CN117393215A - 一种用于电力储能系统的耐折弯防水电缆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电力储能系统的耐折弯防水电缆，由外至内包括如下组份：护套层、耐冲击层、防水层、隔热阻温层、绝缘层、金属导体，其中护套层采用聚氯乙烯和改性高岭土相结合的材料制备而成。与现有技术相比，本发明制备的耐折弯防水电缆具有较好拉伸强度、柔韧性和耐折弯性能，同时也具有良好的防水性能，能抗高低温，耐腐蚀，耐磨，适用于电力储能系统等领域。
Description
技术领域
本发明涉及电力输送线缆技术领域，尤其涉及一种用于电力储能系统的耐折弯防水电缆。
背景技术
目前，耐折弯防水电缆的现有技术包括以下几种：聚氯乙烯(PVC)护套电缆，聚氯乙烯护套电缆具有防水、防潮、防腐蚀、耐磨损等特性，但是其柔韧性和耐折弯性能较差，且易老化。因此，在一些特殊环境下，如低温环境下，聚氯乙烯护套电缆的使用效果受到限制。绝缘橡胶电缆具有良好的防水性能和柔韧性，但是其成本相对较高，且其绝缘性能受到温度和湿度等因素的影响。防水绝缘丙烯腈橡胶电缆具有较好的耐高温性能和耐油性能，但是其柔韧性和抗拉强度较差。防水绝缘聚氨酯电缆具有良好的防水性能和耐磨性能，但是其成本较高，且柔韧性较差。综上所述，不同种类的耐折弯防水电缆都有其特点和局限性，需要根据具体的应用环境和要求来选择合适的电缆。
为了改进聚氯乙烯护套电缆的性能，现有技术主要采用了以下改进方法：添加塑化剂、阻燃剂、抗氧化剂、紫外线吸收剂，或者采用共混改性技术，改进聚氯乙烯护套电缆的益处是可以提高电缆的性能和使用效果，从而满足不同领域和应用环境的需求。例如，改进聚氯乙烯电缆的柔韧性和耐折弯性能，可以使其在低温、高湿等环境下使用更加可靠。改善聚氯乙烯电缆的耐老化性能，可以延长电缆的使用寿命。但是，添加特殊添加剂和采用共混改性技术等改进方法可能会增加电缆的成本，同时也可能会影响电缆的力学、耐温和防水性能。因此，需要综合考虑各种因素，采用最合适的改进方法。
发明授权专利CN112331392B公开了一种耐冲击耐氧化防水电缆，所述电缆包括由外至内依次设置的护套层、泡沫陶瓷耐冲击层、防水层、填充层、若干个缆芯单元；所述缆芯单元由外至内依次设置耐氧化层、云母带绝缘层和导体；所述泡沫陶瓷耐冲击层为层状陶瓷材料-磁性氢化碳纳米纤维，所述层状陶瓷材料-磁性氢化碳纳米纤维由层状陶瓷材料和磁性氢化碳纳米纤维制成。该发明提供的耐冲击耐氧化防水电缆既具有陶瓷的特性，在高温下具有低密度、高弹性、高抗氧化性和耐腐蚀性，也具有金属的性能，能够起到高导电性和热传导性能，易加工，热冲击和损伤容限好，增强其断裂韧性、抗冲击性能，提高了抗氧化和耐腐蚀性能。但是该发明制备的耐冲击耐氧化防水电缆制备成本高，电缆的耐折弯性能差、防水性能不理想。
发明内容
有鉴于现有技术中电缆的力学性能和防水性能差、不抗高低温的缺点，本发明所要解决的技术问题是提供一种具有较好力学性能、防水性能好的用于电力储能系统的耐折弯防水电缆。
为了实现上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种用于电力储能系统的耐折弯防水电缆，由外至内包括如下组分：护套层、耐冲击层、防水层、隔热阻温层、绝缘层、金属导体。
所述护套层的制备方法如下：
在高温下，将填充剂加入到硬脂酸中，搅拌，常温冷却，得到相变材料；将聚氯乙烯加入四氢呋喃中，搅拌，得到混合溶液；将相变材料加入到混合溶液中，搅拌，倒入护套模具上，干燥去除四氢呋喃，得到护套层。
优选的，所述护套层的制备方法如下，以重量份计：
在100～120℃，将0.5～2份填充剂加入到4～6份硬脂酸中，100～300rpm搅拌100～140min，常温冷却，得到相变材料；将40～60份聚氯乙烯加入到180～220份四氢呋喃中，100～300rpm搅拌10～30h，得到混合溶液；将相变材料加入到混合溶液中，100～800rpm搅拌1～8h，倒入护套模具上，在60～80℃烘箱中干燥去除四氢呋喃，得到护套层。
所述填充剂为高岭土、改性高岭土、碳酸钙、氧化镁、氧化铝、二氧化钛、滑石粉中的至少一种。
所述改性高岭土的制备方法如下：
S1、将高岭土粉加入到无水乙醇中超声，得到悬浊液；
S2、将2-甲基-3-(三乙氧基甲硅烷基)-1-丙胺加入到无水乙醇中，然后加入冰醋酸，直至pH值为酸性，得到酸性溶液，将酸性溶液滴入步骤S1制备的悬浊液中，搅拌，过滤收集固体，洗涤，干燥，得到预处理高岭土；
S3、将5-[(Z)-十七-8-烯基]间苯二酚加入到羟基二氧化氧代正膦中，抽真空，加热、搅拌反应，常温冷却，收集产物用水洗涤，干燥，得到改性剂；
S4、将步骤S3制备的改性剂加入到甲苯中，配置成改性溶液，加入步骤S2制备的预处理高岭土，搅拌，过滤，干燥，得到改性高岭土。
优选的，所述改性高岭土的制备方法如下，以重量份计：
S1、将20～30份高岭土粉加入到80～120份无水乙醇中超声，得到悬浊液；
S2、将0.5～1份2-甲基-3-(三乙氧基甲硅烷基)-1-丙胺加入到3～5份无水乙醇中，然后加入冰醋酸，直至pH值为3～5，得到酸性溶液，以0.5～2mL/min的恒定流速将酸性溶液滴入步骤S1制备的悬浊液中，100～300rpm搅拌0.5～2h后，200～500目筛过滤收集固体，用水和无水乙醇分别洗涤，60～75℃真空干燥1～3h，得到预处理高岭土；
S3、将80～120份5-[(Z)-十七-8-烯基]间苯二酚加入到180～220份羟基二氧化氧代正膦中，抽真空到0.8～1.5kPa，加热至180～190℃、100～300rpm搅拌反应1～8h，常温冷却，收集产物用水洗涤，60～90℃干燥1～3h，得到改性剂；
S4、将步骤S3制备的改性剂加入到甲苯中，配置成改性溶液，加入步骤S2制备的预处理高岭土，100～300rpm搅拌30～50h，200～500目筛过滤，40～70℃干燥1～3h，得到改性高岭土。
所述步骤S1中超声时间为20～40min，超声温度为60～70℃、超声功率为100～300W、超声频率为50～80kHz。
所述步骤S4中改性溶液的浓度为4～6wt％。
护套层的制备体系中添加未改性高岭土会导致拉伸强度的降低，可能是由于复合配方中高岭土含量的添加，聚氯乙烯交联与未改性高岭土颗粒之间的界面力降低。造成护套层中存在应力弱点，施加的应力，弱点位置会很快断裂。弱点位置断裂后，护套层会集中应力，从而降低护套层材料的抗拉强度。高岭土难以在聚氯乙烯表面均匀吸附，而2-甲基-3-(三乙氧基甲硅烷基)-1-丙胺在高岭土表面接枝，能提高高岭土与聚氯乙烯之间的界面结合力，提高高岭土与聚氯乙烯之间的黏结力。
硬脂酸作为一种相变材料，由于其高渗透特性，可以有效地渗透到聚氯乙烯产生的空间中，并帮助改性高岭土对聚氯乙烯进行填充，达到较高的力学性能。
改性剂中的磷酸基团与高岭土中存在的阳离子发生离子相互作用，能促进改性高岭土与橡胶基质的相互作用更好，减少界面缺陷。此外，改性剂的低聚侧链能使高岭土表面疏水化，从而使填料与橡胶有更好的相容性，而且增强护套层的防水性能。而且改性剂中脂肪族不饱和侧链与橡胶基质的交联也能促进拉伸性能增加和吸水下降。改性高岭土的特殊形状和排列也能增强护套层的热稳定性。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1)本发明耐折弯防水电缆的最外层通过护套层采用聚氯乙烯和改性高岭土相结合的材料制备而成，可以提高电缆的拉伸强度、柔韧性和耐折弯性能，同时也具有良好的防水性能。
2)本发明耐折弯防水电缆通过各层材料采用科学配置能够提高电缆的耐冲击性能、隔热性能和绝缘性能，并提高电缆的安全性。
3)本发明提供一种性能优良、安全可靠的耐折弯防水电缆，适用于电力储能系统等领域。
具体实施方式
主要物质来源：
高岭土粉：粒度：200目。
2-甲基-3-(三乙氧基甲硅烷基)-1-丙胺：英文名称：2-methyl-3-(triethoxysilyl)propan-1-amine，CAS：17961-40-9。
聚氯乙烯：邵阳塑达塑料制品有限公司，货号：70P挤出料。
碳酸钙：粒度：400目。
氧化铝：粒径：300nm。
滑石粉：粒度：600目。
羟基二氧化氧代正膦：深圳爱拓化学有限公司，CAS：14066-19-4。
实施例1
一种用于电力储能系统的耐折弯防水电缆，由外至内包括如下组分：护套层、耐冲击层、防水层、隔热阻温层、绝缘层、金属导体。
所述耐冲击层采用美国杜邦SK612SF阻燃级PBT制备而成。
所述防水层采用德国巴斯夫1185A10FHF聚氨酯制备而成。
所述隔热阻温层采用瑞士EMS L25W40X的PA12制备而成。
所述绝缘层采用美国杜邦MP-501可溶性聚四氟乙烯制备而成。
所述金属导体为铜芯。
所述护套层的制备方法如下：
在110℃，将1g改性高岭土加入到5g硬脂酸中，200rpm搅拌120min，常温冷却，得到相变材料；将50g聚氯乙烯加入到200g四氢呋喃中，200rpm搅拌24h，得到混合溶液；将相变材料加入到混合溶液中，500rpm搅拌5h，倒入护套模具上，在70℃烘箱中干燥去除四氢呋喃，得到护套层。
所述改性高岭土的制备方法如下：
S1、将25g高岭土粉加入到100g无水乙醇中超声30min，超声温度为65℃、超声功率为200W、超声频率为60kHz，得到悬浊液；
S2、将0.8g 2-甲基-3-(三乙氧基甲硅烷基)-1-丙胺加入到4g无水乙醇中，然后加入冰醋酸，直至pH值为4，得到酸性溶液，以1mL/min的恒定流速将酸性溶液滴入步骤S1制备的悬浊液中，200rpm搅拌1h后，400目筛过滤收集固体，用水和无水乙醇分别洗涤，70℃真空干燥2h，得到预处理高岭土；
S3、将100g5-[(Z)-十七-8-烯基]间苯二酚加入到200g羟基二氧化氧代正膦中，抽真空到1kPa，加热至185℃、200rpm搅拌反应5h，常温冷却，收集产物用水洗涤，80℃干燥2h，得到改性剂；
S4、将步骤S3制备的改性剂加入到甲苯中，配置成5wt％的改性溶液，加入步骤S2制备的预处理高岭土，200rpm搅拌48h，400目筛过滤，60℃干燥2h，得到改性高岭土。
实施例2
一种用于电力储能系统的耐折弯防水电缆的制备方法与实施例1基本相同，唯一区别仅仅在于：所述护套层的制备方法不一致。
所述护套层的制备方法如下：
在110℃，将1g高岭土粉加入到5g硬脂酸中，200rpm搅拌120min，常温冷却，得到相变材料；将50g聚氯乙烯加入到200g四氢呋喃中，200rpm搅拌24h，得到混合溶液；将相变材料加入到混合溶液中，500rpm搅拌5h，倒入护套模具上，在70℃烘箱中干燥去除四氢呋喃，得到护套层。
实施例3
一种用于电力储能系统的耐折弯防水电缆的制备方法与实施例1基本相同，唯一区别仅仅在于：所述护套层的制备方法不一致。
所述护套层的制备方法如下：
在110℃，将1g碳酸钙加入到5g硬脂酸中，200rpm搅拌120min，常温冷却，得到相变材料；将50g聚氯乙烯加入到200g四氢呋喃中，200rpm搅拌24h，得到混合溶液；将相变材料加入到混合溶液中，500rpm搅拌5h，倒入护套模具上，在70℃烘箱中干燥去除四氢呋喃，得到护套层。
实施例4
一种用于电力储能系统的耐折弯防水电缆的制备方法与实施例1基本相同，唯一区别仅仅在于：所述护套层的制备方法不一致。
所述护套层的制备方法如下：
在110℃，将1g氧化铝加入到5g硬脂酸中，200rpm搅拌120min，常温冷却，得到相变材料；将50g聚氯乙烯加入到200g四氢呋喃中，200rpm搅拌24h，得到混合溶液；将相变材料加入到混合溶液中，500rpm搅拌5h，倒入护套模具上，在70℃烘箱中干燥去除四氢呋喃，得到护套层。
实施例5
一种用于电力储能系统的耐折弯防水电缆的制备方法与实施例1基本相同，唯一区别仅仅在于：所述护套层的制备方法不一致。
所述护套层的制备方法如下：
在110℃，将1g滑石粉加入到5g硬脂酸中，200rpm搅拌120min，常温冷却，得到相变材料；将50g聚氯乙烯加入到200g四氢呋喃中，200rpm搅拌24h，得到混合溶液；将相变材料加入到混合溶液中，500rpm搅拌5h，倒入护套模具上，在70℃烘箱中干燥去除四氢呋喃，得到护套层。
对比例1
一种用于电力储能系统的耐折弯防水电缆的制备方法与实施例1基本相同，唯一区别仅仅在于：所述护套层的制备方法不一致。
所述护套层的制备方法如下：
将50g聚氯乙烯加入到200g四氢呋喃中，200rpm搅拌24h，得到混合溶液；将相变材料加入到混合溶液中，500rpm搅拌5h，倒入护套模具上，在70℃烘箱中干燥去除四氢呋喃，得到护套层。
测试例1
力学性能测试
拉伸性能参照GB/T1040-2006《塑料拉伸性能的测定》的测试标准，将步骤4制备的电缆料加工成1BA型样条在Instron869型电子万能试验机上进行测试，拉伸速度为5mm/min。每个样品测试5组，最终结果取平均值。
弯曲性能测定在室温下参照GB/T9341-2008《塑料弯曲性能的测定》标准对本发明制备的护套层进行弯曲性能测试，用注塑机在将护套层破碎注塑成标准样条，试样尺寸为50.0mm×25.0mm×2.0mm±0.2mm，弯曲压头下降速度为2mm/min，弯曲弹性模量的测试速度为10mm/min。取五次测试结果的平均值为最终值。
简支梁冲击强度测试：样品的冲击强度在室温下按照GB/T1843-2008《塑料悬臂梁冲击强度的测定》标准开缺口进行测试，摆锤冲击角度为-150°对每种性能的测试结果取五次测试的平均值为最终值。
测试结果见表1。
表1：力学性能测试结果
测试例2
防水性能测试
吸水率参照GB/T 1034-2008《塑料吸水性的测定》测试，将本发明制备的护套层按照标准加工成测试样品，在23℃、相对湿度50％环境下干燥2h开始试验。在23℃水中进行吸水量的测定，浸泡时间为24h，吸水率按照以下公式进行计算：
M＝(m1-m0)m0×100％
式中：m1——浸泡24h时样品的质量，g；
m0——试样未浸泡之前的原始质量，g；
M——样品浸泡24h的吸水率，％。
每组测试三次，取平均值，测试结果见表2。
表2：防水性能测试结果
| 试验方案 | 24h吸水率(％) |
| 实施例1 | 0.56 |
| 实施例2 | 0.85 |
| 实施例3 | 0.87 |
| 实施例4 | 0.89 |
| 实施例5 | 0.91 |
| 对比例1 | 1.33 |
从测试例1～2的测试结果可以看出，实施例1的力学和防水性能最好，可能原因在于本发明实施例1的护套层是将改性高岭土加入到硬脂酸中高温搅拌，常温冷却，得到相变材料；将聚氯乙烯加入到四氢呋喃中搅拌，得到混合溶液，将相变材料加入到混合溶液中搅拌，套模干燥，得到护套层。其中所述改性高岭土是将高岭土粉加入到无水乙醇中超声，得到悬浊液；将2-甲基-3-(三乙氧基甲硅烷基)-1-丙胺加入到无水乙醇中，然后加入冰醋酸，得到酸性溶液，将酸性溶液滴入悬浊液中搅拌，过滤，洗涤，干燥，得到预处理高岭土；将5-[(Z)-十七-8-烯基]间苯二酚加入到羟基二氧化氧代正膦中，真空加热，搅拌反应，常温冷却，洗涤，干燥，得到改性剂；将改性剂加入到甲苯中，配置成改性溶液，加入预处理高岭土搅拌，过滤，干燥，得到改性高岭土。
实施例2中护套层的制备体系中添加未改性高岭土会导致拉伸强度比实施例1降低，可能是由于复合配方中高岭土含量的添加，聚氯乙烯交联与未改性高岭土颗粒之间的界面力降低。造成护套层中存在应力弱点，施加的应力，弱点位置会很快断裂。弱点位置断裂后，护套层会集中应力，从而降低护套层材料的抗拉强度。高岭土难以在聚氯乙烯表面均匀吸附，而2-甲基-3-(三乙氧基甲硅烷基)-1-丙胺在高岭土表面接枝，能提高高岭土与聚氯乙烯之间的界面结合力，提高高岭土与聚氯乙烯之间的黏结力。
硬脂酸作为一种相变材料，由于其高渗透特性，可以有效地渗透到聚氯乙烯产生的空间中，并帮助改性高岭土对聚氯乙烯进行填充，达到较高的力学性能。
改性剂中的磷酸基团与高岭土中存在的阳离子发生离子相互作用，能促进改性高岭土与橡胶基质的相互作用更好，减少界面缺陷。此外，改性剂的低聚侧链能使高岭土表面疏水化，从而使填料与橡胶有更好的相容性，而且增强护套层的防水性能。而且改性剂中脂肪族不饱和侧链与橡胶基质的交联也能促进拉伸性能增加和吸水下降。改性高岭土的特殊形状和排列也能增强护套层的热稳定性。
Claims (8)
1.一种用于电力储能系统的耐折弯防水电缆，其特征在于，由外至内包括如下组分：护套层、耐冲击层、防水层、隔热阻温层、绝缘层、金属导体。
2.如权利要求1所述的一种用于电力储能系统的耐折弯防水电缆，其特征在于，所述护套层的制备方法如下：
在高温下，将填充剂加入到硬脂酸中，搅拌，常温冷却，得到相变材料；将聚氯乙烯加入四氢呋喃中，搅拌，得到混合溶液；将相变材料加入到混合溶液中，搅拌，倒入护套模具上，干燥去除四氢呋喃，得到护套层。
3.如权利要求2所述的一种用于电力储能系统的耐折弯防水电缆，其特征在于，所述护套层的制备方法如下，以重量份计：
在100～120℃，将0.5～2份填充剂加入到4～6份硬脂酸中，100～300rpm搅拌100～140min，常温冷却，得到相变材料；将40～60份聚氯乙烯加入到180～220份四氢呋喃中，100～300rpm搅拌10～30h，得到混合溶液；将相变材料加入到混合溶液中，100～800rpm搅拌1～8h，倒入护套模具上，在60～80℃烘箱中干燥去除四氢呋喃，得到护套层。
4.如权利要求3所述的一种用于电力储能系统的耐折弯防水电缆，其特征在于，所述填充剂为高岭土、改性高岭土、碳酸钙、氧化镁、氧化铝、二氧化钛、滑石粉中的至少一种。
5.如权利要求4所述的一种用于电力储能系统的耐折弯防水电缆，其特征在于，所述改性高岭土的制备方法如下：
S1、将高岭土粉加入到无水乙醇中超声，得到悬浊液；
S2、将2-甲基-3-(三乙氧基甲硅烷基)-1-丙胺加入到无水乙醇中，然后加入冰醋酸，直至pH值为酸性，得到酸性溶液，将酸性溶液滴入步骤S1制备的悬浊液中，搅拌，过滤收集固体，洗涤，干燥，得到预处理高岭土；
S3、将5-[(Z)-十七-8-烯基]间苯二酚加入到羟基二氧化氧代正膦中，抽真空，加热、搅拌反应，常温冷却，收集产物用水洗涤，干燥，得到改性剂；
S4、将步骤S3制备的改性剂加入到甲苯中，配置成改性溶液，加入步骤S2制备的预处理高岭土，搅拌，过滤，干燥，得到改性高岭土。
6.如权利要求5所述的一种用于电力储能系统的耐折弯防水电缆，其特征在于，所述改性高岭土的制备方法如下，以重量份计：
S1、将20～30份高岭土粉加入到80～120份无水乙醇中超声，得到悬浊液；
S2、将0.5～1份2-甲基-3-(三乙氧基甲硅烷基)-1-丙胺加入到3～5份无水乙醇中，然后加入冰醋酸，直至pH值为3～5，得到酸性溶液，以0.5～2mL/min的恒定流速将酸性溶液滴入步骤S1制备的悬浊液中，100～300rpm搅拌0.5～2h后，200～500目筛过滤收集固体，用水和无水乙醇分别洗涤，60～75℃真空干燥1～3h，得到预处理高岭土；
S3、将80～120份5-[(Z)-十七-8-烯基]间苯二酚加入到180～220份羟基二氧化氧代正膦中，抽真空到0.8～1.5kPa，加热至180～190℃、100～300rpm搅拌反应1～8h，常温冷却，收集产物用水洗涤，60～90℃干燥1～3h，得到改性剂；
S4、将步骤S3制备的改性剂加入到甲苯中，配置成改性溶液，加入步骤S2制备的预处理高岭土，100～300rpm搅拌30～50h，200～500目筛过滤，40～70℃干燥1～3h，得到改性高岭土。
7.如权利要求5或6所述的一种用于电力储能系统的耐折弯防水电缆，其特征在于，所述步骤S1中超声时间为20～40min，超声温度为60～70℃、超声功率为100～300W、超声频率为50～80kHz。
8.如权利要求5或6所述的一种用于电力储能系统的耐折弯防水电缆，其特征在于，所述步骤S4中改性溶液的浓度为4～6wt％。
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