CN113871065A - 一种高阻燃高屏蔽超六类数据电缆 - Google Patents

一种高阻燃高屏蔽超六类数据电缆 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高阻燃高屏蔽超六类数据电缆，包括导体、绝缘层、碳纳米管薄膜屏蔽层和包装层，碳纳米管薄膜屏蔽层采用金属纳米粒子和高导电材料改性碳纳米管制成。本发明提供的高阻燃高屏蔽超六类数据电缆，使用FEP作为绝缘层材料，大幅提升电缆的阻燃性能，碳纳米管薄膜作为屏蔽层材料替换原本的编织或者铝带，具有超轻质、高强度、高导电性及稳定的电磁学性能等优异特质，屏蔽覆盖率大于90％，大大提升电缆弯曲性能的同时保障屏蔽性能没有变化，同时可提升电缆的阻燃性能，可实现全波段屏蔽，可完全取代传统金属防波套，并为信号线材减重65％，在深入推动超轻新型碳材料的实际应用方面具有科学价值、经济价值和社会效益。

Description

一种高阻燃高屏蔽超六类数据电缆
技术领域
本发明属于电缆技术领域，具体涉及一种高阻燃高屏蔽超六类数据电缆。
背景技术
2017年，美国开始将开发新型超轻信号传输线材列为重点研发项目。由于传统金属材料在信号线材的应用中具有很大的局限性，比如，在海洋环境中，海军战机、战舰里金属材料的抗腐蚀性一直是一个难题，为解决此问题，每年耗资巨大。另外，在太空环境中，极冷至极热的变化，会使金属材料蠕变并迅速失效，造成不可预测的损失。
2018年，Nanocomp获得美国国家宇航局(NASA)扶持，继续提高碳管纤维的强度，预期目标超过3GPa，项目目前仍在进行中。2019年，Nanocomp公司被美国化工巨头亨斯曼(Huntsman Cooperation)收购，实行强强联合，借助亨斯曼资源积极拓展航太市场。据亨斯曼官方报道，在2019-2021期间，Nanocomp与NASA火星探测项目合作，成功将其碳管薄膜产品应用在了火星探测器上，作为防止静电放电的部件，取代了传统金属材料。此项工作展示了碳纳米管材料在航太领域的应用迈出了标志性的一步。
十几年来，宏观尺度的CNT规模化制备技术日趋成熟，全球已有数家公司具备了规模化生产能力。但是宏观尺度的
碳纳米管(英文全称Carbon Nano Tube，英文缩写CNT)性能未能达到预期，例如Nancomp生产的CNT薄膜的拉伸强度仅有50-100MPa，导电性约为104S/m，距离实际应用的参数要求还有较大差距。因此宏观尺度的CNT的改性技术变的尤为重要，通过规模化改性技术，大幅提升宏观尺度CNT的各项性能，是实现其在航空航天领域应用的必经渠道。但是，对于宏观尺度CNT的规模化制备以及改性技术的研究，在世界范围内都极为有限，在国内更属空白。还需要注意的是，目前的新型纳米碳材料，如石墨烯和碳纳米管，用作电磁屏蔽增强材料的研究众多，但绝大多数的研究都是集中在石墨烯和粉末状碳纳米管上，因二者不具备结构连续性，这就决定了在电磁屏蔽中的主体材料并不是石墨烯和粉末状碳管。上述研究基本都是将二者作为添加剂使用，分散在树脂基体材料中，制备石墨烯(或粉体碳管)增强的复合材料，以此来形成连续的电磁屏蔽层。这种材料的导电性较弱(几乎不导电)，因此不能做到低频屏蔽，几乎都是在5-10GHz波段以上的屏蔽。
发明内容
为解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种高阻燃高屏蔽超六类数据电缆。
为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明采用的技术方案为：
一种高阻燃高屏蔽超六类数据电缆，包括由内至外依次设置的导体、绝缘层、碳纳米管薄膜屏蔽层和包装层，所述绝缘层采用FEP绝缘材料制成，所述碳纳米管薄膜屏蔽层采用金属纳米粒子和高导电材料改性碳纳米管制成。
进一步的，所述碳纳米管薄膜屏蔽层的制备原料包括以下重量份数的组份：
碳纳米管1-25份
金属纳米粒子0.1-30份
高导电材料4-60份
偶联剂0-10份。
进一步的，所述碳纳米管薄膜屏蔽层采用以下步骤制备得到：
先制备得到碳纳米管，随后对碳纳米管依次进行纯化和刻蚀，在刻蚀后的碳纳米管上生长金属纳米粒子，干燥后，引入高导电材料，通过化学接枝改性、交联、耦合、共聚或添加偶联剂的方式对碳纳米管进行表面改性，将高导电材料接枝至碳纳米管上，高导电材料的接枝位点与金属纳米粒子的着落点不重合，最后，经机械强化、清洗、过滤和干燥后得到所需碳纳米管薄膜屏蔽层。
进一步的，对碳纳米管采用先退火再依次浸泡于煮沸的浓盐酸、浓硝酸和浓盐酸内的方法进行纯化，退火温度控制在240-350℃，碳纳米管浸泡于煮沸的浓盐酸内的时间为8-15h，碳纳米管浸泡于煮沸的浓硝酸内的时间为3-12h，浸泡过程中不断搅拌。
进一步的，对碳纳米管采用激光刻蚀，用于形成供金属纳米粒子着落的位点。
进一步的，所述金属纳米粒子和刻蚀后的碳纳米管通过官能团耦合在一起，刻蚀后的碳纳米管表面具备至少一种能够与金属纳米粒子上的基团反应的官能团，金属纳米粒子表面具备至少一种能够与刻蚀后的碳纳米管上的官能团反应的基团。
进一步的，所述高导电材料和刻蚀后的碳纳米管通过官能团耦合在一起，刻蚀后的碳纳米管表面具备至少一种能够与高导电材料上的官能团反应的官能团，高导电材料表面具备至少一种能够与刻蚀后的碳纳米管上的官能团反应的官能团。
进一步的，通过添加偶联剂的方式对碳纳米管进行表面改性，将高导电材料接枝至经过偶联剂改性的碳纳米管上，再进行固化。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明公开了一种高阻燃高屏蔽超六类数据电缆，包括由内至外依次设置的导体、绝缘层、碳纳米管薄膜屏蔽层和包装层，绝缘层采用FEP绝缘材料制成，碳纳米管薄膜屏蔽层采用金属纳米粒子和高导电材料改性碳纳米管制成。本发明使用聚全氟乙烯丙烯塑料FEP作为绝缘层材料大幅提升电缆的阻燃性能，碳纳米管薄膜屏蔽层采用金属纳米粒子和高导电材料改性碳纳米管制成，碳纳米管薄膜作为屏蔽层材料替换原本的编织或者铝带，碳纳米管薄膜具有超轻质(0.5g/cm3)、高强度(2-3Gpa，相比过去增加20-30倍)、高导电性(4-6×106S/m，增加100-200倍)以及稳定的电磁学性能等优异特质，屏蔽覆盖率大于90％，大大提升电缆弯曲性能的同时保障屏蔽性能没有变化，同时可提升电缆的阻燃性能；本发明所得电缆在0.2-0.5GHz频段上的屏蔽性能大于45dB，在0.5GHz频段上的屏蔽性能大于65dB，可实现全波段屏蔽，其性能基本与金属防波套相当，可完全取代传统金属防波套，并为信号线材减重65％。主要应用领域为航空航天领域，可为各类航行器、飞行器减重，从而实现空天领域的降低成本、节省燃料、提升续航能力等目标，同时，科研领域也是使用碳纳米管材料的重要市场，改性之后的碳纳米管材料性能大幅提升，会引起科研市场的巨大关注，为制备超敏柔性传感器、卫星用信号接收网、卫星关键结构部件、航行器发射减震基底以及可穿戴加热设备等提供技术支持，在深入推动超轻新型碳材料的实际应用方面具有科学价值、经济价值和社会效益。
具体实施方式
下面对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
一种高阻燃高屏蔽超六类数据电缆，包括由内至外依次设置的导体、绝缘层、碳纳米管薄膜屏蔽层和包装层，绝缘层采用FEP绝缘材料制成，碳纳米管薄膜屏蔽层采用金属纳米粒子和高导电材料改性碳纳米管制成。
碳纳米管薄膜屏蔽层的制备原料包括以下重量份数的组份：
碳纳米管 1-25份
金属纳米粒子 0.1-30份
高导电材料 4-60份
偶联剂 0-10份。
碳纳米管薄膜屏蔽层采用以下步骤制备得到：
先制备得到碳纳米管，随后对碳纳米管依次进行纯化和刻蚀，在刻蚀后的碳纳米管上生长金属纳米粒子，干燥后，引入高导电材料，通过化学接枝改性或添加偶联剂的方式对碳纳米管进行表面改性，将高导电材料接枝至碳纳米管上，高导电材料的接枝位点与金属纳米粒子的着落点不重合，最后，经机械强化、清洗、过滤和干燥后得到所需碳纳米管薄膜屏蔽层。
金属纳米粒子包括金、银、铜等，高导电材料包括镍、银、铝等金属材料。
实施例1
一种高阻燃高屏蔽超六类数据电缆，包括由内至外依次设置的导体、绝缘层、碳纳米管薄膜屏蔽层和包装层，绝缘层采用FEP绝缘材料制成，碳纳米管薄膜屏蔽层采用金属纳米粒子和高导电材料改性碳纳米管制成。
碳纳米管薄膜屏蔽层的制备原料包括以下重量份数的组份：
碳纳米管 1份
金属纳米粒子 28份
高导电材料 60份
偶联剂 10份。
碳纳米管薄膜屏蔽层采用以下步骤制备得到：
先制备得到碳纳米管，随后对碳纳米管依次进行纯化和刻蚀，在刻蚀后的碳纳米管上生长金属纳米粒子，金属纳米粒子和刻蚀后的碳纳米管通过官能团耦合在一起，刻蚀后的碳纳米管表面具备至少一种能够与金属纳米粒子上的基团反应的官能团，金属纳米粒子表面具备至少一种能够与刻蚀后的碳纳米管上的官能团反应的基团；干燥后，引入高导电材料，通过添加偶联剂的方式对碳纳米管进行表面改性，将高导电材料接枝至碳纳米管上，高导电材料的接枝位点与金属纳米粒子的着落点不重合，最后，经机械强化、清洗、过滤和干燥后得到所需碳纳米管薄膜屏蔽层。
本实施例对碳纳米管采用以下步骤进行纯化：
碳纳米管采用先退火再依次浸泡于煮沸的浓盐酸、浓硝酸和浓盐酸内的方法进行纯化，退火温度控制在260℃，碳纳米管浸泡于煮沸的浓盐酸内的时间为10h，碳纳米管浸泡于煮沸的浓硝酸内的时间为10h，浸泡过程中不断搅拌。
本实施例对碳纳米管采用激光刻蚀，用于形成供金属纳米粒子着落的位点。
本实施例对金属纳米粒子进行表面改性，使其表面具备氨基基团或羟基基团。
本实施例对刻蚀后的碳纳米管进行表面改性，使其表面具备能够与氨基基团或羟基团反应的羧基官能团，进而使得金属纳米粒子和刻蚀后的碳纳米管通过官能团耦合在一起。本实施例还需要对刻蚀后的碳纳米管进行二次改性，使其表面具备能够与偶联剂反应的官能团，进而通过偶联剂将高导电材料接至刻蚀后的碳纳米管上，需要注意的是，为使得高导电材料的接枝位点与金属纳米粒子的着落点不重合，本实施例需要使用封端剂保护在碳纳米管上的羧基官能团，最终得到在刻蚀后的碳纳米管上存在羧基官能团及另外一种能够利用偶联剂连接高导电材料的官能团。
本实施例通过添加偶联剂的方式对碳纳米管进行表面改性，将高导电材料接枝至经过偶联剂改性的碳纳米管上，再进行固化。
本实施例中的碳纳米管可自制或直接购买得到，金属纳米粒子优选金纳米粒子，粒径不大于500nm，高导电材料优选镍。
还可对刻蚀后的碳纳米管先通过偶联剂进行改性，再进行二次表面改性，使其表面具备能够与氨基基团或羟基团反应的羧基官能团。
实施例2
一种高阻燃高屏蔽超六类数据电缆，包括由内至外依次设置的导体、绝缘层、碳纳米管薄膜屏蔽层和包装层，绝缘层采用FEP绝缘材料制成，碳纳米管薄膜屏蔽层采用金属纳米粒子和高导电材料改性碳纳米管制成。
碳纳米管薄膜屏蔽层的制备原料包括以下重量份数的组份：
碳纳米管 25份
金属纳米粒子 0.2份
高导电材料 6份。
碳纳米管薄膜屏蔽层采用以下步骤制备得到：
先制备得到碳纳米管，随后对碳纳米管依次进行纯化和刻蚀，在刻蚀后的碳纳米管上生长金属纳米粒子，干燥后，引入高导电材料，通过化学耦合的方式对碳纳米管进行表面改性，将高导电材料接枝至碳纳米管上，高导电材料的接枝位点与金属纳米粒子的着落点不重合，最后，经机械强化、清洗、过滤和干燥后得到所需碳纳米管薄膜屏蔽层。
本实施例对碳纳米管采用先退火再依次浸泡于煮沸的浓盐酸、浓硝酸和浓盐酸内的方法进行纯化，退火温度控制在265℃，碳纳米管浸泡于煮沸的浓盐酸内的时间为8h，碳纳米管浸泡于煮沸的浓硝酸内的时间为5h，浸泡过程中不断搅拌。
本实施例对碳纳米管采用激光刻蚀，用于形成供金属纳米粒子着落的位点。
金属纳米粒子和刻蚀后的碳纳米管通过官能团耦合在一起，刻蚀后的碳纳米管表面具备至少一种能够与金属纳米粒子上的基团反应的官能团，金属纳米粒子表面具备至少一种能够与刻蚀后的碳纳米管上的官能团反应的基团。高导电材料和刻蚀后的碳纳米管通过官能团耦合在一起，刻蚀后的碳纳米管表面具备至少一种能够与高导电材料上的官能团反应的官能团，高导电材料表面具备至少一种能够与刻蚀后的碳纳米管上的官能团反应的官能团。
本实施例对金属纳米粒子进行表面改性，使其表面具备氨基基团。
本实施例对高导电材料材料进行表面改性，使其表面具备羧基官能团。
本实施例对刻蚀后的碳纳米管进行表面改性，使其表面具备能够与氨基基团反应的羧基官能团，进而使得金属纳米粒子和刻蚀后的碳纳米管通过官能团耦合在一起。本实施例还需要对刻蚀后的碳纳米管进行二次改性，使其表面具备与高导电材料上的羧基官能团反应的羟基官能团，需要注意的是，为使得高导电材料的接枝位点与金属纳米粒子的着落点不重合，本实施例需要使用封端剂保护先在碳纳米管上得到的羧基官能团，最终得到在刻蚀后的碳纳米管上存在羧基官能团及另外一种能够利用羟基官能团连接高导电材料的官能团。
余同实施例1。
实施例3
一种高阻燃高屏蔽超六类数据电缆，包括由内至外依次设置的导体、绝缘层、碳纳米管薄膜屏蔽层和包装层，绝缘层采用FEP绝缘材料制成，碳纳米管薄膜屏蔽层采用金属纳米粒子和高导电材料改性碳纳米管制成。
碳纳米管薄膜屏蔽层的制备原料包括以下重量份数的组份：
碳纳米管 10份
金属纳米粒子 20份
高导电材料 15份
偶联剂 3份。
碳纳米管薄膜屏蔽层采用以下步骤制备得到：
先制备得到碳纳米管，随后对碳纳米管依次进行纯化和刻蚀，在刻蚀后的碳纳米管上生长金属纳米粒子，干燥后，引入高导电材料，通过化学接枝改性、交联、耦合、共聚或添加偶联剂的方式对碳纳米管进行表面改性，将高导电材料接枝至碳纳米管上，高导电材料的接枝位点与金属纳米粒子的着落点不重合，最后，经机械强化、清洗、过滤和干燥后得到所需碳纳米管薄膜屏蔽层。
对碳纳米管采用先退火再依次浸泡于煮沸的浓盐酸、浓硝酸和浓盐酸内的方法进行纯化，退火温度控制在350℃，碳纳米管浸泡于煮沸的浓盐酸内的时间为15h，碳纳米管浸泡于煮沸的浓硝酸内的时间为12h，浸泡过程中不断搅拌。
对碳纳米管采用激光刻蚀，用于形成供金属纳米粒子着落的位点。
金属纳米粒子和刻蚀后的碳纳米管通过官能团耦合在一起，刻蚀后的碳纳米管表面具备至少一种能够与金属纳米粒子上的基团反应的醇羟基官能团，金属纳米粒子表面具备至少一种能够与刻蚀后的碳纳米管上的官能团反应的氨基基团。
高导电材料和刻蚀后的碳纳米管通过官能团耦合在一起，刻蚀后的碳纳米管表面具备至少一种能够与高导电材料上的官能团反应的酚羟基官能团，高导电材料表面具备至少一种能够与刻蚀后的碳纳米管上的官能团反应的醛基官能团。
余同实施例1。
本发明未具体描述对金属纳米粒子、高导电材料及碳纳米管表面改性的步骤，采用现有技术即可，只需要保证上述三种材料之间能够产生本发明所述的连接关系。
本发明未具体描述的工艺步骤或结构采用现有技术即可，在此不做赘述。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种高阻燃高屏蔽超六类数据电缆，其特征在于，包括由内至外依次设置的导体、绝缘层、碳纳米管薄膜屏蔽层和包装层，所述绝缘层采用FEP绝缘材料制成，所述碳纳米管薄膜屏蔽层采用金属纳米粒子和高导电材料改性碳纳米管制成。
2.根据权利要求1所述的一种高阻燃高屏蔽超六类数据电缆，其特征在于，所述碳纳米管薄膜屏蔽层的制备原料包括以下重量份数的组份：
碳纳米管1-25份
金属纳米粒子0.1-30份
高导电材料4-60份
偶联剂0-10份。
3.根据权利要求1所述的一种高阻燃高屏蔽超六类数据电缆，其特征在于，所述碳纳米管薄膜屏蔽层采用以下步骤制备得到：
先制备得到碳纳米管，随后对碳纳米管依次进行纯化和刻蚀，在刻蚀后的碳纳米管上生长金属纳米粒子，干燥后，引入高导电材料，通过化学接枝改性、交联、耦合、共聚或添加偶联剂的方式对碳纳米管进行表面改性，将高导电材料接枝至碳纳米管上，高导电材料的接枝位点与金属纳米粒子的着落点不重合，最后，经机械强化、清洗、过滤和干燥后得到所需碳纳米管薄膜屏蔽层。
4.根据权利要求3所述的一种高阻燃高屏蔽超六类数据电缆，其特征在于，对碳纳米管采用先退火再依次浸泡于煮沸的浓盐酸、浓硝酸和浓盐酸内的方法进行纯化，退火温度控制在240-350℃，碳纳米管浸泡于煮沸的浓盐酸内的时间为8-15h，碳纳米管浸泡于煮沸的浓硝酸内的时间为3-12h，浸泡过程中不断搅拌。
5.根据权利要求3所述的一种高阻燃高屏蔽超六类数据电缆，其特征在于，对碳纳米管采用激光刻蚀，用于形成供金属纳米粒子着落的位点。
6.根据权利要求3所述的一种高阻燃高屏蔽超六类数据电缆，其特征在于，所述金属纳米粒子和刻蚀后的碳纳米管通过官能团耦合在一起，刻蚀后的碳纳米管表面具备至少一种能够与金属纳米粒子上的基团反应的官能团，金属纳米粒子表面具备至少一种能够与刻蚀后的碳纳米管上的官能团反应的基团。
7.根据权利要求3所述的一种高阻燃高屏蔽超六类数据电缆，其特征在于，所述高导电材料和刻蚀后的碳纳米管通过官能团耦合在一起，刻蚀后的碳纳米管表面具备至少一种能够与高导电材料上的官能团反应的官能团，高导电材料表面具备至少一种能够与刻蚀后的碳纳米管上的官能团反应的官能团。
8.根据权利要求3所述的一种高阻燃高屏蔽超六类数据电缆，其特征在于，通过添加偶联剂的方式对碳纳米管进行表面改性，将高导电材料接枝至经过偶联剂改性的碳纳米管上，再进行固化。
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