层由以下重量份的物质组成：
水性环氧树脂45份
N-甲基吡咯烷酮100份
硅烷改性石墨烯15份
300μm硅酸锆填料30份
5μm硅酸锆填料100份
玻璃纤维(长度为0.5mm)5份；
上述加热电缆的制备方法为：
(1)在铜芯导体表面绕制合成云母带绕包层；
(2)配制导热绝缘层，具体的：
(2.1)以石墨烯的重量份为100计，将100份石墨烯粉末分散到1000份的N-甲基吡咯烷酮中，搅拌并超声分散，然后滴加10份的二甲基二甲氧基硅烷，继续搅拌60min即可得到硅烷改性的石墨烯；
(2.2)将大、小粒径硅酸锆填料分散到N-甲基吡咯烷酮中，加入正辛基三乙氧基硅烷，搅拌混合均匀，然后再加入玻璃纤维，继续搅拌至混匀，得混合物1；
(2.3)将水性环氧树脂分散到N-甲基吡咯烷酮中，然后依次加入(2.1)中的硅烷改性石墨烯、(2.2)中的混合物1，搅拌混合得到用于形成导热绝缘层的浆料；
(3)将步骤(1)中绕制了合成云母带的铜芯导体浸没到步骤(2)中得到浆料中，提出烘干，形成导热绝缘层，；
(4)通过挤塑设备将RVV护套挤包在步骤(3)的导热绝缘层外，得到成品加热电缆。
实施例6
本实施例与实施例1的结构相同，不同的是，所述的云母带绕包层采用的是白云母带，其余不变，制备得到所述的加热电缆。
对比例1
本实施例与实施例1的结构相同，不同的是，合成云母带绕包层的厚度为0.6mm，其与不变，制备得到所述的加热电缆。
对比例2
本实施例与实施例1的结构相同，不同的是，所述的导热绝缘层中仅添加大粒径的碳化硅填料，但填料总量不变，即200μm碳化硅填料共100份，其余不变，制备得到所述的加热电缆。
对比例3
本实施例与实施例1的结构相同，不同的是，所述的导热绝缘层中仅添加小粒径的碳化硅填料，但填料总量不变，即3μm碳化硅填料共100份，其余不变，制备得到所述的加热电缆。
对比例4
本实施例与实施例1的结构相同，不同的是，所述的导热绝缘层中不添加玻璃纤维，其余不变，制备得到所述的加热电缆。
对比例5
本实施例与实施例1的结构相同，不同的是，所述导热绝缘层的厚度为0.05mm，其余不变，制备得到所述的加热电缆。
对比例6
本实施例与实施例1的结构相同，不同的是，所述导热绝缘层的厚度为1mm，其余不变，制备得到所述的加热电缆。
性能测试：
1、变形实验
将加热电缆放在25±5℃环境下，水平放置于直径6mm的圆柱形钢棒上，加热电缆与钢棒的轴线相互垂直，钢棒放在钢板平面上，然后，用10mm×10mm的钢板对加热电缆施加压力，但不能对试样和钢棒任何点产生冲击力，压力的施加值为:A类300N，B类为600N，C类为1000N,施加压力30s后，在维持压力的条件下，试样接入500V交流电压，30s不击穿为合格。依次对实施例1-6、对比例1-6得到的加热电缆进行试验并将结果记录到表1中。
2、热扩散性能测试
将实施例1-6、对比例1-6得到的加热电缆通以10A、220V的电流，对同样体积的水进行加热，以实施例1的水温升高值作为100％，依次换算出其余实施例的水温升高比并记录到表1中，以此评价实施例中的加热电缆的热扩散性能。
表1：
变形性能(类别) 热扩散性能/(％)
实施例1 C 100
实施例2 C 99.8
实施例3 C 99.6
实施例4 C 99.5
实施例5 C 99.4
实施例6 C 99.1
对比例1 C 95.7
对比例2 A 93.4
对比例3 B 96.8
对比例4 A 95.9
对比例5 A 101.3
对比例6 C 91.8
由上述实验数据可以看出，本发明提供的加热电缆具有优异的热扩散性能，加热高效，有效实现节能的目的。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的特点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种加热电缆，其特征在于：包括导体及设置在导体外的云母带绕包层，所述的云母带绕包层外设有导热绝缘层，导热绝缘层的外侧设有护套；
所述的导热绝缘层由以下重量份的物质组成：环氧树脂10～45份、有机溶剂30～100份、硅烷改性石墨烯5～15份、100～300μm大粒径无机导热填料10～30份、0.1～5μm小粒径无机导热填料60～100份、玻璃纤维1～5份。
2.根据权利要求1所述的加热电缆，其中，所述云母带绕包层的厚度为导体直径的0.01～0.05。
3.根据权利要求1所述的加热电缆，其中，所述导热绝缘层的厚度为0.1～0.5mm。
4.根据权利要求1所述的加热电缆，其中，所述环氧树脂为水性环氧树脂或环氧树脂乳液。
5.根据权利要求1所述的加热电缆，其中，所述无机导热填料为二氧化硅、二氧化钛、硅酸锆、三氧化二铝、碳化硅、氧化镁、氧化铝、氮化铝、氮化硼中的一种或一种以上的混合物。
6.根据权利要求1所述的加热电缆，其中，所述玻璃纤维的长度为0.1～0.5mm。
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