CN108122639A - 一种碳纤维耐超高温电缆及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种碳纤维耐超高温电缆及其制备方法，所述电缆包括碳纤维芯体和包裹碳纤维芯体外周的护套，所述碳纤维芯体由若干束碳纤维材料和导电丝绞合后得到的碳纤维复合材料再和树脂固化粘合而成，所述护套包括围绕包裹在碳纤维芯体外周的云母层和围绕包裹在所述云母层外周的阻燃硅层；所述树脂的制备原料包括如下质量份的组分：40~50份氰酸酯树脂、20~30份聚甲基硅树脂、10~15份聚乙基苯基有机硅树脂、5~8份二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷、0.05~4份二月桂酸二丁基锡、4~10份三羟甲基丙烷缩水甘油醚和5~8份液体丁腈橡胶。

Description

一种碳纤维耐超高温电缆及其制备方法
技术领域
本发明属于电缆技术领域，具体涉及一种碳纤维耐超高温电缆及其制备方法。
背景技术
现有技术中的电缆多仅采用金属材料作为线芯，这种电缆的抗拉强度低、重量大、长期耐高温能力低、使用寿命有限，尤其是金属电缆的耗能大且截流量小，很容易造成内部线芯熔断而造成停电、断电故障发生，严重影响了日常生活和工业生产对电力输送的要求，很难在恶劣条件下长期使用，成为电力工业发展的瓶颈。
随着科技材料技术的不断进步，人们开发出了碳纤维复合电缆，这种电缆由碳纤维复合芯材和包裹在碳纤维复合芯材外部的金属导电层组成，碳纤维复合电缆具有重量轻、抗拉强度大、高温弧垂小、导电率高、耐腐蚀性好的特点，但是目前研究得到的碳纤维复合电缆的耐高温性能稍有欠缺，仍达不到极端恶劣环境对电缆耐超高温的要求，因此存在一定的不足之处。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：怎样提供一种对超高温耐受性好的碳纤维耐超高温电缆及其制备方法，以解决现有碳纤维复合电缆在耐超高温性能方面有所欠缺的不足之处。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种碳纤维耐超高温电缆，包括碳纤维芯体和包裹在碳纤维芯体外周的护套，所述碳纤维芯体由若干束碳纤维材料和导电丝绞合后得到的碳纤维复合材料再和树脂固化粘合而成，所述护套包括围绕包裹在碳纤维芯体外周的云母层和围绕包裹在所述云母层外周的阻燃硅层；所述碳纤维材料为聚丙烯腈基碳纤维；所述树脂的制备原料包括如下质量份的组分：40~50份氰酸酯树脂、20~30份聚甲基硅树脂、10~15份聚乙基苯基有机硅树脂、5~8份二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷、0.05~4份二月桂酸二丁基锡、4~10份三羟甲基丙烷缩水甘油醚和5~8份液体丁腈橡胶。
作为优化，所述氰酸酯树脂由质量比为1：1~2的双酚A型氰酸酯树脂和酚醛型氰酸酯树脂组成。
作为优化，所述阻燃硅层的材料为二氧化硅。
进一步，所述树脂的制备原料包括如下质量份的组分：50份氰酸酯树脂、30份聚甲基硅树脂、15份聚乙基苯基有机硅树脂、8份二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷、4份二月桂酸二丁基锡、10份三羟甲基丙烷缩水甘油醚和8份液体丁腈橡胶。
进一步，所述导电丝为铜丝。
上述碳纤维耐超高温电缆的制备方法，包括如下步骤：
1）取聚丙烯腈与二甲基乙酰胺以20~35 g：100 mL的质量体积比混合，于85~100℃、200~300W微波辅助的条件下加热混合30~60min，得到混合液；
2）将丙三醇、硫脲和步骤1）所述混合液以2~4 g：1~3 g：100 mL的质量体积比混合，于10~15 kW的超声辅助条件下分散均匀，得到混合纺丝液；
3）对步骤2）所述混合纺丝液进行湿法静电纺丝，得到所述聚丙烯腈基碳纤维；其中，所述湿法静电纺丝的条件为纺丝温度70~90℃，凝固温度5~15℃；
4）取步骤3）制得的聚丙烯腈基碳纤维，将其与导电丝相互绞合，得到碳纤维复合材料；
5）按配方依次称取各原料，先将称取的氰酸酯树脂、聚乙基苯基有机硅树脂和聚甲基硅树脂混合并于80~90℃熔融，再向熔融后的树脂中加入称取的二月桂酸二丁基锡和二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷搅拌均匀并于140~180℃下预聚合10~15 min，得到预聚合混合物，将所述预聚合混合物冷却至50~60℃，向冷却后的预聚合混合物中加入三羟甲基丙烷缩水甘油醚搅拌3~5 min后，加入液体丁腈橡胶搅拌5~8 min，制得树脂材料；
6）取若干束步骤4）制得的碳纤维复合材料，在每一束所述碳纤维复合材料上分别涂覆步骤5）制得的树脂材料，以使每两束碳纤维复合材料之间通过所述树脂材料的粘合力紧密贴合，将涂覆有树脂的碳纤维复合材料先于220~240℃下固化1~1.5 h，再于180~200℃下固化0.5~1.5 h，制得碳纤维芯体；
7）将步骤6）得到的碳纤维芯体外周围绕包裹云母形成厚度为2~5 mm的云母层，再在所述云母层外周围绕包裹阻燃硅材料形成厚度为4~7mm的阻燃硅层，制得碳纤维耐超高温电缆。
进一步，步骤1）中于90℃、250W微波辅助的条件下加热混合50min。
进一步，将丙三醇、硫脲和步骤1）所述混合液以3 g：2 g：100 mL的质量体积比混合。
进一步，步骤6）中取15~20束步骤4）制得的碳纤维复合材料，在每一束所述碳纤维复合材料上分别涂覆步骤5）制得的树脂材料将涂覆有树脂的碳纤维复合材料先于230℃下固化1.5 h，再于190℃下固化1h，制得碳纤维芯体。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明采用凝胶静电纺丝方法生产碳纤维，在静电纺丝时纺丝材料中的凝胶物质可以直接热凝胶化使纺丝材料直接变为三维网络结构，使制得的碳材料网络结构稳定，在800℃以上的超高温下也不会融化破坏，耐超高温能力强。
2、为了提高碳纤维耐超高温电缆的耐热能力，本发明在碳纤维芯体外周围绕包裹云母硅层，在云母层外周围绕包裹阻燃硅层，有效提高了碳纤维的耐火性能和绝缘性能，使碳纤维复合材料的熔点提高，在遇到超高温时也不容易燃烧引起火宅，且这样制得的碳纤维复合材料的弹性和柔软性能没有受到影响，并且还具有一定的抗老化能力，延长了碳纤维的使用寿命。
3、为了进一步提高碳纤维的耐高温能力，本发明还创造性地提出了一种新的耐高温树脂配方，使用氰酸酯树脂、聚甲基硅树脂和聚乙基苯基有机硅树脂作为主体原料，氰酸酯树脂的结构中含有刚性脂环，且结构中各交联点间距离短，聚甲基硅树脂和聚乙基苯基有机硅树脂为高度交联的立体网络结构，因此在高温下不易结构破坏，玻璃化转变温度高，赋予了树脂材料整体以耐高温和内生韧性强的优点，本发明二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷的添加也进一步提高了树脂的耐热性能。不仅如此，本发明选用的二月桂酸二丁基锡还降低了树脂材料的固化温度，使制得的树脂与碳纤维复合时不用耗费长时间的固化定性时间，提高了整体的制作效率。
4、本发明制得的碳纤维耐超高温电缆耐热温度高达840℃以上，相较于现有技术碳纤维电缆耐热温度仅有200℃左右而言取得了意想不到的耐高温技术效果，可以适用于极端电缆输电条件。
5、本发明碳纤维耐超高温电缆的韧性也有了提高，抗拉强度达到了2500MPa，在使用过程中不会发生电缆断裂现象。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。本实施案例在以本发明技术为前提下进行实施，现给出详细的实施方式和具体的操作过程来说明本发明具有创造性，但本发明的保护范围不限于以下的实施例。
实施例1
一种碳纤维耐超高温电缆，包括碳纤维芯体和包裹在碳纤维芯体外周的护套，所述碳纤维芯体由若干束碳纤维材料和铜丝绞合后得到的碳纤维复合材料再和树脂固化粘合而成，所述护套包括围绕包裹在碳纤维芯体外周的云母层和围绕包裹在所述云母层外周的阻燃硅层；所述碳纤维材料为聚丙烯腈基碳纤维；所述树脂的制备原料包括如下质量份的组分：40份氰酸酯树脂、20份聚甲基硅树脂、10份聚乙基苯基有机硅树脂、5份二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷、0.05份二月桂酸二丁基锡、4份三羟甲基丙烷缩水甘油醚和5份液体丁腈橡胶；所述氰酸酯树脂由质量比为1：1的双酚A型氰酸酯树脂和酚醛型氰酸酯树脂组成。
本实施例碳纤维耐超高温电缆的制备方法包括如下步骤：
1）取聚丙烯腈与二甲基乙酰胺以20 g：100 mL的质量体积比混合，于85℃、200W微波辅助的条件下加热混合30min，得到混合液；
2）将丙三醇、硫脲和步骤1）所述混合液以2 g：1 g：100 mL的质量体积比混合，于10 kW的超声辅助条件下分散均匀，得到混合纺丝液；
3）对步骤2）所述混合纺丝液进行湿法静电纺丝，得到所述聚丙烯腈基碳纤维；其中，所述湿法静电纺丝的条件为纺丝温度70℃，凝固温度5℃；
4）取步骤3）制得的聚丙烯腈基碳纤维，将其与铜丝相互绞合，得到碳纤维复合材料；
5）根据本实施例所述树脂的制备原料配方依次称取各原料，先将称取的氰酸酯树脂、聚乙基苯基有机硅树脂和聚甲基硅树脂混合并于80℃熔融，再向熔融后的树脂中加入称取的二月桂酸二丁基锡和二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷搅拌均匀并于140℃下预聚合10min，得到预聚合混合物，将所述预聚合混合物冷却至50℃，向冷却后的预聚合混合物中加入三羟甲基丙烷缩水甘油醚搅拌3 min后，加入液体丁腈橡胶搅拌5 min，制得树脂材料；
6）取15束步骤4）制得的碳纤维复合材料，在每一束所述碳纤维复合材料上分别涂覆步骤5）制得的树脂材料，以使每两束碳纤维复合材料之间通过所述树脂材料的粘合力紧密贴合，将涂覆有树脂的碳纤维复合材料先于220℃下固化1 h，再于180℃下固化0.5h，制得碳纤维芯体；
7）将步骤6）得到的碳纤维芯体外周围绕包裹云母形成厚度为3mm的云母层，再在所述云母层外周围绕包裹阻燃硅材料形成厚度为5mm的阻燃硅层，制得碳纤维耐超高温电缆。
经检测，本实施例制得的碳纤维耐超高温电缆在820℃下长期工作也不会发生电缆熔断或失火现象，耐超高温能力得到了极大的提升。
实施例2
一种碳纤维耐超高温电缆，包括碳纤维芯体和包裹在碳纤维芯体外周的护套，所述碳纤维芯体由若干束碳纤维材料和铜丝绞合后得到的碳纤维复合材料再和树脂固化粘合而成，所述护套包括围绕包裹在碳纤维芯体外周的云母层和围绕包裹在所述云母层外周的阻燃硅层；所述碳纤维材料为聚丙烯腈基碳纤维；所述树脂的制备原料包括如下质量份的组分：50份氰酸酯树脂、30份聚甲基硅树脂、15份聚乙基苯基有机硅树脂、8份二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷、4份二月桂酸二丁基锡、10份三羟甲基丙烷缩水甘油醚和8份液体丁腈橡胶；所述氰酸酯树脂由质量比为1：2的双酚A型氰酸酯树脂和酚醛型氰酸酯树脂组成。
本实施例碳纤维耐超高温电缆的制备方法包括如下步骤：
1）取聚丙烯腈与二甲基乙酰胺以35 g：100 mL的质量体积比混合，于100℃、300W微波辅助的条件下加热混合60min，得到混合液；
2）将丙三醇、硫脲和步骤1）所述混合液以4 g：3 g：100 mL的质量体积比混合，于15 kW的超声辅助条件下分散均匀，得到混合纺丝液；
3）对步骤2）所述混合纺丝液进行湿法静电纺丝，得到所述聚丙烯腈基碳纤维；其中，所述湿法静电纺丝的条件为纺丝温度90℃，凝固温度15℃；
4）取步骤3）制得的聚丙烯腈基碳纤维，将其与铜丝相互绞合，得到碳纤维复合材料；
5）根据本实施例所述树脂的制备原料配方依次称取各原料，先将称取的氰酸酯树脂、聚乙基苯基有机硅树脂和聚甲基硅树脂混合并于80℃熔融，再向熔融后的树脂中加入称取的二月桂酸二丁基锡和二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷搅拌均匀并于180℃下预聚合15min，得到预聚合混合物，将所述预聚合混合物冷却至60℃，向冷却后的预聚合混合物中加入三羟甲基丙烷缩水甘油醚搅拌5 min后，加入液体丁腈橡胶搅拌8 min，制得树脂材料；
6）取20束步骤4）制得的碳纤维复合材料，在每一束所述碳纤维复合材料上分别涂覆步骤5）制得的树脂材料，以使每两束碳纤维复合材料之间通过所述树脂材料的粘合力紧密贴合，将涂覆有树脂的碳纤维复合材料先于240℃下固化1.5 h，再于200℃下固化1.5h，制得碳纤维芯体；
7）将步骤6）得到的碳纤维芯体外周围绕包裹云母形成厚度为5 mm的云母层，再在所述云母层外周围绕包裹阻燃硅材料形成厚度为4mm的阻燃硅层，制得碳纤维耐超高温电缆。
经检测，本实施例制得的碳纤维耐超高温电缆在840℃下长期工作也不会发生电缆熔断或失火现象，耐超高温能力得到了极大的提升。
实施例3
一种碳纤维耐超高温电缆，包括碳纤维芯体和包裹在碳纤维芯体外周的护套，所述碳纤维芯体由若干束碳纤维材料和铜丝绞合后得到的碳纤维复合材料再和树脂固化粘合而成，所述护套包括围绕包裹在碳纤维芯体外周的云母层和围绕包裹在所述云母层外周的阻燃硅层；所述碳纤维材料为聚丙烯腈基碳纤维；所述树脂的制备原料包括如下质量份的组分：45份氰酸酯树脂、25份聚甲基硅树脂、13份聚乙基苯基有机硅树脂、6份二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷、3份二月桂酸二丁基锡、6份三羟甲基丙烷缩水甘油醚和6份液体丁腈橡胶；所述氰酸酯树脂由质量比为1：2的双酚A型氰酸酯树脂和酚醛型氰酸酯树脂组成。
本实施例碳纤维耐超高温电缆的制备方法包括如下步骤：
1）取聚丙烯腈与二甲基乙酰胺以30 g：100 mL的质量体积比混合，于90℃、250W微波辅助的条件下加热混合50min，得到混合液；
2）将丙三醇、硫脲和步骤1）所述混合液以3 g：2 g：100 mL的质量体积比混合，于13 kW的超声辅助条件下分散均匀，得到混合纺丝液；
3）对步骤2）所述混合纺丝液进行湿法静电纺丝，得到所述聚丙烯腈基碳纤维；其中，所述湿法静电纺丝的条件为纺丝温度80℃，凝固温度10℃；
4）取步骤3）制得的聚丙烯腈基碳纤维，将其与铜丝相互绞合，得到碳纤维复合材料；
5）根据本实施例所述树脂的制备原料配方依次称取各原料，先将称取的氰酸酯树脂、聚乙基苯基有机硅树脂和聚甲基硅树脂混合并于85℃熔融，再向熔融后的树脂中加入称取的二月桂酸二丁基锡和二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷搅拌均匀并于160℃下预聚合13min，得到预聚合混合物，将所述预聚合混合物冷却至55℃，向冷却后的预聚合混合物中加入三羟甲基丙烷缩水甘油醚搅拌5 min后，加入液体丁腈橡胶搅拌8 min，制得树脂材料；
6）取18束步骤4）制得的碳纤维复合材料，在每一束所述碳纤维复合材料上分别涂覆步骤5）制得的树脂材料，以使每两束碳纤维复合材料之间通过所述树脂材料的粘合力紧密贴合，将涂覆有树脂的碳纤维复合材料先于230℃下固化1.5 h，再于190℃下固化1h，制得碳纤维芯体；
7）将步骤6）得到的碳纤维芯体外周围绕包裹云母形成厚度为2 mm的云母层，再在所述云母层外周围绕包裹阻燃硅材料形成厚度为7mm的阻燃硅层，制得碳纤维耐超高温电缆。
经检测，本实施例制得的碳纤维耐超高温电缆在850℃下长期工作也不会发生电缆熔断或失火现象，耐超高温能力得到了极大的提升。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种碳纤维耐超高温电缆，包括碳纤维芯体和包裹在碳纤维芯体外周的护套，其特征在于，所述碳纤维芯体由若干束碳纤维材料和导电丝绞合后得到的碳纤维复合材料再和树脂固化粘合而成，所述护套包括围绕包裹在碳纤维芯体外周的云母层和围绕包裹在所述云母层外周的阻燃硅层；所述碳纤维材料为聚丙烯腈基碳纤维；所述树脂的制备原料包括如下质量份的组分：40~50份氰酸酯树脂、20~30份聚甲基硅树脂、10~15份聚乙基苯基有机硅树脂、5~8份二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷、0.05~4份二月桂酸二丁基锡、4~10份三羟甲基丙烷缩水甘油醚和5~8份液体丁腈橡胶。
2.根据权利要求1所述碳纤维耐超高温电缆，其特征在于，所述氰酸酯树脂由质量比为1：1~2的双酚A型氰酸酯树脂和酚醛型氰酸酯树脂组成。
3.根据权利要求1所述碳纤维耐超高温电缆，其特征在于，所述阻燃硅层的材料为二氧化硅。
4.根据权利要求1所述碳纤维耐超高温电缆，其特征在于，所述树脂的制备原料包括如下质量份的组分：50份氰酸酯树脂、30份聚甲基硅树脂、15份聚乙基苯基有机硅树脂、8份二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷、4份二月桂酸二丁基锡、10份三羟甲基丙烷缩水甘油醚和8份液体丁腈橡胶。
5.根据权利要求1所述碳纤维耐超高温电缆，其特征在于，所述导电丝为铜丝。
6.一种碳纤维耐超高温电缆的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）取聚丙烯腈与二甲基乙酰胺以20~35 g：100 mL的质量体积比混合，于85~100℃、200~300W微波辅助的条件下加热混合30~60min，得到混合液；
2）将丙三醇、硫脲和步骤1）所述混合液以2~4 g：1~3 g：100 mL的质量体积比混合，于10~15 kW的超声辅助条件下分散均匀，得到混合纺丝液；
3）对步骤2）所述混合纺丝液进行湿法静电纺丝，得到所述聚丙烯腈基碳纤维；其中，所述湿法静电纺丝的条件为纺丝温度70~90℃，凝固温度5~15℃；
4）取步骤3）制得的聚丙烯腈基碳纤维，将其与导电丝相互绞合，得到碳纤维复合材料；
5）按配方依次称取各原料，先将称取的氰酸酯树脂、聚乙基苯基有机硅树脂和聚甲基硅树脂混合并于80~90℃熔融，再向熔融后的树脂中加入称取的二月桂酸二丁基锡和二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷搅拌均匀并于140~180℃下预聚合10~15 min，得到预聚合混合物，将所述预聚合混合物冷却至50~60℃，向冷却后的预聚合混合物中加入三羟甲基丙烷缩水甘油醚搅拌3~5 min后，加入液体丁腈橡胶搅拌5~8 min，制得树脂材料；
6）取若干束步骤4）制得的碳纤维复合材料，在每一束所述碳纤维复合材料上分别涂覆步骤5）制得的树脂材料，以使每两束碳纤维复合材料之间通过所述树脂材料的粘合力紧密贴合，将涂覆有树脂的碳纤维复合材料先于220~240℃下固化1~1.5 h，再于180~200℃下固化0.5~1.5 h，制得碳纤维芯体；
7）将步骤6）得到的碳纤维芯体外周围绕包裹云母形成厚度为2~5 mm的云母层，再在所述云母层外周围绕包裹阻燃硅材料形成厚度为4~7mm的阻燃硅层，制得碳纤维耐超高温电缆。
7.根据权利要求6所述碳纤维耐超高温电缆的制备方法，其特征在于，步骤1）中于90℃、250W微波辅助的条件下加热混合50min。
8.根据权利要求6所述碳纤维耐超高温电缆的制备方法，其特征在于，将丙三醇、硫脲和步骤1）所述混合液以3 g：2 g：100 mL的质量体积比混合。
9.根据权利要求6所述碳纤维耐超高温电缆的制备方法，其特征在于，步骤6）中取15~20束步骤4）制得的碳纤维复合材料，在每一束所述碳纤维复合材料上分别涂覆步骤5）制得的树脂材料将涂覆有树脂的碳纤维复合材料先于230℃下固化1.5 h，再于190℃下固化1h，制得碳纤维芯体。
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