CN117153470A - 一种防水抗老化光伏电缆及其制备方法 - Google Patents

一种防水抗老化光伏电缆及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光伏电缆技术领域，具体是一种防水抗老化光伏电缆及其制备方法，采用脂肪二胺共价改性氧化石墨烯得到氨基化石墨烯，通过超声辅助浸渍法负载于玻璃纤维表面，得到氨基化玻璃纤维；然后采用原位聚合机理，以三氯氧磷、4,4‑二氨基二苯甲烷为原料，三乙胺为催化剂和缚酸剂，制备支化玻璃纤维；在具有形状记忆的环氧树脂基底层中引入支化玻璃纤维，基于环氧树脂的形状记忆效应与支化玻璃纤维中氨基化氧化石墨烯的光热效应，选用聚二甲基硅氧烷提高涂料的疏水性，从而赋予光伏电缆持久的耐水性及抗老化性，从而大幅延长光伏电缆的使用寿命。

Description

一种防水抗老化光伏电缆及其制备方法
技术领域
本发明涉及光伏电缆技术领域，具体是一种防水抗老化光伏电缆及其制备方法。
背景技术
现代社会中，工业生产和人类活动都离不开电，而电缆在电力系统中起到输送电能的作用，因此电缆对社会发展具有重要贡献，同时随着社会的发展，光伏发电的应用呈现多领域、多样化发展，光伏电站向多场景应用转移，比如海上光伏、浅滩光伏等，此类情况下对光伏电缆的耐水性、耐老化性均提出了更高要求。
而市场现有的防水电缆大多是阻水带绕包复合聚乙烯护套制备而成，存在防水、防潮效果不佳，难以在水上光伏发电的应用场景中长效阻止水分向内部渗透，同时长期处于潮湿盐雾环境，会更易氧化，从而降低光伏电缆的使用寿命，甚至造成设备故障，产生安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种防水抗老化光伏电缆及其制备方法，以解决现有技术中的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种防水抗老化光伏电缆的制备方法，包括以下步骤：
S1：将聚丙烯、聚己内酰胺、支化玻璃纤维共混挤出，得到防水层；
S2：用支化玻璃纤维、缩水甘油醚、聚醚胺、聚二甲基硅氧烷、胺固化剂制备保护涂料；
S3：将线芯外表面依次包裹防水层、金属层、抗穿刺层、铠装层、防水层，将保护涂料涂覆在防水层表面，固化，得到保护层套，得到一种防水抗老化光伏电缆。
进一步的，金属层为直径0.1-0.4mm的铜丝编织形成的铜丝编织层。
进一步的，抗穿刺层为玻璃纤维层。
进一步的，铠装层为不锈钢钢丝缠包而成。
进一步的，以质量份数计，防水层的组成为：聚丙烯23-35份、聚己内酰胺12-15份、支化玻璃纤维16-22份。
进一步的，支化玻璃纤维的制备包括以下步骤：
(1)将氧化石墨烯、三氯化铋、N,N-二甲基甲酰胺混合，超声搅拌50-60min，加入1,12-二氨基十二烷，在30-40℃保温22-24h，通过聚四氟乙烯滤纸过滤，用无水乙醇醇洗、过滤、干燥，得到氨基化石墨烯；
(2)用丙酮将玻璃纤维洗净、干燥、剪碎，得到纯化玻璃纤维；将氨基化石墨烯与无水乙醇混合，超声20-30min，放入纯化玻璃纤维，超声分散5min，干燥，得到氨基化玻璃纤维；
(3)将氨基化玻璃纤维、乙腈混合，超声分散0.5-1h，在氮气气氛下，在0-5℃冰浴下加入三乙胺、4,4-二氨基二苯甲烷的混合液，加入乙腈和三氯氧磷的混合液，继续保温0.5-1h，升温至45-50℃保温22-24h，抽滤、洗涤、干燥，得到支化玻璃纤维。
进一步的，纯化玻璃纤维的尺寸为0.1-0.3mm。
进一步的，氨基化玻璃纤维、4,4-二氨基二苯甲烷、三氯氧磷的质量比为5：3.17：1.81。
进一步的，保护涂料的制备包括以下步骤：将双酚A二缩水甘油醚升温至65℃保温20-30min，加入支化玻璃纤维与N,N-二甲基甲酰胺的混合液，加入聚醚胺、聚二甲基硅氧烷、胺固化剂、N,N-二甲基甲酰胺的混合液，搅拌1-2h，得到保护涂料。
进一步的，双酚A二缩水甘油醚、支化玻璃纤维、聚二甲基硅氧烷的质量比为43：5：6。
本发明的有益效果：
本发明提供一种防水抗老化光伏电缆及其制备方法，通过原料限定及工艺设计，用聚丙烯、聚己内酰胺、支化玻璃纤维制备阻燃防水层，在防水层表面构建超疏水、自修复表面，提高光伏电缆的耐机械损伤性、抗老化性，提高光伏电缆的使用寿命。
聚己内酰胺具有力学强度高、电气性能良好、耐磨、抗震吸音、耐油、加工流动性好等优点，但是因为酰胺键的存在，具有较强的吸水性；选用价格低廉、吸水率低的聚丙烯与聚己内酰胺共混作为防水层基料，但是聚己内酰胺与聚丙烯直接共混存在相容性问题，本发明中通过添加支化玻璃纤维来提高聚己内酰胺与聚丙烯的相容性，同时提高防水层的阻燃性。
本发明中采用1,12-二氨基十二烷共价改性氧化石墨烯得到氨基化石墨烯，通过超声辅助浸渍法将其负载于玻璃纤维表面，得到氨基化玻璃纤维；然后采用原位聚合机理，以三氯氧磷、4,4-二氨基二苯甲烷为原料，三乙胺为催化剂和缚酸剂，制备支化玻璃纤维；
使氧化石墨烯氨基化，然后均匀负载在玻璃纤维表面，提高玻璃纤维的反应活性及使氧化石墨烯可以均匀分散，使其在燃烧过程中能促进材料形成致密且连续的炭层，隔绝与外界热量传递、气体交换，有效地提高防水层的残炭量和阻燃性能；在支化玻璃纤维中，氨基化氧化石墨烯协助支链上的阻燃元素N、P，在赋予支化玻璃纤维高阻燃性的同时，与基体材料间形成反应性界面提高其相容性，从而改善聚己内酰胺与聚丙烯的界面相容性；且支化玻璃纤维中的支化结构，使玻璃纤维持久牢固的附着在防水层中，达到持久抗老化、阻燃、防水的效果。
针对光伏电缆在高湿高盐等环境下极易发生腐蚀等问题，及目前环氧树脂涂料物理损伤修复时间长等问题，本发明通过在具有形状记忆的环氧树脂中引入支化玻璃纤维，基于环氧树脂的形状记忆效应与支化玻璃纤维中氨基化氧化石墨烯的光热效应，支化玻璃纤维中氨基化氧化石墨烯及玻璃纤维的引入，能有效提高保护涂料的抗老化性，选用聚二甲基硅氧烷提高涂料的疏水性，同时支化玻璃纤维中多活性位点与保护涂料中的环氧树脂交联，大幅提高保护涂料中交联网络的复杂度，使支化玻璃纤维牢固的附着在保护涂料中，从而赋予光伏电缆持久的耐水性及抗老化性，从而大幅延长光伏电缆的使用寿命。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示诸如上、下、左、右、前、后……，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态如各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明，应当理解，以下实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：一种防水抗老化光伏电缆的制备方法，包括以下步骤：
S1：将聚丙烯、聚己内酰胺、支化玻璃纤维共混挤出，得到防水层；
以质量份数计，防水层的组成为：聚丙烯23份、聚己内酰胺12份、改性玻璃纤维16份；
支化玻璃纤维的制备包括以下步骤：
(1)将1g氧化石墨烯、0.1g三氯化铋、50mLN,N-二甲基甲酰胺混合，超声搅拌50min，加入0.05g1,12-二氨基十二烷，在25℃保温24h，通过聚四氟乙烯滤纸过滤，用无水乙醇醇洗、过滤、干燥，得到氨基化石墨烯；
(2)用丙酮将玻璃纤维洗净、干燥，得到纯化玻璃纤维；将0.03g氨基化石墨烯与100mL无水乙醇混合，超声20min，放入1g纯化玻璃纤维，以1000W功率超声分散3min，干燥，得到氨基化玻璃纤维；
(3)将5g氨基化玻璃纤维、80mL乙腈混合，超声分散0.5h，在氮气气氛下，在0℃冰浴下加入5.42g三乙胺、3.17g4,4-二氨基二苯甲烷的混合液，加入4mL乙腈和1.81g三氯氧磷的混合液，继续保温0.5h，升温至45℃保温24h，抽滤、洗涤、干燥，得到支化玻璃纤维；
S2：保护涂料的制备包括以下步骤：将4.3g双酚A二缩水甘油醚升温至65℃保温20min，加入0.5g支化玻璃纤维与30mLN,N-二甲基甲酰胺的混合液，加入1.1g聚醚胺、0.6g聚二甲基硅氧烷、5g胺固化剂、20mLN,N-二甲基甲酰胺的混合液，搅拌1h，得到保护涂料；
S3：将线芯外表面依次包裹防水层、金属层、抗穿刺层、铠装层、防水层，将保护涂料涂覆在防水层表面，固化，得到保护层套，得到一种防水抗老化光伏电缆；
所述金属层为直径0.1mm的铜丝编织形成的铜丝编织层；所述抗穿刺层为玻璃纤维层；所述铠装层为不锈钢钢丝缠包而成。
实施例2：一种防水抗老化光伏电缆的制备方法，包括以下步骤：
S1：将聚丙烯、聚己内酰胺、支化玻璃纤维共混挤出，得到防水层；
以质量份数计，防水层的组成为：聚丙烯27份、聚己内酰胺13份、改性玻璃纤维19份；
支化玻璃纤维的制备包括以下步骤：
(1)将1g氧化石墨烯、0.1g三氯化铋、50mLN,N-二甲基甲酰胺混合，超声搅拌55min，加入0.05g1,12-二氨基十二烷，在35℃保温23h，通过聚四氟乙烯滤纸过滤，用无水乙醇醇洗、过滤，干燥，得到氨基化石墨烯；
(2)用丙酮将玻璃纤维洗净、干燥，得到纯化玻璃纤维；将0.03g氨基化石墨烯与100mL无水乙醇混合，超声25min，放入1g纯化玻璃纤维，以900W功率超声分散4min，干燥，得到氨基化玻璃纤维；
(3)将5g氨基化玻璃纤维、80mL乙腈混合，超声分散0.8h，在氮气气氛下，在2℃冰浴下加入5.42g三乙胺、3.17g4,4-二氨基二苯甲烷的混合液，加入4mL乙腈和1.81g三氯氧磷的混合液，继续保温0.8h，升温至48℃保温23h，抽滤、洗涤、干燥，得到支化玻璃纤维；
S2：保护涂料的制备包括以下步骤：将4.3g双酚A二缩水甘油醚升温至65℃保温25min，加入0.5g支化玻璃纤维与30mLN,N-二甲基甲酰胺的混合液，加入1.1g聚醚胺、0.6g聚二甲基硅氧烷、5g胺固化剂、20mLN,N-二甲基甲酰胺的混合液，搅拌1.5h，得到保护涂料；
S3：将线芯外表面依次包裹防水层、金属层、抗穿刺层、铠装层、防水层，将保护涂料涂覆在防水层表面，固化，得到保护层套，得到一种防水抗老化光伏电缆；
所述金属层为直径0.3mm的铜丝编织形成的铜丝编织层；所述抗穿刺层为玻璃纤维层；所述铠装层为不锈钢钢丝缠包而成。
实施例3：一种防水抗老化光伏电缆的制备方法，包括以下步骤：
S1：将聚丙烯、聚己内酰胺、支化玻璃纤维共混挤出，得到防水层；
以质量份数计，防水层的组成为：聚丙烯35份、聚己内酰胺15份、改性玻璃纤维22份；
支化玻璃纤维的制备包括以下步骤：
(1)将1g氧化石墨烯、0.1g三氯化铋、50mLN,N-二甲基甲酰胺混合，超声搅拌60min，加入0.05g1,12-二氨基十二烷的混合液，在40℃保温22h，通过聚四氟乙烯滤纸过滤，用无水乙醇醇洗、过滤、干燥，得到氨基化石墨烯；
(2)用丙酮将玻璃纤维洗净、干燥，得到纯化玻璃纤维；将0.03g氨基化石墨烯与100mL无水乙醇混合，超声30min，放入1g纯化玻璃纤维，以800W功率超声分散5min，干燥，得到氨基化玻璃纤维；
(3)将5g氨基化玻璃纤维、80mL乙腈混合，超声分散1h，在氮气气氛下，在5℃冰浴下加入5.42g三乙胺、3.17g4,4-二氨基二苯甲烷的混合液，加入4mL乙腈和1.81g三氯氧磷的混合液，继续保温1h，升温至50℃保温22h，抽滤、洗涤、干燥，得到支化玻璃纤维；
S2：保护涂料的制备包括以下步骤：将4.3g双酚A二缩水甘油醚升温至65℃保温30min，加入0.5g支化玻璃纤维与30mLN,N-二甲基甲酰胺的混合液，加入1.1g聚醚胺、0.6g聚二甲基硅氧烷、5g胺固化剂、20mLN,N-二甲基甲酰胺的混合液，搅拌2h，得到保护涂料；
S3：将线芯外表面依次包裹防水层、金属层、抗穿刺层、铠装层、防水层，将保护涂料涂覆在防水层表面，固化，得到保护层套，得到一种防水抗老化光伏电缆；
所述金属层为直径0.4mm的铜丝编织形成的铜丝编织层；所述抗穿刺层为玻璃纤维层；所述铠装层为不锈钢钢丝缠包而成。
对比例1：以实施例3为对照组，用氨基化玻璃纤维替换支化玻璃纤维，其他工艺正常。
对比例2：以实施例3为对照组，用玻璃纤维替换支化玻璃纤维，其他工艺正常。
对比例3：以实施例3为对照组，保护涂料中没有加入支化玻璃纤维，其他工艺正常。
实施例与对比例中所用氧化石墨烯的制备包括以下步骤：
将140mL浓硫酸、4g天然石墨混合，加入12g高锰酸钾，在0℃搅拌2h，升温至45℃搅拌1h，加入400mL超纯水，升温至70℃搅拌1h，加入质量浓度为30％的过氧化氢至无气泡产生，冷却至25℃后离心过滤，依次用盐酸、超纯水洗涤至上清液呈中性，干燥，得到氧化石墨烯。
实施例与对比例中线芯为铜芯，纯化玻璃纤维的尺寸为0.1mm，金属层、抗穿刺层、铠装层、防水层的厚度为4mm，保护涂料形成的涂层为300μm。
原料来源：
聚丙烯0012：东莞市樟木头鸿基塑化商行；聚己内酰胺A038544：郑州汇聚化工有限公司；石墨S26651：上海源叶生物科技有限公司；三氯化铋B434111、N,N-二甲基甲酰胺D111999、1,12-二氨基十二烷D106441、三乙胺T103285、4,4-二氨基二苯甲烷D108780、三氯氧磷P475214、双酚A二缩水甘油醚B131786、聚醚胺P108072、胺固化剂P304226、聚二甲基硅氧烷H431357：阿拉丁试剂；不锈钢钢丝(316不锈钢丝，直径为2mm)：江阴祥瑞不锈钢精线公司；玻璃纤维布EW250F(0.25mm)：中材科技股份有限公司；硫酸、高锰酸钾、无水乙醇、丙酮、乙腈、盐酸、氢氧化钠、氨水、乙酸乙酯，分析纯：国药集团试剂。
性能测试：将实施例1-3、对比例1-3所制得的保护层套进行性能测试：
简支梁缺口冲击强度：参考GB/T 1043.1-2008中的A型缺口侧向冲击进行测试，使用模塑方法制成标准A型缺口冲击试样，取同一个模腔位置的样条，测定样品的剩余宽度bN和厚度h；工作温度为23℃、湿度50％；将样品放置在冲击试验仪的跨距为62mm的支座中间，缺口背面正对摆锤的冲击刃，测量并记录试样被冲击破坏过程中吸收的能量E；
阻燃性：参考GB/T2408-2008中垂直燃烧测试阻燃等级进行测试，将试样裁剪成长100mm、宽50mm的试样；
疏水性：用接触角测试仪测量水接触角，测试液体为4μL水滴；
抗老化性：在紫外老化试验箱中进行，在340nm的紫外光照射下，将样品放置在离光源20cm(500W/m2，340nm)的旋转样品架上，照射72h，再次测量水接触角，将试样裁剪成长100mm、宽50mm的试样；
自修复性：表面划出长200μm，深200μm的划痕，在25℃，在600nm波长的可见光照射2h，用电子显微镜观察划痕长度，并记录自修复率；
耐盐性：测试温度为25℃，将防护层套放入4g/L氯化钠溶液中浸泡一个月，观察表面是否起泡、破损；测定结果如下表1；
表1
本发明提供一种防水抗老化光伏电缆及其制备方法，通过原料限定及工艺设计，用聚丙烯、聚己内酰胺、支化玻璃纤维制备阻燃防水层，在防水层表面构建超疏水、自修复表面，提高光伏电缆的耐机械损伤性、抗老化性，提高光伏电缆的使用寿命。
用实施例3与对比例1、对比例2进行对比，本发明中采用1,12-二氨基十二烷共价改性氧化石墨烯得到氨基化石墨烯，通过超声辅助浸渍法将其负载于玻璃纤维表面，得到氨基化玻璃纤维；然后采用原位聚合机理，以三氯氧磷、4,4-二氨基二苯甲烷为原料，三乙胺为催化剂和缚酸剂，制备支化玻璃纤维；使氧化石墨烯氨基化，然后均匀负载在玻璃纤维表面，提高玻璃纤维的反应活性及使氧化石墨烯可以均匀分散，使其在燃烧过程中能促进材料形成致密且连续的炭层，隔绝与外界热量传递、气体交换，有效地提高防水层的残炭量和阻燃性能；在支化玻璃纤维中，氨基化氧化石墨烯协助支链上的阻燃元素N、P，在赋予支化玻璃纤维高阻燃性的同时，与基体材料间形成反应性界面提高其相容性，从而改善聚己内酰胺与聚丙烯的界面相容性；且支化玻璃纤维中的支化结构，使玻璃纤维持久牢固的附着在防水层中，达到持久抗老化、阻燃、防水的效果。
用实施例3与对比例3进行对比，针对光伏电缆在高湿高盐等环境下极易发生腐蚀等问题，及目前环氧树脂涂料物理损伤修复时间长等问题，本发明通过在具有形状记忆的环氧树脂中引入支化玻璃纤维，基于环氧树脂的形状记忆效应与支化玻璃纤维中氨基化氧化石墨烯的光热效应，支化玻璃纤维中氨基化氧化石墨烯及玻璃纤维的引入，能有效提高保护涂料的抗老化性，选用聚二甲基硅氧烷提高涂料的疏水性，同时支化玻璃纤维中多活性位点与保护涂料中的环氧树脂交联，大幅提高保护涂料中交联网络的复杂度，使支化玻璃纤维牢固的附着在保护涂料中，从而赋予光伏电缆持久的耐水性及抗老化性，从而大幅延长光伏电缆的使用寿命。
以上所述仅为本发明的为实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书所做的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种防水抗老化光伏电缆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将聚丙烯、聚己内酰胺、支化玻璃纤维共混挤出，得到防水层；
S2：用支化玻璃纤维、缩水甘油醚、聚醚胺、聚二甲基硅氧烷、胺固化剂制备保护涂料；
S3：将线芯外表面依次包裹防水层、金属层、抗穿刺层、铠装层、防水层，将保护涂料涂覆在防水层表面，固化，得到保护层套，得到一种防水抗老化光伏电缆。
2.根据权利要求1所述的一种防水抗老化光伏电缆的制备方法，其特征在于，所述金属层为直径0.1-0.4mm的铜丝编织形成的铜丝编织层。
3.根据权利要求1所述的一种防水抗老化光伏电缆的制备方法，所述抗穿刺层为玻璃纤维层。
4.根据权利要求1所述的一种防水抗老化光伏电缆的制备方法，其特征在于，所述铠装层为不锈钢钢丝缠包而成。
5.根据权利要求1所述的一种防水抗老化光伏电缆的制备方法，其特征在于，以质量份数计，防水层的组成为：聚丙烯23-35份、聚己内酰胺12-15份、支化玻璃纤维16-22份。
6.根据权利要求1所述的一种防水抗老化光伏电缆的制备方法，其特征在于，支化玻璃纤维的制备包括以下步骤：
(1)将氧化石墨烯、三氯化铋、N,N-二甲基甲酰胺混合，超声搅拌50-60min，加入1,12-二氨基十二烷，在30-40℃保温22-24h，通过聚四氟乙烯滤纸过滤，用无水乙醇醇洗、过滤、干燥，得到氨基化石墨烯；
(2)用丙酮将玻璃纤维洗净、干燥、剪碎，得到纯化玻璃纤维；将氨基化石墨烯与无水乙醇混合，超声搅拌20-30min，放入纯化玻璃纤维，超声分散3-5min，干燥，得到氨基化玻璃纤维；
(3)将氨基化玻璃纤维、乙腈混合，超声分散0.5-1h，在氮气气氛下，在0-5℃冰浴中加入三乙胺、4,4-二氨基二苯甲烷的混合液，加入乙腈和三氯氧磷的混合液，继续保温0.5-1h，升温至45-50℃保温22-24h，抽滤、洗涤、干燥，得到支化玻璃纤维。
7.根据权利要求6所述的一种防水抗老化光伏电缆的制备方法，其特征在于，氨基化玻璃纤维、4,4-二氨基二苯甲烷、三氯氧磷的质量比为5：3.17：1.81。
8.根据权利要求1所述的一种防水抗老化光伏电缆的制备方法，其特征在于，保护涂料的制备包括以下步骤：将双酚A二缩水甘油醚升温至65℃保温20-30min，加入支化玻璃纤维与N,N-二甲基甲酰胺的混合液，加入聚醚胺、聚二甲基硅氧烷、胺固化剂、N,N-二甲基甲酰胺的混合液，搅拌1-2h，得到保护涂料。
9.根据权利要求8所述的一种防水抗老化光伏电缆的制备方法，其特征在于，双酚A二缩水甘油醚、支化玻璃纤维、聚二甲基硅氧烷的质量比为43：5：6。
10.一种防水抗老化光伏电缆，其特征在于，根据权利要求1-9中任一项所述制备方法制备得到。
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