CN116230308A

CN116230308A - 一种阻燃性高压电缆

Info

Publication number: CN116230308A
Application number: CN202310499358.2A
Authority: CN
Inventors: 杨海峰; 李腾; 赵子更
Original assignee: Zhongqi Cable Co ltd
Current assignee: Zhongqi Cable Co ltd
Priority date: 2023-05-06
Filing date: 2023-05-06
Publication date: 2023-06-06
Anticipated expiration: 2043-05-06
Also published as: CN116230308B

Abstract

本发明涉及导电、绝缘或介电材料技术领域，具体的，涉及一种阻燃性高压电缆。电缆包括导电内芯以及包覆导电内芯的绝缘层，绝缘层原料包括聚合物、阻燃剂、分散剂以及堆叠石墨烯。绝缘层中含有起到绝缘作用的聚合物，并添加了阻燃剂以提高绝缘层的阻燃效果；特别的，还添加了分散剂以提高阻燃剂在聚合物中的分散效果，进一步提高其阻燃性；此外，绝缘层中还含有石墨烯，提高了绝缘层的散热性能，以降低电缆由于内因而引发火灾发生的概率，通过上述技术方案制备的电缆不仅具有良好的阻燃效果，并且电缆绝缘层同时具有良好的导热效果，解决了现有技术中内因引起的电缆火灾产生的技术问题。

Description

一种阻燃性高压电缆

技术领域

本发明涉及导电、绝缘或介电材料技术领域，具体的，涉及一种阻燃性高压电缆。

背景技术

电力供应已成为世界经济高速发展不可缺少的一部分，而电线电缆作为电力供应的载体遍及各行各业。高压电缆是电力电缆的一种，是指用于传输1kv-1000kv之间的电力电缆，多应用于电力传输和分配。一般情况下，在高压电力电缆投入到实际的使用中后，由于会受到多方面因素的影响，时间久了就会出现电缆损坏情况的发生。由于电线电缆使用的高分子绝缘材料是可燃性材料，在电能传输过程中，电缆燃烧可能由内因（电缆发热、短路等）或者外因（火灾等）引起，对生命财产造成损害。所以提高高压电缆绝缘层的阻燃效果，是目前亟待解决的问题。

现有技术中，已有相关耐火阻燃电缆投入使用，耐火阻燃电缆是在发生火灾时，能够保持电路的完整性，保证关键应急系统安全正常运行的电缆。常用于大型商场、医院、办公场所、车站、机场、民用住宅等建筑的火灾报警系统、烟雾探测系统、应急照明电源系统、公共广播系统等。它通常由钢丝芯和布置在在线芯外的阻燃护套组成，然而目前市售的阻燃电缆，仅能够起到对抗外因的阻燃效果，却忽视了内因引起的电缆起火现象。

发明内容

本发明提出一种阻燃性高压电缆，不仅具有良好的阻燃效果，并且电缆绝缘层同时具有良好的导热效果，减少了内因引起的电缆火灾产生。

本发明的技术方案如下：一种阻燃性高压电缆，包括导电内芯以及包覆所述导电内芯的绝缘层，所述绝缘层原料包括按重量计的下列组分：

聚合物100-200份，阻燃剂25-50份，分散剂5-10份，以及堆叠石墨烯3-10份，其中：

所述聚合物包括低密度聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的其中一种或多种混合物；

所述阻燃剂包括氢氧化铝、氢氧化镁，碳酸钙的其中一种或多种混合物；

所述堆叠石墨烯包括至少两层石墨烯结构，所述石墨烯结构之间具有偏角，所述偏角为1-2°；

所述分散剂包括γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷的其中一种或多种混合物。

参考图1，阻燃剂在聚合物中不能很好的分散，经常出现团聚现象，不利于阻燃剂发挥作用。加入分散剂后，其与聚合物反应的有机活性基团和与无机填料形成牢固化学键的亲水性基团分别连接在聚合物与阻燃剂之间，将两种性质差别很大的材料以化学键“偶联”起来。并且分散剂提高了聚合物的表面张力，从而促使聚合物在阻燃剂处均匀的展开，提高了阻燃剂的分散效果。

绝缘层为保持其一定的绝缘性以及阻燃性能，往往厚度较高，会导致由内因引起电缆燃烧。石墨烯具有良好的导热性，石墨烯的导热系数能达到5000W/(m·k)以上，强于一般金属，石墨烯加入聚合物之后，能够极大提高聚合物的散热性能，避免电缆因内因起火。此外，单层石墨烯本身具有导电性，不适宜使用于绝缘体中，而堆叠的石墨烯在施加一定电压的情况下为绝缘体，从而保留石墨烯散热性的同时不影响绝缘层的绝缘能力。

所述绝缘层还包括改性水滑石1-5份；所述改性水滑石粒径范围为2-5nm。

当绝缘层起火时，水滑石失去其中的层间水，吸收大量热量，然后随着温度的升高，水滑石去羟基化，并释放二氧化碳，稀释氧气，达到阻燃效果。当温度进一步升高时，羧基被完全去除，形成镁铝混合氧化物。混合氧化物是一种很好的耐火材料，使得绝缘层的耐火性能进一步提高。

优选的，所述阻燃剂为30-35份，所述分散剂为7-8份。

优选的，所述堆叠石墨烯为6-8份。

优选的，所述分散剂为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷。

优选的，所述堆叠石墨烯粒径为8-9nm。

所述改性水滑石的制备步骤如下：

S1.将水滑石于400-450℃下煅烧7-10h，得到一级水滑石；

S2.将1份所述一级水滑石加入200份浓度为0.01-0.02mol/L的十八烯酸钠水溶液中，并加入碱溶液将所述水溶液pH调节至9-10，反应3-6h之后离心分离，得到二级水滑石；

S3.将所述二级水滑石在75-85℃下干燥24h，得到所述改性水滑石。

通过对水滑石进行改性，能够提高水滑石的机械强度，使水滑石在聚合物中的分散性能更好。

优选的，S1中，将水滑石于430-435℃下煅烧8-8.5h，得到一级水滑石。

所述绝缘层原料还包括抑烟剂，所述抑烟剂包括三氧化钼、八钼酸胺、钼酸钙、磷钼酸钙、钼酸锌的其中一种或多种混合物。

所述绝缘层厚度为5-10mm，优选的，所述绝缘层厚度为7.5-8mm。

本发明的工作原理及有益效果为：

本发明中，高压电缆包括导电内芯以及包覆所述导电内芯的绝缘层，绝缘层中含有起到绝缘作用的聚合物，并添加了阻燃剂以提高绝缘层的阻燃效果；特别的，还添加了分散剂以提高阻燃剂在聚合物中的分散效果，进一步提高其阻燃性；此外，绝缘层中还含有石墨烯，提高了绝缘层的散热性能，以降低电缆由于内因而引发火灾发生的概率，

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明中，分散剂的加入使得聚合物中阻燃剂能够均匀分散的示意图；

图2为实施例1-3以及对比例1-3的力学性能、绝缘性能和阻燃性能测试结果示意表；

图3为实施例1以及对比例2、4的热导率测试结果示意表；

图4为实施例4-5以及对比例5的阻燃性能测试结果示意表；

图5为实施例6-11的热导率测试结果示意表；

图6 为实施例1与实施例12-13的比光密度测试结果示意表。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都涉及本发明保护的范围。

本申请的各实施例中所用的原料，除下述特殊说明之外，其他均为市售。

实施例1：

一种阻燃性高压电缆，包括导电内芯以及包覆所述导电内芯的绝缘层，所述绝缘层原料包括按重量计的下列组分：

聚合物100份，阻燃剂25份，分散剂5份，以及堆叠石墨烯3份，其中：

所述聚合物为低密度聚乙烯；

所述阻燃剂为氢氧化铝、氢氧化镁、碳酸钙的混合物，质量比为1:1:1；

所述堆叠石墨烯包括至少两层石墨烯结构，所述石墨烯结构之间具有偏角，所述偏角为1.06°；

所述分散剂为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷。

实施例2：

聚合物200份，阻燃剂50份，分散剂10份，以及堆叠石墨烯10份，其中：

所述聚合物包括乙烯-醋酸乙烯酯共聚物；

所述分散剂为N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷。

实施例3：

聚合物150份，阻燃剂35份，分散剂7份，以及堆叠石墨烯6份，其中：

所述聚合物包括低密度聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的其中一种或多种混合物，质量比为1:1；

所述阻燃剂包括氢氧化铝、氢氧化镁、碳酸钙的混合物，质量比为1:1:1；

所述分散剂包括γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷的混合物，质量比为1:1。

对比例1：

在本对比例中，与实施例1不同之处在于，绝缘层原料不包括阻燃剂；

对比例2：

在本对比例中，与实施例1不同之处在于，绝缘层原料不包括分散剂；

对比例3：

在本对比例中，与实施例1不同之处在于，堆叠石墨烯替换为普通石墨烯；

测试实施例1-3以及对比例1-3的力学性能、绝缘性能和阻燃性能测试，结果如图2所示，其中：

拉伸强度：用于表征材料最大均匀塑性变形的抗力，试样在拉伸过程中，材料经过屈服阶段后进入强化阶段后随着横向截面尺寸明显缩小在拉断时所承受的最大力（Fb），除以试样原横截面积（So）所得的应力（σ），称为抗拉强度或者强度极限（σb），单位为N/mm²（MPa），计算公式为：

σ=Fb/So

式中：Fb--试样拉断时所承受的最大力，N（牛顿）； So--试样原始横截面积，mm²。

断裂伸长率：指纤维受外力作用至拉断时，拉伸后的伸长长度与拉伸前长度的比值称断裂伸长率，用e表示，单位为%。用于表征纤维柔软性能和弹性性能的指标。断裂伸长率越大表示其柔软性能和弹性越好。计算公式为：

e=(La-L0)/L0

式中：e--断裂伸长率，%；L0--试样原来长，mm；La--试样拉断时的长度，mm。

在拉伸强度与断裂伸长率测试中，待测试电缆的绝缘层厚度均为7.5mm，

氧指数：指在规定的条件下，材料在氧氮混合气流中进行有焰燃烧所需的最低氧浓度。以氧所占的体积百分数的数值来表示。氧指数高表示材料不易燃烧，氧指数低表示材料容易燃烧。在所规定的试验条件下在室温下材料在O₂、N₂混合气体中刚好维持发焰燃烧时的最小氧浓度以体积的百分率表示。其氧指数越高表明阻燃性能越好。试验时，将试样竖直地固定在玻璃燃烧筒中，其底座与可产生氮氧混合气流的装置相连。点燃试样的顶端，混合气流中的氧浓度将会持续下降，直至火焰熄灭。

在氧指数测试中，将待测试绝缘层切割成立方体，规格为100mm*10mm*4mm。

电阻率：用来表示各种物质电阻特性的物理量。在温度一定的情况下，材料的电阻为：

R=ρL/S

式中：ρ--电阻率，Ω·m；L材料的长度，m；S，材料的横截面积，mm²。

在电阻率测试中，测试温度为20℃。

由图2测试结果可知，阻燃剂、分散剂以及堆叠石墨烯的加入，并不会影响电缆的力学性能以及绝缘性能。特别的，对比实施例1以及对比例3，加入堆叠石墨烯未发现绝缘层的绝缘性能有明显的下降，然而加入普通石墨烯会使得绝缘层的绝缘性能有明显的下降，表明堆叠石墨烯具有可靠的绝缘效果。

此外，实施例3中的绝缘层具有最高的氧指数，表明其阻燃效果最佳。

对比例4：

本对比例中，与实施例1不同之处在于，绝缘层原料不使用堆叠石墨烯

测试实施例1以及对比例2、4的热导率，结果如图3所示，其中：

热导率：指当温度垂直向下梯度为1℃/m时，单位时间内通过单位水平截面积所传递的热量。当用于测量绝缘层导热性能时，其具体定义为：在绝缘层内部垂直于导热方向取两个相距1米，面积为1平方米的平行平面，若两个平面的温度相差1K，则在1秒内从一个平面传导至另一个平面的热量就规定为该物质的热导率，其单位为瓦特·米^-1·开^-1。计算公式为：

E/t=λA（θ2-θ1）/ι

式中：E--在时间t内所传递的能量，J；A--截面积，m²；ι--长度，m；θ1、θ2--分别为两个截面的温度，K；

图3中，能够看出，当绝缘层中包含了堆叠石墨烯之后，其导热性能明显升高，说明加入堆叠石墨烯之后，高压电缆的散热性能更好，减少了内因引起的电缆火灾问题。

此外，对比实施例1与对比例2，能够看出，未添加分散剂时，会使得堆叠石墨烯的加入提高绝缘层导热效果的能力下降，表明了分散剂的存在也能够一定程度上提高堆叠石墨烯在绝缘层中的分散效果。

实施例4：

本实施例中，与实施例1不同之处在于，所述绝缘层还包括改性水滑石1份；所述改性水滑石粒径范围为2nm。

实施例5：

本实施例中，与实施例1不同之处在于，所述绝缘层还包括改性水滑石5份；所述改性水滑石粒径范围为5nm。

对比例5：

本对比例中，与实施例4不同之处在于，绝缘层原料不包括分散剂。

测试实施例4-5以及对比例5的阻燃性能，结果如图4所示，能够发现，加入水滑石之后，可以进一步提高绝缘层的阻燃性能，并且对比实施例4与对比例5，能够看出，未添加分散剂，也影响了水滑石加入后的阻燃效果，表明分散剂也能够一定程度上分散水滑石，提高其对绝缘层阻燃效果的提升程度。

实施例6-11：

与实施例1不同之处在于，所述堆叠石墨烯粒径分别为7、7.5、8、8.5、9、9.5，分别对应于实施例6-11。

测试实施例6-11的热导率，结果如图5所示，能够发现，当堆叠石墨烯粒径为8.5nm时，其对绝缘层导热性能提升的效果最好，在堆叠石墨烯粒径为8-9nm范围内，绝缘层均能获得较佳的导热性能提升效果。

实施例12：

在本实施例中，与实施例1不同之处在于，所述绝缘层原料还包括抑烟剂，所述抑烟剂为三氧化钼。

实施例13：

在本实施例中，与实施例1不同之处在于，所述绝缘层原料还包括抑烟剂，所述抑烟剂为三氧化钼、八钼酸胺、钼酸钙多种混合物，质量比为1:1:1。

测试实施例1与实施例12-13的比光密度，结果如图6所示，其中：

比光密度：也称为烟密度，单位为Ds，用于表示材料或部件在规定的试验条件下产烟浓度的光学特性，烟密度越大的材料，对火灾时疏散人员和灭火越为不利。其测试方法参考中国国家标准GB/T 10671-2008《固体材料产烟的比光密度试验方法》。比光密度是单位面积（A）试样产生的烟扩散在单位容积(V)中通过单位光路长度（L）的光密度（D）。计算公式为：

Ds=V/AL·D

式中，A--透光面积，m²；L--光路长度，m；D--光密度，无量纲；V--烟扩散体积，m³；

图6中，加入抑烟剂之后，能够有效的降低绝缘层燃烧时产生的烟密度。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种阻燃性高压电缆，其特征在于，包括导电内芯以及包覆所述导电内芯的绝缘层，所述绝缘层原料包括按重量计的下列组分：

2.根据权利要求1所述的阻燃性高压电缆，其特征在于，所述绝缘层还包括改性水滑石1-5份；所述改性水滑石粒径范围为2-5nm。

3.根据权利要求1所述的阻燃性高压电缆，其特征在于，所述阻燃剂为30-35份，所述分散剂为7-8份。

4.根据权利要求1所述的阻燃性高压电缆，其特征在于，所述堆叠石墨烯为6-8份。

5.根据权利要求1所述的阻燃性高压电缆，其特征在于，所述分散剂为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷。

6.根据权利要求1所述的阻燃性高压电缆，其特征在于，所述堆叠石墨烯粒径为8-9nm。

7.根据权利要求2所述的阻燃性高压电缆，其特征在于，所述改性水滑石的制备步骤如下：

S1.将水滑石于400-450℃下煅烧7-10h，得到一级水滑石；

8. 根据权利要求7所述的阻燃性高压电缆，其特征在于， S1中，将水滑石于430-435℃下煅烧8-8.5h，得到一级水滑石。

9.根据权利要求1所述的阻燃性高压电缆，其特征在于，所述绝缘层原料还包括抑烟剂，所述抑烟剂包括三氧化钼、八钼酸胺、钼酸钙、磷钼酸钙、钼酸锌的其中一种或多种混合物。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的阻燃性高压电缆的制备方法，其特征在于，使用绝缘层环向包覆导电内芯，其中所述绝缘层厚度为5-10mm。