CN113072065A - 改性可膨胀石墨、电缆防火防爆用包覆膜及其生产方法 - Google Patents

改性可膨胀石墨、电缆防火防爆用包覆膜及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种改性可膨胀石墨、电缆防火防爆用石墨基包覆膜及其生产方法，将可膨胀石墨进行预膨胀，然后用碱式碳酸铜对预膨胀后的可膨胀石墨进行改性处理，电缆防火防爆用包覆膜，由纤维层以及包覆在纤维层两面的改性膨胀石墨层构成，改性膨胀石墨层由上述改性可膨胀石墨压制得到，改性膨胀石墨层通过固体胶与纤维层粘合在一起。本发明的包覆膜具有优良的防火性能、防爆性能以及防静电和电磁干扰的效果，由于石墨具有很好的导电性，可与接地网有效的连接，使静电电流迅速地通过接地网流入大地，起到防静电和电磁干扰的效果。

Description

改性可膨胀石墨、电缆防火防爆用包覆膜及其生产方法
技术领域
本发明涉及电缆防护材料技术领域，具体涉及一种改性可膨胀石墨、电缆防火防爆用石墨基包覆膜及其生产方法。
背景技术
电线电缆是电力输送的载体，随着社会电力系统的发展，一方面大量传统地上的电缆、管道、公用设施建筑地下，导致地下空间与地上一样十分拥挤；另一方面运行中电力电缆承担着巨大的能量传输功能，一旦发生短路故障，故障点处瞬间会释放巨大能量，伴随着静电辐射、电磁辐射、热力辐射、压力辐射的物理过程。这些物理过程不可避免地会引起电磁干扰、燃烧、爆炸等各种灾害，在空间狭小的条件下，各种辐射本身及其引发的灾害又会对其周围环境中的其它物品、人员产生严重危害；而危害随着发展的逐步深入、随着人民群众对生活环境安全感获得的不断提高，日益严重；则设计一种在满足电线电缆绝缘的前提下，又能够避免在发生电气事故时，火灾不蔓延的电线电缆包覆层是电力系统亟亟可需的。
针对电缆防火，通常解决方法之一是电缆本身材质的阻燃化处理和结构设计，即使用耐火电缆。另一种方法则是采用防火涂料、阻燃包带、耐火槽盒等多种电缆防火保护产品对电缆进行保护，可不同程度有效地保护电缆的火灾安全。但是，耐火电缆价格昂贵，不具普及性；防火涂料对电缆持久附着力较差，而且施工受场地制约，需要涂刷多遍，不能形成致密的覆盖层，炭化层硬度差，容易被烧穿或吹落，电缆弯曲处易出现裂缝，耐火性不佳，易老化，存在有机溶剂挥发的风险；传统非自粘性阻燃包带的缺点是与电缆缺乏持久的附着力，防火材料耐火性能差，使用寿命较短、时效性差，长期运行后其阻燃效果会减弱，需要重复施工，增加电缆运行维护成本和负担。
发明内容
本发明的目的是为解决上述技术问题的不足，提供一种改性可膨胀石墨、电缆防火防爆用石墨基包覆膜及其生产方法。
本发明为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：一种可膨胀石墨的改性方法，将可膨胀石墨进行预膨胀，然后用碱式碳酸铜对预膨胀后的可膨胀石墨进行改性处理。
作为本发明一种可膨胀石墨改性方法的进一步优化：具体包括以下步骤：
1)、设定膨化炉温度为350-450℃，将可膨胀石墨送入膨化炉，在膨化炉内膨化3-6s，得到预膨胀石墨蠕虫；
2)、将预膨胀石墨蠕虫与水混合，然后加入分散剂进行超声分散，得到预膨胀石墨蠕虫分散液；
3)、在预膨胀石墨蠕虫分散液中加入碱式碳酸铜，继续超声分散，得到目标分散液；
4)、取目标分散液进行离心分离，将分离得到的沉淀进行干燥后得到改性可膨胀石墨。
作为本发明一种可膨胀石墨改性方法的进一步优化：所述步骤1)得到的预膨胀石墨蠕虫的膨胀体积为180-230ml/g。
作为本发明一种可膨胀石墨改性方法的进一步优化：所述步骤2)中预膨胀石墨蠕虫与水的质量比为1：50-70，分散剂的加入量为预膨胀石墨蠕虫重量的0.5-2％。
作为本发明一种可膨胀石墨改性方法的进一步优化：所述步骤3)中碱式碳酸铜的加入量为预膨胀石墨蠕虫重量的10-60％。
一种改性可膨胀石墨，由上述改性方法得到。
一种电缆防火防爆用包覆膜，由纤维层以及包覆在纤维层两面的改性膨胀石墨层构成，改性膨胀石墨层由上述改性可膨胀石墨压制得到，改性膨胀石墨层通过固体胶与纤维层粘合在一起。
作为本发明一种电缆防火防爆用包覆膜的进一步优化：所述纤维层为玻璃纤维与玄武岩纤维编织而成的复合层，且编织基本单元为两根玻璃纤维缠绕一根玄武岩纤维。
作为本发明一种电缆防火防爆用包覆膜的进一步优化：所述固体胶内掺和有偶联剂和渗透剂，偶联剂加入量为固体胶重量的1-1.5％，渗透剂加入量为固体胶重量的0.5-1％。
一种电缆防火防爆用包覆膜的生产工艺，包括以下步骤：
S1、取玻璃纤维和玄武岩纤维，以两根玻璃纤维缠绕一根玄武岩纤维作为一个基本单元将选取的玻璃纤维和玄武岩纤维编织在一起，制得玻璃纤维与玄武岩纤维复合层，备用；
S2、取改性可膨胀石墨送入预压装置压制得到改性膨胀石墨层，备用；
S3、取S1中制得的玻璃纤维与玄武岩纤维复合层，通过上胶辊使其表面附着固体胶；
S4、取附着固体胶的玻璃纤维与玄武岩纤维复合层的双面复合改性膨胀石墨层，并通过挤压辊粘合在一起，然后传动到烘干设备，使固体胶充分渗透到玻璃纤维与玄武岩纤维复合层和膨胀石墨层内让其粘合，制得电缆防火防爆用包覆膜。
作为本发明一种电缆防火防爆用包覆膜的生产工艺的进一步优化：所述步骤S2中预压的条件为：辊间压力为16-18MPa，线速度为5.5-6.5m/min，产出改性膨胀石墨层厚度为0.3-0.5mm，密度为0.2-0.3g/cm3。
有益效果
一、本发明的包覆膜具有优良的防火性能，当发生燃烧时，在高温环境下，一方面，可膨胀石墨的结构特征决定其在膨胀过程中会吸收大量的热量，并分解产生C02，遏制燃烧，并且膨胀石墨结构疏松多孔，有较大的比表面积，一般可达50-200m2/g，易于吸附非极性有机大分子物质，特别是油类，避免燃烧的蔓延；另一方面，石墨在高温下继续膨胀，石墨表面以及包裹在石墨层间的碱式碳酸铜暴露，在高温下，碱式碳酸铜分解产生CO2、H2O和氧化铜，CO2和H2O有助于遏制燃烧的蔓延，碱式碳酸铜分解的氧化铜与石墨在高温下可以进一步发生反应并生成有CO2，通过上述三层次的二氧化碳释放，能有效遏制燃烧的蔓延，具有较好的防火性能；
二、本发明的包覆膜具有防爆性能，包覆膜内部的玻璃纤维与玄武岩纤维复合层具有一定的高强度柔性，一方面可以解决电缆安装困难的问题，另一方面在发生爆炸时可以将电缆将内部的高强压力释放，并能够承受爆炸冲击力；
三、本发明的包覆膜具有好的防静电和电磁干扰的效果，由于石墨具有很好的导电性，可与接地网有效的连接，使静电电流迅速地通过接地网流入大地，起到防静电和电磁干扰的效果。
附图说明
图1为实施例中电缆防火防爆用包覆膜的层间结构示意图；
图中标记：1、纤维复合层，2、可膨胀石墨层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
一种可膨胀石墨的改性方法，具体包括以下步骤：
1)、设定膨化炉温度为350℃，将可膨胀石墨送入膨化炉，在膨化炉内膨化6s，得到预膨胀石墨蠕虫；
可膨胀石墨由天然鳞片石墨为原料，经氧化插层反应制备得到，为常规化学原料，可自行购买使用，或以现有技术的方法自行制备使用。
可膨胀石墨中含有的插层物，在高温的条件下汽化产生的推动力可将石墨片层打开，因此膨胀温度是影响膨胀石墨结构的一个重要参数.从300-900℃，膨胀石墨的膨胀体积会随着膨胀温度的升高逐渐增大.这说明随着膨胀温度的升高，可膨胀石墨中含有的插层物受热产生的推动力逐渐增强，对石墨片层的破坏作用越大。
发明人将膨化温度设定为350-450℃，在该温度下膨化3-6s，可膨胀石墨能够得到初步膨化，变成预膨胀石墨蠕虫，需要说明的是，为了使该可膨胀石墨在后续使用过程中，在高温下仍具有较高的膨胀性能，要对膨化温度和膨化时间进行合理配比，最终使得制备得到的预膨胀石墨蠕虫的膨胀体积在180-230ml/g之间。
2)、将预膨胀石墨蠕虫与水混合，然后加入分散剂进行超声分散，得到预膨胀石墨蠕虫分散液；
预膨胀石墨蠕虫与水的质量比为1：50，分散剂的加入量为预膨胀石墨蠕虫重量的0.5％。分散剂可选用常规的分散剂，例如活性磷酸钙以及聚丙烯酸钠等。
3)、在预膨胀石墨蠕虫分散液中加入碱式碳酸铜，继续超声分散，得到目标分散液；
碱式碳酸铜的加入量为预膨胀石墨蠕虫重量的30％，碱式碳酸铜的加入量会影响最终改性可膨胀石墨的防火性能，但只会使影响防火性能的高低，不会导致其失去防火性能。可以根据不同的碱式碳酸铜添加比例生产不同规格、标准的改性可膨胀石墨产品。
4)、取目标分散液进行离心分离，将分离得到的沉淀进行干燥后得到改性可膨胀石墨；离心分离和干燥为化学领域常规的处理方法，不再进行详述，需要说明的是，干燥温度控制在100℃以内，优选85℃。
实施例2
一种可膨胀石墨的改性方法，具体包括以下步骤：
1)、设定膨化炉温度为450℃，将可膨胀石墨送入膨化炉，在膨化炉内膨化3s，得到预膨胀石墨蠕虫；
2)、将预膨胀石墨蠕虫与水混合，然后加入分散剂进行超声分散，得到预膨胀石墨蠕虫分散液；
预膨胀石墨蠕虫与水的质量比为1：70，分散剂的加入量为预膨胀石墨蠕虫重量的2％。分散剂可选用常规的分散剂，例如活性磷酸钙以及聚丙烯酸钠等。
3)、在预膨胀石墨蠕虫分散液中加入碱式碳酸铜，继续超声分散，得到目标分散液；
碱式碳酸铜的加入量为预膨胀石墨蠕虫重量的10％。
4)、取目标分散液进行离心分离，将分离得到的沉淀进行干燥后得到改性可膨胀石墨；离心分离和干燥为化学领域常规的处理方法，不再进行详述，需要说明的是，干燥温度控制在100℃以内，优选80℃。
实施例3
一种可膨胀石墨的改性方法，具体包括以下步骤：
1)、设定膨化炉温度为400℃，将可膨胀石墨送入膨化炉，在膨化炉内膨化5s，得到预膨胀石墨蠕虫；
2)、将预膨胀石墨蠕虫与水混合，然后加入分散剂进行超声分散，得到预膨胀石墨蠕虫分散液；
预膨胀石墨蠕虫与水的质量比为1：60，分散剂的加入量为预膨胀石墨蠕虫重量的1％。分散剂可选用常规的分散剂，例如活性磷酸钙以及聚丙烯酸钠等。
3)、在预膨胀石墨蠕虫分散液中加入碱式碳酸铜，继续超声分散，得到目标分散液；
碱式碳酸铜的加入量为预膨胀石墨蠕虫重量的60％。
4)、取目标分散液进行离心分离，将分离得到的沉淀进行干燥后得到改性可膨胀石墨；离心分离和干燥为化学领域常规的处理方法，不再进行详述，需要说明的是，干燥温度控制在100℃以内，优选90℃。
实施例4
一种电缆防火防爆用包覆膜，由纤维层以及包覆在纤维层两面的改性膨胀石墨层构成，改性膨胀石墨层由实施例1改性可膨胀石墨压制得到，改性膨胀石墨层通过固体胶与纤维层粘合在一起。纤维层为玻璃纤维与玄武岩纤维编织而成的复合层，且编织基本单元为两根玻璃纤维缠绕一根玄武岩纤维。
包覆膜的结构类似于三明治结构，中间层是由玻璃纤维与玄武岩纤维编织成的纤维复合层，其相当于整个包覆膜的骨架，在中间层的上下均通过固体胶黏贴有改性膨胀石墨层。其中，纤维复合层以及改性膨胀石墨层的厚度可以根据实际需要进行制作，在此，不再对各层的厚度进行详细限定。
电缆防火防爆用包覆膜的生产工艺，包括以下步骤：
S1、取玻璃纤维和玄武岩纤维，以两根玻璃纤维缠绕一根玄武岩纤维作为一个基本单元将选取的玻璃纤维和玄武岩纤维编织在一起，制得玻璃纤维与玄武岩纤维复合层，备用。
用于进行编制的纤维复合层的基本单元线体为两根玻璃纤维缠绕一根玄武岩纤维后形成的线体。将玄武岩纤维和玻璃纤维缠形成复合线，可以克服单一纤维的性能缺点，再利用复合线编制纤维复合层，可以使得复合层具有一定的厚度、尺寸稳定性和机械强度，同时具备一定的柔曲性能。
S2、取改性可膨胀石墨送入预压装置压制得到改性膨胀石墨层，备用；
预压的条件为：辊间压力为16MPa，线速度为6.5m/min，产出改性膨胀石墨层厚度为0.3mm，密度为0.3g/cm3。
S3、取S1中制得的玻璃纤维与玄武岩纤维复合层，通过上胶辊使其表面附着固体胶；
S4、取附着固体胶的玻璃纤维与玄武岩纤维复合层的双面复合改性膨胀石墨层，并通过挤压辊粘合在一起，然后传动到烘干设备，使固体胶充分渗透到玻璃纤维与玄武岩纤维复合层和膨胀石墨层内让其粘合，制得电缆防火防爆用包覆膜。
实施例5
一种电缆防火防爆用包覆膜，由纤维层以及包覆在纤维层两面的改性膨胀石墨层构成，改性膨胀石墨层由实施例2改性可膨胀石墨压制得到，改性膨胀石墨层通过固体胶与纤维层粘合在一起。纤维层为玻璃纤维与玄武岩纤维编织而成的复合层，且编织基本单元为两根玻璃纤维缠绕一根玄武岩纤维。
固体胶内掺和有偶联剂和渗透剂，偶联剂加入量为固体胶重量的1％，渗透剂加入量为固体胶重量的1％。偶联剂为硅烷偶联剂，渗透剂是磺化琥珀酸二辛酯钠盐。
电缆防火防爆用包覆膜的生产工艺，包括以下步骤：
S1、取玻璃纤维和玄武岩纤维，以两根玻璃纤维缠绕一根玄武岩纤维作为一个基本单元将选取的玻璃纤维和玄武岩纤维编织在一起，制得玻璃纤维与玄武岩纤维复合层，备用；
S2、取改性可膨胀石墨送入预压装置压制得到改性膨胀石墨层，备用；
预压的条件为：辊间压力为18MPa，线速度为5.5m/min，产出改性膨胀石墨层厚度为0.5mm，密度为0.2g/cm3。
S3、取S1中制得的玻璃纤维与玄武岩纤维复合层，通过上胶辊使其表面附着固体胶；
S4、取附着固体胶的玻璃纤维与玄武岩纤维复合层的双面复合改性膨胀石墨层，并通过挤压辊粘合在一起，然后传动到烘干设备，使固体胶充分渗透到玻璃纤维与玄武岩纤维复合层和膨胀石墨层内让其粘合，制得电缆防火防爆用包覆膜。
实施例6
一种电缆防火防爆用包覆膜，由纤维层以及包覆在纤维层两面的改性膨胀石墨层构成，改性膨胀石墨层由实施例3改性可膨胀石墨压制得到，改性膨胀石墨层通过固体胶与纤维层粘合在一起。纤维层为玻璃纤维与玄武岩纤维编织而成的复合层，且编织基本单元为两根玻璃纤维缠绕一根玄武岩纤维。
固体胶内掺和有偶联剂和渗透剂，偶联剂加入量为固体胶重量的1.5％，渗透剂加入量为固体胶重量的0.5％。偶联剂为硅烷偶联剂，渗透剂是脂肪醇聚氧乙烯醚。
电缆防火防爆用包覆膜的生产工艺，包括以下步骤：
S1、取玻璃纤维和玄武岩纤维，以两根玻璃纤维缠绕一根玄武岩纤维作为一个基本单元将选取的玻璃纤维和玄武岩纤维编织在一起，制得玻璃纤维与玄武岩纤维复合层，备用；
S2、取改性可膨胀石墨送入预压装置压制得到改性膨胀石墨层，备用；
预压的条件为：辊间压力为17MPa，线速度为6m/min，产出改性膨胀石墨层厚度为0.4mm，密度为0.25g/cm3。
S3、取S1中制得的玻璃纤维与玄武岩纤维复合层，通过上胶辊使其表面附着固体胶；
S4、取附着固体胶的玻璃纤维与玄武岩纤维复合层的双面复合改性膨胀石墨层，并通过挤压辊粘合在一起，然后传动到烘干设备，使固体胶充分渗透到玻璃纤维与玄武岩纤维复合层和膨胀石墨层内让其粘合，制得电缆防火防爆用包覆膜。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (11)

1.一种可膨胀石墨的改性方法，其特征在于：将可膨胀石墨进行预膨胀，然后用碱式碳酸铜对预膨胀后的可膨胀石墨进行改性处理。
2.如权利要求1所述可膨胀石墨的改性方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
1)、设定膨化炉温度为350-450℃，将可膨胀石墨送入膨化炉，在膨化炉内膨化3-6s，得到预膨胀石墨蠕虫；
2)、将预膨胀石墨蠕虫与水混合，然后加入分散剂进行超声分散，得到预膨胀石墨蠕虫分散液；
3)、在预膨胀石墨蠕虫分散液中加入碱式碳酸铜，继续超声分散，得到目标分散液；
4)、取目标分散液进行离心分离，将分离得到的沉淀进行干燥后得到改性可膨胀石墨。
3.如权利要求2所述可膨胀石墨的改性方法，其特征在于：所述步骤1)得到的预膨胀石墨蠕虫的膨胀体积为180-230ml/g。
4.如权利要求2所述可膨胀石墨的改性方法，其特征在于：所述步骤2)中预膨胀石墨蠕虫与水的质量比为1：50-70，分散剂的加入量为预膨胀石墨蠕虫重量的0.5-2％。
5.如权利要求2所述可膨胀石墨的改性方法，其特征在于：所述步骤3)中碱式碳酸铜的加入量为预膨胀石墨蠕虫重量的10-60％。
6.一种改性可膨胀石墨，其特征在于：由权利要求1-5中任一项权利要求所述改性方法得到。
7.一种电缆防火防爆用包覆膜，其特征在于：由纤维层以及包覆在纤维层两面的改性膨胀石墨层构成，改性膨胀石墨层由权利要求6所述改性可膨胀石墨压制得到，改性膨胀石墨层通过固体胶与纤维层粘合在一起。
8.如权利要求7所述电缆防火防爆用包覆膜，其特征在于：所述纤维层为玻璃纤维与玄武岩纤维编织而成的复合层，且编织基本单元为两根玻璃纤维缠绕一根玄武岩纤维。
9.如权利要求7所述电缆防火防爆用包覆膜，其特征在于：所述固体胶内掺和有偶联剂和渗透剂，偶联剂加入量为固体胶重量的1-1.5％，渗透剂加入量为固体胶重量的0.5-1％。
10.如权利要求8所述电缆防火防爆用包覆膜的生产工艺，其特征在于：包括以下步骤：
S1、取玻璃纤维和玄武岩纤维，以两根玻璃纤维缠绕一根玄武岩纤维作为一个基本单元将选取的玻璃纤维和玄武岩纤维编织在一起，制得玻璃纤维与玄武岩纤维复合层，备用；
S2、取改性可膨胀石墨送入预压装置压制得到改性膨胀石墨层，备用；
S3、取S1中制得的玻璃纤维与玄武岩纤维复合层，通过上胶辊使其表面附着固体胶；
S4、取附着固体胶的玻璃纤维与玄武岩纤维复合层的双面复合改性膨胀石墨层，并通过挤压辊粘合在一起，然后传动到烘干设备，使固体胶充分渗透到玻璃纤维与玄武岩纤维复合层和膨胀石墨层内让其粘合，制得电缆防火防爆用包覆膜。
11.如权利要求10所述电缆防火防爆用包覆膜的生产工艺，其特征在于：所述步骤S2中预压的条件为：辊间压力为16-18MPa，线速度为5.5-6.5m/min，产出改性膨胀石墨层厚度为0.3-0.5mm，密度为0.2-0.3g/cm3。
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