一種石墨烯電線的製作方法
2023-06-04 08:00:22 2
本發明屬於電纜材料技術領域，涉及一種電線，具體涉及一種石墨烯電線。
背景技術：
隨著科學的進步及人們生活水平的提高，電氣與我們的生活關係越來越密切，電線電纜是使用電氣產品時必須配套的產品之一，起著傳輸電力、傳遞信息和實現電磁能量轉換的作用，其主要由四個基本結構組成，它們分別是導體、屏蔽層、絕緣層和護層。
目前，最常見的用來作為電線導體的是銅，但其成本高、電阻損耗相對較大且抗腐蝕性差。電線屏蔽層的材料主要採用在聚合物中均勻分散加入導電炭黑的方式製成，但由於炭黑導電性不理想且難分散，使得其體積電阻率較大，大量炭黑的添加會降低聚合物基體的力學性能，而且在高壓電場條件下容易產生尖端放電，導致材料擊穿，因而對電纜屏蔽均化電場效果不佳。現有電線的外圈護套多是由橡膠製成的，但由於橡膠本身容易被腐蝕和老化，使得電纜外圈護套耐久度和抗腐蝕性都不佳。直接影響電線產品性能和使用壽命。
中國發明專利，授權公告號CN 205582608 U公開了一種納米石墨烯低壓電線，其採用在導體表面包覆納米石墨烯層來改善電導性性能，但由於導體銅導電性沒有石墨烯強，導電性還有提升空間，且納米石墨烯容易團聚，不利於電導率的提高；中國發明專利，授權公告號CN103739929B公開了電纜用含石墨烯的聚烯烴高半導電屏蔽料及其製備方法，其將石墨烯均勻分散到乙烯-醋酸乙烯共聚物中來提高屏蔽效果，但無機材料與高分子共聚物之間粘結力低，石墨烯均勻分散難度大，使用過程中易出現滲透現象。
因此，需要尋求更為有效的方法，製備價格低廉、性能優異，且使用壽命長的電線。
技術實現要素：
為克服現有技術中的缺陷，本發明提供了一種石墨烯電線，該電線製備方法簡單、價格低廉、具有較高的導電率，電阻損耗相對較小、抗腐蝕性強、耐久度大、屏蔽均化電場效果好，且使用壽命長。
為達到上述目的，本發明採用的技術方案是：一種石墨烯電線，包括導體、石墨烯基共混物屏蔽層、絕緣層和外護套層，其特徵在於，所述導體為化學摻雜石墨烯纖維絞繞或是綑紮成化學摻雜石墨烯纖維束；所述導體外同心包覆擠包有石墨烯基共混物屏蔽層，在石墨烯基共混物屏蔽層外同心包覆擠包有絕緣層，構成一根絕緣線芯；每根電線包括至少2根絕緣線芯相切排列。在所有的絕緣線芯的外側擠包包帶層，包帶層外通過擠包方式包覆有外護套層，所述外護套層外還設有石墨烯導電塗層，用於接地連接。其中，所述石墨烯導電塗層可以為導電石墨烯粉末層、導電石墨烯複合膠層或導電石墨烯複合塗料層中的一種。
所述石墨烯基共混物屏蔽層為石墨烯基共聚物與乙烯-醋酸乙烯共聚物的共混物，其中，石墨烯以化學鍵的形式連結在共聚物主鏈上。其製備方法包括如下步驟：1)乙烯基苯胺-乙烯基二茂鐵共聚物的製備：將乙烯基苯胺、乙烯基二茂鐵和引發劑溶於極性溶劑中，在惰性氛圍保護下進行聚合反應，反應結束之後，經過溶解、沉澱、洗滌和乾燥，得到乙烯基苯胺-醋酸乙烯基二茂鐵共聚物；2)石墨烯基共聚物的製備：將經步驟1)製備得到的乙烯基苯胺-醋酸乙烯基二茂鐵共聚物溶於N-甲基吡咯烷酮中，並在其中加入氧化石墨烯，超聲20-30min，80-100℃下攪拌反應48h，後用水沉降，過濾，水洗至中性，在60℃下烘乾製得石墨烯基共聚物；3)石墨烯基共混物的製備：將經步驟2)製備得到的石墨烯基共聚物與乙烯-醋酸乙烯共聚物按照質量比為(30-40):100的比例混合均勻，然後加入到擠出機中擠出成型，得到石墨烯基共混物；
其中，步驟1)所述乙烯基苯胺、乙烯基二茂鐵、引發劑和極性溶劑的質量比為70:30:0.5:(300-500)；
所述惰性氛圍為氮氣氛圍、氬氣氛圍、氦氣氛圍、氖氣氛圍中的一種或幾種；所述極性溶劑選自：N,N-二甲基甲醯胺、二甲亞碸、N-甲基吡咯烷酮中的一種或幾種；所述引發劑選自偶氮二異丁腈和偶氮二異庚腈中的一種；所述聚合反應為溶液聚合，聚合反應溫度為80～100℃，聚合時間為4～6h。
步驟2)所述乙烯基苯胺-醋酸乙烯基二茂鐵共聚物、氧化石墨烯和N-甲基吡咯烷酮的質量比為2:1:(5-8)；
所述化學摻雜石墨烯纖維的製備方法，包括如下步驟：將石墨烯纖維浸泡在溶質質量分數為6-10％的氯化銅水溶液中10-20小時，後在60℃下烘乾備用。
所述絕緣層為HDPE、PTFE/FEP或PFA任何一種材料製成。
所述包帶層由無紡布材料製成；所述外護套層由聚氯乙烯製成。
所述導體的橫截面為圓形或扇形。
由於上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點：
(1)本發明提供的石墨烯電線製備成本較低，對設備要求不高；
(2)本發明提供的石墨烯電線，循環壽命長、能量密度高；
(3)本發明提供的石墨烯電線，由於採用了化學摻雜石墨烯纖維作為導體，大大降低了導體的電阻率，提高了輸電效率，增強了其力學性能和抗腐蝕性，使電纜壽命大大加強。
(4)本發明提供的石墨烯電線，通過直接浸泡氯化銅溶液的方法化學摻雜石墨烯纖維，以提高其導電率，較現有技術簡便，對設備要求低。
(5)本發明提供的石墨烯電線，屏蔽層採用石墨烯基共混物材料製備，屏蔽均化電場效果更好，石墨烯以化學鍵的方式與聚合物連接，有利於石墨烯的分散，從而提高屏蔽效果。
附圖說明
圖1為本發明一種石墨烯電線實施例1的線芯截面示意圖。
圖2為本發明一種石墨烯電線實施例1的電纜截面示意圖。
圖3為本發明一種石墨烯電線實施例1的線芯與線芯連接放大示意圖。
附圖標號說明：1-導體，2-石墨烯基共混物屏蔽層，3-絕緣層，4-包帶層，5-外護套層，6-線芯，7-石墨烯導電塗層。
具體實施方式
為了使本技術領域的人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合實施例及附圖對本發明產品作進一步詳細的說明。
實施例1
如圖1至圖3所示，一種石墨烯電線，包括導體1、石墨烯基共混物屏蔽層2、絕緣層3和外護套層5，所述導體1為化學摻雜石墨烯纖維絞繞或是綑紮成化學摻雜石墨烯纖維束；所述導體1外同心包覆擠包有石墨烯基共混物屏蔽層2，在石墨烯基共混物屏蔽層2外同心包覆擠包有絕緣層3，構成一根絕緣線芯6；每根電線包括至少2根絕緣線芯相切排列。在所有的絕緣線芯6的外側擠包包帶層4，包帶層4外通過擠包方式包覆有外護套層5，所述外護套層5外還設有石墨烯導電塗層7，用於接地連接。其中，所述石墨烯導電塗層7可以為導電石墨烯粉末層、導電石墨烯複合膠層或導電石墨烯複合塗料層中的一種。
所述石墨烯基共混物屏蔽層2為石墨烯基共聚物與乙烯-醋酸乙烯共聚物的共混物，其中，石墨烯以化學鍵的形式連接在共聚物主鏈上。其製備方法包括如下步驟：1)乙烯基苯胺-乙烯基二茂鐵共聚物的製備：將乙烯基苯胺1400g、乙烯基二茂鐵600g和偶氮二異丁腈10g溶於N,N-二甲基甲醯胺6000g中，在氮氣氛圍保護下80℃進行聚合反應，聚合時間為4h，反應結束之後，經過溶解、沉澱、洗滌和乾燥得到乙烯基苯胺-乙烯基二茂鐵共聚物；2)石墨烯基共聚物的製備：將經步驟1)製備得到的乙烯基苯胺-乙烯基二茂鐵共聚物1000g溶於N-甲基吡咯烷酮2500g中，並在其中加入氧化石墨烯500g，超聲20min，80℃下攪拌反應48h，後用水沉降，過濾，水洗至中性，在60℃下烘乾製得石墨烯基共聚物；3)石墨烯基共混物的製備：將經步驟2)製備得到的石墨烯基共聚物與乙烯-醋酸乙烯共聚物按照質量比為30:100的比例混合均勻，然後加入到擠出機中擠出成型，得到石墨烯基共混物；
所述化學摻雜石墨烯纖維的製備方法。包括如下步驟：將石墨烯纖維浸泡在溶質質量分數為6％的氯化銅水溶液中20小時，後在60℃下烘乾備用；
所述絕緣層3為HDPE材料製成；
所述包帶層4由無紡布材料製成；所述外護套層5由聚氯乙烯製成；
所述導體1的橫截面為圓形。
實施例2
一種石墨烯電線，包括導體1、石墨烯基共混物屏蔽層2、絕緣層3和外護套層5，所述導體1為化學摻雜石墨烯纖維絞繞或是綑紮成化學摻雜石墨烯纖維束；所述導體1外同心包覆擠包有石墨烯基共混物屏蔽層2，在石墨烯基共混物屏蔽層2外同心包覆擠包有絕緣層3，構成一根絕緣線芯6；每根電線包括至少2根絕緣線芯相切排列。在所有的絕緣線芯6的外側擠包包帶層4，包帶層4外通過擠包方式包覆有外護套層5，所述外護套層5外還設有石墨烯導電塗層7，用於接地連接。其中，所述石墨烯導電塗層7可以為導電石墨烯粉末層、導電石墨烯複合膠層或導電石墨烯複合塗料層中的一種。
所述石墨烯基共混物屏蔽層2為石墨烯基共聚物與乙烯-醋酸乙烯共聚物的共混物，其中，石墨烯以化學鍵的形式連接在共聚物主鏈上。其製備方法包括如下步驟：1)乙烯基苯胺-乙烯基二茂鐵共聚物的製備：將乙烯基苯胺1400g、乙烯基二茂鐵600g和偶氮二異庚腈10g溶於二甲亞碸6000g中，在氬氣氛圍保護下90℃進行聚合反應，聚合反應時間5小時，反應結束之後，經過溶解、沉澱、洗滌和乾燥得到乙烯基苯胺-乙烯基二茂鐵共聚物；2)石墨烯基共聚物的製備：將經步驟1)製備得到的乙烯基苯胺-乙烯基二茂鐵共聚物1000g溶於N-甲基吡咯烷酮3000g中，並在其中加入氧化石墨烯500g，超聲25min，88℃下攪拌反應48h，後用水沉降，過濾，水洗至中性，在60℃下烘乾製得石墨烯基共聚物；3)石墨烯基共混物的製備：將經步驟2)製備得到的石墨烯基共聚物與乙烯-醋酸乙烯共聚物按照質量比為35:100的比例混合均勻，然後加入到擠出機中擠出成型，得到共混物；
所述化學摻雜石墨烯纖維的製備方法。包括如下步驟：將石墨烯纖維浸泡在溶質質量分數為7％的氯化銅水溶液中12小時，後在60℃下烘乾備用；
所述絕緣層3為PTFE材料製成；
所述包帶層4由無紡布材料製成；所述外護套層5由聚氯乙烯製成；
所述導體1的橫截面為扇形。
實施例3
一種石墨烯電線，包括導體1、石墨烯基共混物屏蔽層2、絕緣層3和外護套層5，其特徵在於，所述導體1為化學摻雜石墨烯纖維絞繞或是綑紮成化學摻雜石墨烯纖維束；所述導體1外同心包覆擠包有石墨烯基共混物屏蔽層2，在石墨烯基共混物屏蔽層2外同心包覆擠包有絕緣層3，構成一根絕緣線芯6；每根電線包括至少2根絕緣線芯相切排列。在所有的絕緣線芯6的外側擠包包帶層4，包帶層4外通過擠包方式包覆有外護套層5，所述外護套層5外還設有石墨烯導電塗層7，用於接地連接。其中，所述石墨烯導電塗層7可以為導電石墨烯粉末層、導電石墨烯複合膠層或導電石墨烯複合塗料層中的一種。
所述石墨烯基共混物屏蔽層2為石墨烯基共聚物與乙烯-醋酸乙烯共聚物的共混物，其中，石墨烯以化學鍵的形式連接在共聚物主鏈上。其製備方法包括如下步驟：1)乙烯基苯胺-乙烯基二茂鐵共聚物的製備：將乙烯基苯胺1400g、乙烯基二茂鐵600g和偶氮二異丁腈10g溶於N-甲基吡咯烷酮7000g中，在氖氣氛圍保護下100℃進行聚合反應，聚合反應時間5.5小時，反應結束之後，經過溶解、沉澱、洗滌和乾燥得到乙烯基苯胺-乙烯基二茂鐵共聚物；2)石墨烯基共聚物的製備：將經步驟1)製備得到的乙烯基苯胺-乙烯基二茂鐵共聚物1000g溶於N-甲基吡咯烷酮3500g中，並在其中加入氧化石墨烯500g，超聲28min，90℃下攪拌反應48h，後用水沉降，過濾，水洗至中性，在60℃下烘乾製得石墨烯基共聚物；3)石墨烯基共混物的製備：將經步驟2)製備得到的石墨烯基共聚物與乙烯-醋酸乙烯共聚物按照質量比為36:100的比例混合均勻，然後加入到擠出機中擠出成型，得到共混物。
所述化學摻雜石墨烯纖維的製備方法，包括如下步驟：將石墨烯纖維浸泡在溶質質量分數為8％的氯化銅水溶液中13小時，後在60℃下烘乾備用；
所述絕緣層3為HDPE材料製成；
所述包帶層4由無紡布材料製成；所述外護套層5由聚氯乙烯製成；
所述導體1的橫截面為圓形。
實施例4
一種石墨烯電線，包括導體1、石墨烯基共混物屏蔽層2、絕緣層3和外護套層5，其特徵在於，所述導體1為化學摻雜石墨烯纖維絞繞或是綑紮成化學摻雜石墨烯纖維束；所述導體1外同心包覆擠包有石墨烯基共混物屏蔽層2，在石墨烯基共混物屏蔽層2外同心包覆擠包有絕緣層3，構成一根絕緣線芯6；每根電線包括至少2根絕緣線芯相切排列。在所有的絕緣線芯6的外側擠包包帶層4，包帶層4外通過擠包方式包覆有外護套層5，所述外護套層5外還設有石墨烯導電塗層7，用於接地連接。其中，所述石墨烯導電塗層7可以為導電石墨烯粉末層、導電石墨烯複合膠層或導電石墨烯複合塗料層中的一種。
所述石墨烯基共混物屏蔽層2為石墨烯基共聚物與乙烯-醋酸乙烯共聚物的共混物，其中，石墨烯以化學鍵的形式連接在共聚物主鏈上。其製備方法包括如下步驟：1)乙烯基苯胺-乙烯基二茂鐵共聚物的製備：將乙烯基苯胺1400g、乙烯基二茂鐵600g和偶氮二異庚腈10g溶於N-甲基吡咯烷酮9000g中，在氦氣氛圍保護下97℃進行聚合反應，聚合反應時間6小時，反應結束之後，經過溶解、沉澱、洗滌和乾燥得到乙烯基苯胺-乙烯基二茂鐵共聚物；2)石墨烯基共聚物的製備：將經步驟1)製備得到的乙烯基苯胺-乙烯基二茂鐵共聚物1000g溶於N-甲基吡咯烷酮4000g中，並在其中加入氧化石墨烯500g，超聲28min，90℃下攪拌反應48h，後用水沉降，過濾，水洗至中性，在60℃下烘乾製得石墨烯基共聚物；3)石墨烯基共混物的製備：將經步驟2)製備得到的石墨烯基共聚物與乙烯-醋酸乙烯共聚物按照質量比為40:100的比例混合均勻，然後加入到擠出機中擠出成型，得到共混物。
所述化學摻雜石墨烯纖維的製備方法。包括如下步驟：將石墨烯纖維浸泡在溶質質量分數為10％的氯化銅水溶液中19小時，後在60℃下烘乾備用。所述絕緣層3為PFA材料製成；
所述包帶層4由無紡布材料製成；所述外護套層5由聚氯乙烯製成；
所述導體1的橫截面為扇形。
本發明實施例採用氯化銅摻雜的石墨烯纖維作為電線的導體，由於石墨烯的電子運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度，是目前發現的地球上電子運動速度最快的導電材料。同時，石墨烯在二維平面上的電阻率為10-6Ω·cm，小於最佳的金屬導體銀(銀的電阻率為1.58x10-6Ω·cm)，而其導電密度是銅的一百倍，使得電導率遠遠大於現有技術中的銅；另一方面，本發明只有使用石墨烯，避免了現有技術中用石墨烯包覆銅導體產生的粘結力不足，容易產生相分離，且石墨烯容易團聚，很難均勻分散的缺陷。現有技術，申請公開號：CN10544017A中有公開用氯化銅等摻雜石墨烯能大大提高其導電性，但其使用的是氯化銅的蒸汽化學摻雜，增加了公用工程能力損耗，且需要石英管等儀器設備，增加了電纜線成本，本發明只需簡單的浸泡的方法，就能達到同樣高的導電率。
本發明實施例採用石墨烯基共混物作為電纜屏蔽層材料，一方面，聚苯胺、聚乙烯基二茂鐵自身電阻小，能使得屏蔽層材料具備一定的導電性，通過共聚形成共聚物，再通過聚合物上的氨基與氧化石墨烯表面的羧基間的化學反應，將具有較好導電性和抗腐蝕性的氧化石墨烯以化學鍵連結在聚合物主鏈上，有利於小分子氧化石墨烯的分散，通過共聚物共混能增加結合力，有機物-有機物之間結合力大於無機-有機界面間作用力，從而提高電線屏蔽效果及耐久度。
以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制；凡本行業的普通技術人員均可按說明書附圖所示和以上所述而順暢地實施本發明；但是，凡熟悉本專業的技術人員在不脫離本發明技術方案範圍內，可利用以上所揭示的技術內容而作出的些許更動、修飾與演變的等同變化，均為本發明的等效實施例；同時，凡依據本發明的實質技術對以上實施例所作的任何等同變化的更動、修飾與演變等，均仍屬於本發明的技術方案的保護範圍之內。