CN114898929B - 一种光电复合电缆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光电复合电缆，由内而外依次包括功能组件、绝缘层及外护套；功能组件，包括光纤组、绕光纤组绞合的1‑3根动力线、1‑2根控制线组及包覆在外表面的纤维捆束；绝缘层，包覆在功能组件外侧，采用交联聚偏氟乙烯材料制成；外护套，包覆在绝缘层外侧，采用导热硅橡胶材料制成。外护套采用甲基乙烯基硅橡胶、片层导热填料、微米氧化铝微球和硫化剂塑炼后，挤出成型，硫化得到。片层导热填料采用如下工艺制取：将氧化石墨烯加入乙醇水溶液中搅拌，加入3‑氨丙基三乙氧基硅烷超声处理，加入饱和氨水继续超声处理，搅拌状态下向其中加入正硅酸乙酯，抽滤，洗涤，真空干燥，氮气保护热还原，降至室温得到片层导热填料。
Description
技术领域
本发明涉及复合电缆技术领域，尤其涉及一种光电复合电缆。
背景技术
光电复合电缆是将金属导线和光纤有机的结合起来，同时、同路、同走向传输电能与光信息的一体化传输介质，实现了电力流、业务流、信息流的一体化融合。通过一次架设、一次施工、一次投入，在传输高压电能的同时传输语音、数据、视频等信息，大大缩短了工期，减少施工成本，节约资源，为智能电网建设奠定坚实的基础。
光电复合电缆是将光纤单元与金属导线有机结合一体化传输介质。其金属导线部分除了能保证正常的电能传输，满足一般电力电缆对温度、拉力的要求之外，因其具备足够的机械强度，还能为光纤提供可靠的机械支撑，有效克服光纤的脆性和微弯损耗增加的特性，承受安装、使用时所遭受的外力，确保其稳定性和可靠性，满足在野外工作时气候和环境的变化。光电复合电缆中的光纤作为一种高速、双向、实时、集成的通信系统，是实现智能电网的基础，它为智能电网的数据获取、保护和控制、用户与电网互动信息的传输以及智能化决策的信息交互提供功能强大的通道，其功能完善和高效是其他通信方式无可比拟的。
而目前光电复合电缆的使用过程中易出现散热性差、抗拉性能较弱的问题，电缆极容易发生损坏，严重影响信号传输的稳定性。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种光电复合电缆。
一种光电复合电缆，由内而外依次包括功能组件、绝缘层及外护套；功能组件，包括光纤组、绕光纤组绞合的1-3根动力线、1-2根控制线组及包覆在外表面的纤维捆束；绝缘层，包覆在功能组件外侧，采用交联聚偏氟乙烯材料制成；外护套，包覆在绝缘层外侧，采用导热硅橡胶材料制成。
优选地，纤维捆束为正反交叉各4-12股纤维绳。
优选地，正向纤维绳与电缆径向的夹角为30-45°。
优选地，外护套采用甲基乙烯基硅橡胶、片层导热填料、微米氧化铝微球和硫化剂塑炼后，挤出成型，硫化得到。
优选地，甲基乙烯基硅橡胶、片层导热填料、微米氧化铝微球、硫化剂的质量比为100：0.1-0.5：10-20：1-2。
优选地，硫化剂为2，5-二甲基-2，5-双(叔丁基过氧基)己烷。
优选地，微米氧化铝微球的粒径为10-200μm。
优选地，外护套采用如下具体操作制得：将甲基乙烯基硅橡胶、片层导热填料、微米氧化铝微球、硫化剂塑炼1-3min，然后挤出，挤出温度为140-160℃，挤出压强为4-8MPa，冷却1-5min，180-200℃干燥1-2h。
本发明外护套采用片层导热填料与微米氧化铝微球复配形成连通的导热网络，片层导热填料填充在微米氧化铝间，起到导热桥梁的作用，大大提高了导热网络互联度，再添加至硅橡胶基体内部形成微纳多级杂化导热网络，实现导热性能的提高，并成功保持体系电绝缘特性。
其中片层导热填料与微米氧化铝微球的质量比大于5：100时，反而使得导热效果开始降低，这是由于当片层导热填料与微米氧化铝微球的质量比小于等于5：100时，更易搭接在微米氧化铝微球之间进行导热桥接。
优选地，片层导热填料采用如下工艺制取：将氧化石墨烯加入乙醇水溶液中搅拌10-30min，加入3-氨丙基三乙氧基硅烷超声处理1-2h，超声频率为5-15kHz，超声功率为300-500W，加入饱和氨水继续超声处理10-30min，搅拌状态下向其中加入正硅酸乙酯，继续搅拌5-10h，抽滤，洗涤，真空干燥，氮气保护下送入管式炉中热还原1-2h，降至室温得到片层导热填料。
石墨烯基材料由于具有独特的纳米结构，优异的导热性能以及较低的制备成本，被认为是制备热界面材料的理想填料。但是由于它具有高导电性，还不能广泛应用在热界面材料领域中。
本发明将氧化石墨烯高速搅拌促使其片层结构剥离，然后采用3-氨丙基三乙氧基硅烷对其片层结构修饰，由于烷基链对溶胶凝胶过程的影响，阻碍缩聚反应发生，使氧化石墨烯片层上得到硅氧硅网络的笼状结构产物，经过管式炉热还原，SiOx的硅氧硅网络笼状结构与石墨烯基体的界面结合作用极高，解决了目前二氧化硅包覆出现脱落及包覆不均的问题，本发明在达到在降低石墨烯电传导能力的基础上，有效降低界面热阻，极大的提高了石墨烯的导热性能。
优选地，氧化石墨烯、3-氨丙基三乙氧基硅烷、饱和氨水、正硅酸乙酯的质量比为2-6：0.1-0.5：1-5：1-2。
本发明的技术效果如下所示：
本发明采用纤维捆束将光纤组、绕光纤组绞合的动力线、控制线组捆扎形成功能组件，绕光纤组绞合的动力线组和控制线组可促使光纤组处于伸直状态，减少弯曲带来的光损失，而且保证通信容量和传输距离，并通过将绝缘层与外护套相互配合，使结构更加稳定，抗拉性能好，而且具有极好的散热性能，可将功能组件产生的热量快速传递出去，保证光电电缆工作的正常运行。
附图说明
图1为实施例5所得光电复合电缆的径向结构示意图。
图2为实施例5和对比例1-2所得外护套的拉伸性能对比图。
图3为实施例5和对比例1-2所得外护套的击穿强度和体积电阻率对比图。
图4为实施例5和对比例1-2所得外护套的导热系数对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
实施例1
一种光电复合电缆，由内而外依次包括功能组件、绝缘层及外护套；
功能组件，包括光纤组、绕光纤组绞合的1根动力线、2根控制线组及包覆在外表面的纤维捆束；纤维捆束为正反交叉各4股纤维绳，其中正向纤维绳与电缆径向的夹角为30°；
绝缘层，包覆在功能组件外侧，采用交联聚偏氟乙烯材料制成；
外护套，包覆在绝缘层外侧，采用导热硅橡胶材料制成。
外护套采用如下具体操作制得：将100kg甲基乙烯基硅橡胶、0.1kg片层导热填料、10kg粒径为10-200μm的微米氧化铝微球、1kg2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基)己烷加入至炼胶机中塑炼1min，然后送入挤出机中进行挤出，挤出温度为140℃，挤出压强为4MPa，冷却1min，再置于温度为180℃的鼓风干燥箱中干燥1h。
片层导热填料采用如下工艺制取：将2kg氧化石墨烯加入10kg质量分数为50％乙醇水溶液中高速搅拌10min，搅拌速度为1000r/min，加入0.1kg 3-氨丙基三乙氧基硅烷超声处理1h，超声频率为5kHz，超声功率为300W，加入1kg饱和氨水继续超声处理10min，高速搅拌状态下向其中加入1kg正硅酸乙酯，搅拌速度为1000r/min，然后调节转速为100r/min，继续搅拌5h，抽滤，采用乙醇洗涤1次，真空干燥，氮气保护下送入管式炉中热还原1h，降至室温得到片层导热填料。
实施例2
一种光电复合电缆，由内而外依次包括功能组件、绝缘层及外护套；
功能组件，包括光纤组、绕光纤组绞合的3根动力线、1根控制线组及包覆在外表面的纤维捆束；纤维捆束为正反交叉各8股纤维绳，其中正向纤维绳与电缆径向的夹角为35°；
绝缘层，包覆在功能组件外侧，采用交联聚偏氟乙烯材料制成；
外护套，包覆在绝缘层外侧，采用导热硅橡胶材料制成。
外护套采用如下具体操作制得：将100kg甲基乙烯基硅橡胶、0.5kg片层导热填料、20kg粒径为10-200μm的微米氧化铝微球、2kg2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基)己烷加入至炼胶机中塑炼3min，然后送入挤出机中进行挤出，挤出温度为160℃，挤出压强为8MPa，冷却5min，再置于温度为200℃的鼓风干燥箱中干燥2h。
片层导热填料采用如下工艺制取：将6kg氧化石墨烯加入30kg质量分数为70％乙醇水溶液中高速搅拌30min，搅拌速度为2000r/min，加入0.5kg 3-氨丙基三乙氧基硅烷超声处理2h，超声频率为15kHz，超声功率为500W，加入5kg饱和氨水继续超声处理30min，高速搅拌状态下向其中加入2kg正硅酸乙酯，搅拌速度为4000r/min，然后调节转速为500r/min，继续搅拌10h，抽滤，采用乙醇洗涤2次，真空干燥，氮气保护下送入管式炉中热还原2h，降至室温得到片层导热填料。
实施例3
一种光电复合电缆，由内而外依次包括功能组件、绝缘层及外护套；
功能组件，包括光纤组、绕光纤组绞合的3根动力线、2根控制线组及包覆在外表面的纤维捆束；纤维捆束为正反交叉各12股纤维绳，其中正向纤维绳与电缆径向的夹角为45°；
绝缘层，包覆在功能组件外侧，采用交联聚偏氟乙烯材料制成；
外护套，包覆在绝缘层外侧，采用导热硅橡胶材料制成。
外护套采用如下具体操作制得：将100kg甲基乙烯基硅橡胶、0.2kg片层导热填料、18kg粒径为10-200μm的微米氧化铝微球、1.3kg2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基)己烷加入至炼胶机中塑炼2.5min，然后送入挤出机中进行挤出，挤出温度为145℃，挤出压强为7MPa，冷却2min，再置于温度为195℃的鼓风干燥箱中干燥1.3h。
片层导热填料采用如下工艺制取：将5kg氧化石墨烯加入15kg质量分数为65％乙醇水溶液中高速搅拌15min，搅拌速度为1700r/min，加入0.2kg 3-氨丙基三乙氧基硅烷超声处理1.7h，超声频率为8kHz，超声功率为450W，加入2kg饱和氨水继续超声处理25min，高速搅拌状态下向其中加入1.3kg正硅酸乙酯，搅拌速度为3000r/min，然后调节转速为200r/min，继续搅拌8h，抽滤，采用乙醇洗涤3次，真空干燥，氮气保护下送入管式炉中热还原1.3h，降至室温得到片层导热填料。
实施例4
一种光电复合电缆，由内而外依次包括功能组件、绝缘层及外护套；
功能组件，包括光纤组、绕光纤组绞合的3根动力线、2根控制线组及包覆在外表面的纤维捆束；纤维捆束为正反交叉各12股纤维绳，其中正向纤维绳与电缆径向的夹角为45°；
绝缘层，包覆在功能组件外侧，采用交联聚偏氟乙烯材料制成；
外护套，包覆在绝缘层外侧，采用导热硅橡胶材料制成。
外护套采用如下具体操作制得：将100kg甲基乙烯基硅橡胶、0.4kg片层导热填料、12kg粒径为10-200μm的微米氧化铝微球、1.7kg2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基)己烷加入至炼胶机中塑炼1.5min，然后送入挤出机中进行挤出，挤出温度为155℃，挤出压强为5MPa，冷却4min，再置于温度为185℃的鼓风干燥箱中干燥1.7h。
片层导热填料采用如下工艺制取：将3kg氧化石墨烯加入25kg质量分数为55％乙醇水溶液中高速搅拌25min，搅拌速度为1300r/min，加入0.4kg 3-氨丙基三乙氧基硅烷超声处理1.3h，超声频率为12kHz，超声功率为350W，加入4kg饱和氨水继续超声处理15min，高速搅拌状态下向其中加入1.7kg正硅酸乙酯，搅拌速度为2000r/min，然后调节转速为400r/min，继续搅拌6h，抽滤，采用乙醇洗涤3次，真空干燥，氮气保护下送入管式炉中热还原1.7h，降至室温得到片层导热填料。
实施例5
如图1所示，一种光电复合电缆，由内而外依次包括功能组件100、绝缘层200及外护套300。
功能组件100，包括光纤组101、绕光纤组101绞合的3根动力线102、2根控制线组103及包覆在外表面的纤维捆束104；纤维捆束为正反交叉各12股纤维绳，其中正向纤维绳与电缆径向的夹角为45°。
绝缘层200，包覆在功能组件100外侧，采用交联聚偏氟乙烯材料制成。外护套300，包覆在绝缘层200外侧，采用导热硅橡胶材料制成。
外护套300采用如下具体操作制得：将100kg甲基乙烯基硅橡胶、0.3kg片层导热填料、15kg粒径为10-200μm的微米氧化铝微球、1.5kg2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基)己烷加入至炼胶机中塑炼2min，然后送入挤出机中进行挤出，挤出温度为150℃，挤出压强为6MPa，冷却3min，再置于温度为190℃的鼓风干燥箱中干燥1.5h。
片层导热填料采用如下工艺制取：将4kg氧化石墨烯加入20kg质量分数为60％乙醇水溶液中高速搅拌20min，搅拌速度为1500r/min，加入0.3kg 3-氨丙基三乙氧基硅烷超声处理1.5h，超声频率为10kHz，超声功率为400W，加入3kg饱和氨水继续超声处理20min，高速搅拌状态下向其中加入1.5kg正硅酸乙酯，搅拌速度为2500r/min，然后调节转速为300r/min，继续搅拌7h，抽滤，采用乙醇洗涤3次，真空干燥，氮气保护下送入管式炉中热还原1.5h，降至室温得到片层导热填料。
对比例1
一种光电复合电缆，由内而外依次包括功能组件、绝缘层及外护套。
功能组件，包括光纤组、绕光纤组绞合的3根动力线、2根控制线组及包覆在外表面的纤维捆束；纤维捆束为正反交叉各12股纤维绳，其中正向纤维绳与电缆径向的夹角为45°。
绝缘层，包覆在功能组件外侧，采用交联聚偏氟乙烯材料制成。外护套，包覆在绝缘层外侧，采用导热硅橡胶材料制成。
外护套采用如下具体操作制得：将100kg甲基乙烯基硅橡胶、1kg片层导热填料、15kg粒径为10-200μm的微米氧化铝微球、1.5kg 2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基)己烷加入至炼胶机中塑炼2min，然后送入挤出机中进行挤出，挤出温度为150℃，挤出压强为6MPa，冷却3min，再置于温度为190℃的鼓风干燥箱中干燥1.5h。
片层导热填料采用如下工艺制取：将4kg氧化石墨烯加入20kg质量分数为60％乙醇水溶液中高速搅拌20min，搅拌速度为1500r/min，加入0.3kg 3-氨丙基三乙氧基硅烷超声处理1.5h，超声频率为10kHz，超声功率为400W，加入3kg饱和氨水继续超声处理20min，高速搅拌状态下向其中加入1.5kg正硅酸乙酯，搅拌速度为2500r/min，然后调节转速为300r/min，继续搅拌7h，抽滤，采用乙醇洗涤3次，真空干燥，氮气保护下送入管式炉中热还原1.5h，降至室温得到片层导热填料。
对比例2
一种光电复合电缆，由内而外依次包括功能组件、绝缘层及外护套。
功能组件，包括光纤组、绕光纤组绞合的3根动力线、2根控制线组及包覆在外表面的纤维捆束；纤维捆束为正反交叉各12股纤维绳，其中正向纤维绳与电缆径向的夹角为45°。
绝缘层，包覆在功能组件外侧，采用交联聚偏氟乙烯材料制成。外护套，包覆在绝缘层外侧，采用导热硅橡胶材料制成。
外护套采用如下具体操作制得：将100kg甲基乙烯基硅橡胶、15kg粒径为10-200μm的微米氧化铝微球、1.5kg 2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基)己烷加入至炼胶机中塑炼2min，然后送入挤出机中进行挤出，挤出温度为150℃，挤出压强为6MPa，冷却3min，再置于温度为190℃的鼓风干燥箱中干燥1.5h。
参照《GB/T 2951.11-2008电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法第11部分：通用试验方法——厚度和外形尺寸测量——机械性能试验》对实施例5和对比例1-2所得外护套的拉伸性能进行测试，拉伸速率为25mm/min。
如图2所示，实施例5和对比例1-2所得外护套的拉伸性能相近，实施例5所得外护套仅略优于对比例。
本申请人认为：这是由于本发明外护套采用片层导热填料与微米氧化铝微球复配，并限定两者质量比为2：100，添加至硅橡胶基体中，由于片层导热填料与微米氧化铝微球是刚性粒子，当外护套受到外力拉伸时，二者对外护套起到增强的作用，使外护套的拉伸强度和断裂伸长率变大。
参照《GB/T 1408-2006绝缘材料电气强度试验方法》，采用ZJC-50KV型电压击穿试验仪对实施例5和对比例1-2所得外护套的击穿强度进行测试，升压速率为0.5KV/s，各组试样厚1mm。参照《GB/T 1410-2006固体绝缘材料体积电阻率和表面电阻率试验方法》，采用ZST-121型表面体积电阻率测试仪对实施例5和对比例1-2所得外护套进行体积电阻率测试，各组试样厚2mm。
如图3所示，实施例5所得外护套的击穿强度和体积电阻率均优于对比例。
本申请人认为：这是由于本发明外护套采用片层导热填料与微米氧化铝微球复配，添加至硅橡胶基体内部形成微纳多级杂化导热网络，成功保持体系电绝缘特性。
采用TC3000型导热系数仪，采用瞬态热线法测量实施例5和对比例1-2所得外护套的导热系数。
如图4所示，实施例5所得外护套的导热系数最高，说明实施例5所得外护套的散热效果最好。
本申请人认为：这是由于本发明将氧化石墨烯高速搅拌促使其片层结构剥离，然后采用3-氨丙基三乙氧基硅烷对其片层结构修饰，由于烷基链对溶胶凝胶过程的影响，阻碍缩聚反应发生，使氧化石墨烯片层上得到硅氧硅网络的笼状结构产物，经过管式炉热还原，SiOx的硅氧硅网络笼状结构与石墨烯基体的界面结合作用极高，解决了目前二氧化硅包覆出现脱落及包覆不均的问题，本发明在达到在降低石墨烯电传导能力的基础上，有效降低界面热阻，极大的提高了石墨烯的导热性能。而本发明外护套采用片层导热填料与微米氧化铝微球复配形成连通的导热网络，片层导热填料填充在微米氧化铝间，尤其是两者质量比达到2：100时，起到导热桥梁的作用，大大提高了导热网络互联度。
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。
Claims (6)
1.一种光电复合电缆，其特征在于，由内而外依次包括功能组件、绝缘层及外护套；
功能组件，包括光纤组、绕光纤组绞合的1-3根动力线、1-2根控制线组及包覆在外表面的纤维捆束；
绝缘层，包覆在功能组件外侧，采用交联聚偏氟乙烯材料制成；
外护套，包覆在绝缘层外侧，采用导热硅橡胶材料制成；
外护套采用甲基乙烯基硅橡胶、片层导热填料、微米氧化铝微球和硫化剂塑炼后，挤出成型，硫化得到；
甲基乙烯基硅橡胶、片层导热填料、微米氧化铝微球、硫化剂的质量比为100：0.1-0.5：10-20：1-2；
微米氧化铝微球的粒径为10-200μm；
片层导热填料采用如下工艺制取：将氧化石墨烯加入乙醇水溶液中搅拌10-30min，加入3-氨丙基三乙氧基硅烷超声处理1-2h，超声频率为5-15kHz，超声功率为300-500W，加入饱和氨水继续超声处理10-30min，搅拌状态下向其中加入正硅酸乙酯，继续搅拌5-10h，抽滤，洗涤，真空干燥，氮气保护下送入管式炉中热还原1-2h，降至室温得到片层导热填料。
2.根据权利要求1所述光电复合电缆，其特征在于，纤维捆束为正反交叉各4-12股纤维绳。
3.根据权利要求2所述光电复合电缆，其特征在于，正向纤维绳与电缆径向的夹角为30-45°。
4.根据权利要求1所述光电复合电缆，其特征在于，硫化剂为2，5-二甲基-2，5-双(叔丁基过氧基)己烷。
5.根据权利要求1所述光电复合电缆，其特征在于，外护套采用如下具体操作制得：将甲基乙烯基硅橡胶、片层导热填料、微米氧化铝微球、硫化剂塑炼1-3min，然后挤出，挤出温度为140-160℃，挤出压强为4-8MPa，冷却1-5min，180-200℃干燥1-2h。
6.根据权利要求1所述光电复合电缆，其特征在于，氧化石墨烯、3-氨丙基三乙氧基硅烷、饱和氨水、正硅酸乙酯的质量比为2-6：0.1-0.5：1-5：1-2。
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