專利名稱：一種納米智能控溫電纜材料及制備方法
技術領域：
本發明涉及一種電纜材料，特別是一種通電后，當溫度升至一定值后，能自動停止加溫，溫度低于一定值時，又會自動升溫的納米智能控溫電纜材料。
背景技術：
電纜是電力系統用于輸送和分配電能及作為各種電氣設備間的連接之用。城市的地下電網，發電廠的引出線，聯絡線，工礦企業內部的供電以及水下輸電線等采用電力電纜供電，電纜產品很多，主要有聚氯乙烯絕緣電纜，聚乙烯絕緣電纜，交聯聚乙烯絕緣電纜，阻燃，橡膠絕緣電纜等。隨著科技的進步和發展，人們開始把電纜及電熱絲應用于供熱取暖及防凍方面。但現有的電纜材料存在著安全性差，耗能高，供熱效果不佳，使用不方便等問題。
本發明為克服以上存在缺陷，提出采用“一種納米溫度記憶材料”(見中國專利申請200510029442.x)復合于絕緣層電纜材料中，其原理和特點是當“納米溫度記憶材料”中的導電粒子與電纜材料中的聚乙烯，聚氯乙烯，橡膠等材料結合后，形成一種半導體材料，當半導體材料施加一定的電壓電流后，該半導體材料(電纜)消耗電能而迅速發熱升溫，電能轉化為熱能，當溫度達到一定值的時候，半導體材料中導體粒子距離增大，絕緣層電阻急劇增大，幾乎絕緣斷路，此時絕緣層電流減小，溫度下降；當溫度繼續下降時，導電粒子之間距離減小，電阻減小，電流開始增加，溫度又開始上升。經過這樣的反復，該半導體材料就形成為具有“溫度記憶”的“納米智能控溫”材料。
發明內容本發明的目的在于克服現有技術之不足，將溫度記憶材料應用電纜的保護層之中，使其成為一種當溫度升高至一定值后，能自動降低，當溫度低于一定值時又會自動升溫的納米智能控溫電纜材料，這種新材料用途廣泛，具有使用安全可靠，能耗低等優點。
本發明的目的是通過以下技術方法實現地具體地說，本發明共由五層組成第一層為纜芯它采用鍍錫的銅導線，或鋁合金導體材料。為了增強纜芯的柔性和可曲折性，纜芯導線采用多根小直徑導線絞合并股使用。
第二層為纜芯保護層，它是采用含納米導電碳黑的氟材料制作。
第三層電纜中保護層，它系由含納米導電碳黑的交聯聚乙烯制成。
第四層接地層，采用鍍錫的銅導線纏繞在中保護層外。
第五層即電纜的外保護層，它采用耐熱105℃級聚氯乙烯電纜料制成納米智能控溫電纜材料是通過下列方法來實施的。
電纜纜芯材料的制作。
纜芯材料系采用鍍錫的銅導線或鋁合金導體材料，單根直徑為0.05～0.4mm，為提高安全性，采用多根合股使用，合股根數為5根至40根由絞線機進行并股，纜芯的直徑控制在1～2.5mm。
電纜纜芯保護層的材料的選擇。
纜芯絕緣層對材料要求較高，本發明采用聚四氟乙烯塑料為保護層，聚四氟乙烯耐溫為-50～250℃，長期使用溫度200℃，其表面電阻和體積電阻均≥1016，它柔性好，不易折斷，使用壽命高達20年以上。
纜芯保護層及中保護層使用的導電碳黑及表面處理。
本發明采用的納米碳黑是乙炔導電碳黑，也可以用超導電碳黑或特導電碳黑。以及它們的混合物。碳黑的粒徑為30～200nm，電阻率3.0，PH值7～8。其表面處理時，先在碳黑中加0.1～3％鈦酸丁酯，也可以用硬脂酸或鋁酸丁酯。一般情況下，分散劑鈦酸丁酯添加量為碳黑重量比的1～2％，混合時，在高速攪拌機中以2500～3000轉/分的轉速，拌和1～3小時，然后進行干燥，粉碎，篩分，使碳黑顆粒均勻分散，不團聚，易于和塑料均勻混合。
3)纜芯保護層的制造。
纜芯保護層由分散型聚四氟乙烯樹脂，納米導電碳黑混合而成，為使氟塑料冷壓成型還須添加20～25％的高級溶劑油。加工時按重量比稱取分散聚四氟乙烯100份，經表面處理的納米導電碳黑10～15份。高級溶劑油20～25份，先將聚四氟樹脂和納米導電碳黑混合均勻，再加入高級溶劑油(煤油或航空汽油)混合均勻，然后用冷壓機壓制成有中孔的棒料。將棒料裝入推壓機模具內，同時在棒料的孔中插入纜芯線，開動壓機使纜芯和棒料一起運動，纜芯保護層的厚度由推壓機口模控制，自上而下，邊推壓邊把包覆好纜線送入直立式燒結爐。燒結爐高為5～6米。燒結爐溫度上低下高，高溫段為380～400℃，燒結時間為6～8分鐘，燒結后纜芯含絕緣層的直徑為2.0～3.5mm。
納米導電碳黑內保護層的制備。
中保護層是發明的核心部分，因為從纜芯傳遞來的電流和熱量一方面使納米導電碳黑導電，同時也使高壓聚乙烯塑料受熱，隨溫度升高，作為內保護層的聚乙烯塑料膨脹增大，納米導電碳黑以至最后不導電，此時溫度開始下降塑料隨之收縮，納米導電碳黑間的距離又步靠近，以至成為導電體，所謂記憶控溫主要靠上述過程來實現。
作為中保護層的電纜材料，主要是交聯聚乙烯電纜料或用耐熱80～90℃級聚氯乙烯電纜料。
含導電碳黑的交聯聚乙烯配方。(按重量比)高壓聚乙烯，HDPE 100納米導電碳黑30～200nm 25～40阻燃劑 三氧化二銻2～4阻燃劑 十溴聯苯醚2～4抗氧劑 618 0.5～1.5石蠟 2～4交聯劑 過氧化二異丙苯，DCP 3～4配方中所述的碳黑及處理方法和上面所述的相同。
制備工藝稱取HDPE 100kg，加入經表面處理的碳黑25～40kg，阻燃劑三氧化二銻和十溴聯苯醚各2～4kg，抗氧劑618 0.5～1.5kg，石蠟2～4kg及交聯劑DCP 3～4kg，在高速拌料機中攪拌均勻，送擠出機擠出造粒。擠出機加料口溫度為150～160℃，中段為170～175℃，前段為180～185℃，機頭溫度185～190℃，經機頭擠出的條料，用熱切工藝切粒，入水冷卻后，再送干燥除去表面水份即成。
中保護層電纜料生產；所用擠出機的機頭為T型結構，擠出機擠出物料通過T型模具包覆在纜芯上。擠出機加料口溫度為150～160℃，中段溫度為170～175℃，前段為180～185℃，機頭溫度190～195℃。包覆后的電纜直徑為4～6mm。
交聯處理；將冷卻后的包覆有保護層電纜送入封閉式熱處理烘道內處理，處理烘道長度為40～50M，溫度為70～90℃，蒸氣壓力為1.5-1.8Mpa，在加熱中促進聚乙烯的交鏈。
接地線纏繞；接地線采用鍍錫的銅導線，直徑為0.1～0.2mm，用單根纏繞在中保護層的外徑上，它處于內保護層和外保護套中間，外保護層的制作；外保護層采用耐熱105℃級的聚氯乙烯電纜料(市場有供應)，采用生產普通電纜的工藝進行擠出包覆，擠出包覆時。擠出機加料口溫度為150～160，中段溫度為170～175℃，前段為180～185℃，T型機頭溫度190～195℃。
擠出包覆后的電纜料經冷卻火花測試卷繞成所需的納米智能控溫電纜材料。
納米智能控溫電纜材料的應用納米智能控溫電纜材料是很好的供熱材料，可廣泛的應用于室內取暖，室外管道防凍，油田開采(特別適合用于冬季油田粘稠凍油的開采)，土的加熱，機場，鐵路，公路化雪，水產養殖，蔬菜，園林，花卉種植大棚的供熱保暖等。
本發明所公開一種納米智能控溫電纜材料其優點在于采用納米導電材料及工藝技術先進，可操作性強具有智能控溫供熱，絕緣，阻燃，強度高，耐化學性和耐環境性好，使用方便，安全可靠導熱快而均勻，能耗低，費用少，可替代空調，水暖，氣暖。
無毒無味，遠紅外發射率80，有益人體健康。
可廣泛用于室內外供熱取暖，保暖，是理想的供熱材料。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明納米智能控溫電纜材料結構示意圖；見附圖1。
主要元件符號說明1.外保護層(護套)2.接地線3.中保護層4.纜芯保護層5.纜芯導體6.導電碳黑粒子具體實施方式第一步，納米智能控溫電纜材料纜芯的制備。
2.納米智能控溫電纜材料纜芯是鍍錫的銅導線或鋁合金導體材料，單位直徑0.05～0.4mm，使用時用5至40根并股。纜芯直徑控制在1～2.5mm。
它們可按下列組合；
第二步，纜芯絕緣層的制備在100份聚四氟乙烯分樹脂中添加10～15份經表面處理的納米導電碳黑，經攪拌均勻后再添加20～25份高級溶劑油(煤油或航空汽油)，并充分混合均勻，用模具冷壓成有中孔棒料，供插纜芯用.
棒料送入推壓機模具內，纜芯同時插入料孔中，開動推壓機，使纜芯和聚四氟乙烯棒料一起運動，用推壓機口模控制聚四氟乙烯包覆的厚度，自上而下，邊推壓邊送入直立式5～6米高的燒結爐內燒結。燒結爐溫度上低下高，高溫段為380～400℃，燒結時間為6～8分鐘，燒結后纜芯含絕緣層的直徑為2.5～3.5mm。
第三步含納米導電碳黑的中保護層制備。
納米導電碳黑。
所用納米導電碳黑是經表面處理的乙炔導電碳黑或超導電碳黑。特導電碳黑及它們的混合物。碳黑粒徑為30～200nm，電阻率≤3.0，PH值7～8。
含納米導電碳黑中保護層材料制備。
含納米導電碳黑交聯聚乙烯的配方，按重量比為高壓聚乙烯100公斤，納米導電碳黑25-40公斤阻燃劑三氧化二銻和十溴聯苯醚各2-4公斤，抗氧劑6180.5-1.5公斤，石蠟3-4公斤，交聯劑DCP3-4公斤，其配方舉例如下
第一生產電纜粒料；以配方2為例。
造粒；稱取HDPE 100kg，加入經表面處理的碳黑40kg阻燃劑三氧化二銻和十溴聯苯醚各4kg，抗氧劑6181kg，石蠟4kg及交聯劑DCP 3kg，在高速拌料機中攪拌均勻，送擠出造粒。擠出機加料口溫度為150～160℃，中段為170～175℃，前段為180～185℃，機頭溫度185～190℃，經機頭擠出條料，用熱切工藝切粒，入水冷卻后，送干燥除去表面水份，即得電纜粒料。
第二在纜芯絕緣層外包覆有電纜粒料制造絕緣層。
所用擠出機的機頭為T型結構，和生產普通電纜工藝相同。擠出機擠出物料通過T型模具包覆在纜芯上。擠出機加料口溫度為150～160℃，中段溫度為170～175℃，前段為180～185℃，機頭溫度190～195℃。包覆后的直徑為4～6mm。
第三交鏈處理；將冷卻后的包覆中保護層電纜(也可以乘熱)，送入封閉式熱處理烘道內，也稱交聯管道，烘道長度為40～50M，溫度為70～90℃，蒸氣直接加熱，加熱蒸氣壓力為1.5-1.8Mpa，加熱中促進聚乙烯的交聯。
含納米導電碳黑交聯聚乙烯的配方1，配方3，配方4的制備方法和配方2相同。
第四步接地線的實施；接地線采用鍍錫的銅導線，直徑為0.1～0.2mm，纏繞在內保護層的外徑上，它處于內保護層和外保護套中間。
第五步外保護層的制作；外保護套，采用耐熱105℃級的聚氯乙烯電纜料，同樣采用生產電纜的工藝進行擠出包覆，擠出機加料口溫度為150～160℃，中段溫度為170～175℃，前段為180～185℃，T型機頭溫度190～195℃。擠出包覆后經冷卻火花測試卷繞成所需的納米智能控溫電纜材料。
權利要求
1.一種納米智能控溫電纜材料，其特征在于它系由纜芯導線，含納米導電碳黑纜芯保護層，含導電碳黑的電纜中保護層，接地導線及電纜外保護層所組成。
2.如權利要求1所述的智能控溫電纜材料，其特征在于所述的纜芯是鍍錫的銅導線，單絲直徑0.05～0.4mm，采用5至40根并股，組成的纜芯直徑為1～2.5mm。
3.如權利要求1所述的智能控溫電纜材料，其特征在于所述的纜芯絕緣層是聚四氟乙烯塑料，并添加10-15重量份的乙炔導電碳黑，高級溶劑20-25份，所述的納米乙炔導電碳黑粒徑為30～200nm，電阻率≤3.0，PH值7～8，其表面處理劑為碳黑重量比的0.1％-3％鈦酸丁酯。
4.如權利要求1所述的智能控溫電纜材料，其特征在于所述的電纜中保護層是由含納米導電碳黑的交聯聚乙烯，或用含納米導電碳黑耐熱80～90℃級聚氯乙烯電纜料100公斤，碳黑25-40公斤，阻燃劑三氧化二銻和十溴聯苯醚各2-4公斤，抗氧劑618，0.5-1.5公斤，石蠟3-4公斤，交聯劑DCP3-4公斤組成。
5.如權利要求1所述的智能控溫電纜材料，其特征在于所述的接地線是鍍錫的銅導線，直徑為0.1～0.2mm。
6.如權利要求1所述的智能控溫電纜材料，其特征在于所述的外保護層是耐溫105℃級的聚氯乙烯電纜料。
7.一種納米智能控溫電纜材料的制備方法，其特征在于第一步纜芯的制備采用鍍錫的銅導線，單根直徑為0.05～0.4mm，使用時用5根至40根由絞線機進行并股；第二步纜芯保護層制備纜芯保護層為分散型聚四氟乙烯樹脂100kg，乙炔導電碳黑10-15kg，高級溶劑油20-25kg，先將乙炔碳黑用0.1％-3％的鈦酸丁酯處理，再和聚四氟乙烯混合均勻，然后和溶劑油充分混合均勻，用模具冷壓成有中孔的棒料，棒料送入推壓機模具內，纜芯同時插入料孔中，開動推壓機，使纜芯和聚四氟乙烯棒料一起運動，用推壓機口模控制聚四氟乙烯包覆的厚度，自上而下，邊推壓邊送入直立式6米高的燒結爐內燒結。燒結爐溫度上低下高，高溫段為380～400℃，燒結時間為6～8分鐘，燒結后纜芯含絕緣層的直徑為2～3.5mm；第三步含納米導碳黑的中保護層制備方法納米導電碳黑表面處理取100kg碳黑加入0.1-3kg鈦酸丁酯，在高速攪拌機中以2500～3000轉/分的轉速拌合1-3小時，然后干燥，粉碎，篩分，使碳黑均勻分散不團聚；含納米導電碳黑中保護層材料制備造粒；稱取HDPE 100kg，加入經表面處理的碳黑25-40kg阻燃劑三氧化二銻和十溴聯苯醚各2-4kg，抗氧劑618 0.5-1.5kg，石蠟3-4kg及交聯劑DCP2-3kg，在高速拌料機中攪拌均勻，送擠出造粒。擠出機加料口溫度為150～160℃，中段為170～175℃，前段為180～185℃，機頭溫度185～190℃，經機頭擠出條料，用熱切工藝切粒，入水冷卻后，送干燥除去表面水份；中保護層電纜料制備用T型機頭結構的擠出機，擠出機擠出物料通過T型機頭模具包覆在纜芯上；擠出機加料口溫度為150～160℃，中段溫度為170～175℃，前段為180～185℃，機頭溫度190～195℃。包覆后的直徑為4～6；交聯處理將冷卻后的包覆中保護層電纜，送入封閉式熱處理烘道內，烘道長度為40～50M，溫度為70～90℃，蒸氣壓力為1.5-1.8Mpa，直接加熱促進聚乙烯的交聯；含納米導電碳黑交聯聚乙烯的配方1，配方3，配方4的制備方法和配方2相同；第四步接地線的實施接地線采用鍍錫的銅導線，直徑為0.1～0.2mm，用纏繞方法纏繞在中保護層的外徑上，它處于中保護層和外保護套中間，第五步外保護層的制作外保護套，采用耐熱105℃級的聚氯乙烯電纜料，用生產電纜的工藝進行擠出包覆，擠出機加料口溫度為150～160℃，中段溫度為170～175℃，前段為180～185℃，T型機頭溫度190～195℃；擠出包覆后經冷卻火花測試卷繞成所需的納米智能控溫電纜材料。
全文摘要
本發明公開了一種納米智能控溫電纜材料，是由鍍錫的銅導線為纜芯，以含導電碳黑的聚四氟乙烯塑料為纜芯保護層，以含納米導電碳黑的交聯聚乙烯塑料為中保護層，以纏繞在中保護層外的鍍錫銅導線為接地線，以耐熱105℃級聚氯乙烯電纜料為外保護套的五個部分組成，它具有智能控溫的功能，可廣泛應用于室內取暖，室外管道防凍，油田開采保溫，土地加熱等保溫場所。具有智能控溫加熱，絕緣，阻燃，耐化學穩定性好，環境適應性強，使用方便，安全可靠等優點。
文檔編號H05B3/10GK101083854SQ20061002709
公開日2007年12月5日 申請日期2006年5月30日 優先權日2006年5月30日
發明者潘躍進, 吳東來 申請人:上海中大科技發展有限公司