一种铝合金电缆及其制备方法与流程

本发明属于电缆，具体涉及一种铝合金电缆及其制备方法。

背景技术：

1、铝合金电缆是一种使用铝合金材料制成的电线或者电缆，与传统的铜电缆相比，铝合金电缆具有重量轻、抗拉强度高、耐磨性强以及柔韧性好的优点。铝合金电缆在建筑行业、电力传输、工业设施、交通基础建设等各行各业均有应用。

2、铝合金电缆包括铝合金导体和包覆在铝合金导体外部的护套，由于铝合金的应用场景较多，外部环境随之变得复杂多变，这导致电缆护套极易受到外界环境的影响，一旦护套失效，电缆内部的铝合金导体电气性能就会受到影响。护套材料的选择对于铝合金电缆至关重要，因为它不仅需要保护电缆不受外界物理损伤，还需要抵御化学腐蚀。电缆护套在潮湿或多盐分的环境中，护套可能会受到侵蚀，从而影响电缆的整体性能和寿命。在碱性或酸性土壤中可能会加速护套材料的老化过程，导致电缆防护能力下降。因此选用护套材料需要能够抵抗紫外线辐射以及化学品的侵蚀，以确保电缆在各种环境条件下的长期稳定运行。

3、目前提高电缆护套耐环境性的方法主要有以下方法：

4、（1）采用特殊涂料或者涂层覆盖在电缆护套表面，以隔离腐蚀介质。

5、（2）使用复合材料制作护套，将金属护套与塑料或橡胶材料复合，既能提高良好的机械保护，又能增强耐腐蚀性。

6、（3）设计时考虑加强护套的结构，如使用双层护套或增加铠装层，采用紧压结构或其他特殊结构设计，可以提高电缆的紧密度和机械强度。

7、通过这些方法，现有的技术能够在很大程度上解决电缆护套的耐腐蚀性和机械强度问题，从而延长电缆的使用寿命并确保其安全可靠地运行。但是铝合金电缆还常常应用于一些极端环境下，铝合金电缆在极冷环境下、极热环境下以及极冷极热交替环境下，机械性能和耐腐蚀性能会发生明显下降，铝合金电缆对极端环境的耐受力十分差。

8、因此，亟需一种能够在极端环境下仍然保持机械性能和耐腐蚀性能的铝合金电缆。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种铝合金电缆及其制备方法，以解决上述铝合金电缆在极端环境下易受到影响导致其机械性能和耐腐蚀性能下降的问题。本发明通过改性玄武岩纤维和改性树脂的协同作用，显著提高了电缆护套在多个方面的性能，包括机械性能、耐腐蚀性能、耐极端温度性能、阻燃性能和加工性能，从而提高了电缆的整体可靠性和使用寿命。

2、为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种铝合金电缆，包括铝合金导体和包覆在铝合金导体外部的护套，护套按照重量份包括以下原料：

3、改性树脂100~120份；

4、改性增强剂45~55份；

5、无机填料40~50份；

6、阻燃剂5~30份；

7、增塑剂10~20份；

8、抗氧剂0.1~3份；

9、润滑剂0.5~1份；

10、改性增强剂的制备方法为：

11、将浓硫酸和水进行混合，之后再加入过氧化氢得到酸氧化溶液，然后将玄武岩纤维素加入到酸氧化溶液中，在60~90℃下浸泡2~4h，用去离子水清洗至中性，干燥得到第一改性玄武岩纤维；

12、将3~5份第一改性玄武岩纤维加入到1~3份α-烯基磺酸钠和1~3份椰油基氨基丙酸钠形成的混合水溶液中，室温浸泡24~48h，取出清洗干燥，得到第二改性玄武岩纤维；

13、将1~3份碳化硅、4~6份二氧化硅和1~3份二氧化钛进行混合得到混合料，之后向混合料中加入0.5~1.2份γ-氨丙基三乙氧基硅烷形成的混合水溶液，搅拌均匀形成分散液，然后向分散液中加入第二改性玄武岩纤维，在100~120℃下反应1~3h后，自然冷却至室温，过滤、洗涤、干燥，得到改性增强剂。

14、碳化硅的平均粒径为100nm，比表面积为30~40m2/g，购自浙江智钛纳微新材料有限公司，型号为zt-c100a。

15、二氧化硅的平均粒径为20nm，购自购自浙江智钛纳微新材料有限公司，型号为zt-sp20p。

16、二氧化钛的平均粒径为5nm，购自浙江智钛纳微新材料有限公司，型号为zt05。

17、电缆护套是保护电缆内部导体和绝缘层免受外界环境影响的重要组成部分，需要具备良好的耐腐蚀性和足够的机械强度以确保电缆的长期可靠运行。而护套材料可能会与土壤中的酸碱物质发生反应，导致材料降解，目前采用选择合适的材料对护套的耐腐蚀性能和机械性能进行改善，但是在应用过程中，还是难以满足实际情况对电缆护套机械性能和耐腐蚀性能提出的要求。本发明采用玄武岩纤维对电缆护套的配方进行改性，玄武岩纤维是一种无机非金属材料，具有良好的耐高温性、耐腐蚀性以及较高的机械强度，利用其对电缆护套的配方进行改进，一方面可以提高电缆护套的耐腐蚀性能，玄武岩纤维具有很高的化学稳定性，不易与大多数酸碱发生反应，因此能够提高护套的耐腐蚀性能；玄武岩纤维在电化学环境下表现出较好的稳定性，有助于防止电化学腐蚀的发生，另一方面可以提高电缆护套的机械性能，玄武岩纤维具有较高的强度和刚度，能够显著提高电缆护套的机械强度，减少因物理损伤导致的破坏；玄武岩纤维的加入可以提高护套材料的耐磨性，减少磨损造成的损坏。

18、本发明向电缆护套中加入玄武岩纤维提高了耐腐蚀性能和机械性能，发明人试图通过添加玄武岩纤维的方式同时提高电缆护套在极高或极低温度下的耐腐蚀性能和机械性能，但是发现效果并不理想。发明人继续研究发现，本发明将玄武岩纤维进行改性后，可以显著提高电缆护套在极端环境下的机械性能和耐腐蚀性能。分析原因为：玄武岩纤维利用浓硫酸和过氧化氢进行表面处理，可以增加玄武岩纤维的表面活性，有利于后续与其他材料的结合。α-烯基磺酸钠和椰油基氨基丙酸钠等表面活性剂的使用可以进一步改善玄武岩纤维与树脂基体之间的相容性，从而提高复合材料的整体性能。特定参数的碳化硅、二氧化硅和二氧化钛等无机填料的引入可以进一步增强复合材料的力学性能，并且γ-氨丙基三乙氧基硅烷作为一种偶联剂，可以促进这些无机填料与玄武岩纤维之间的结合，从而提高整体复合材料的性能。

19、本发明通过对玄武岩纤维进行改性的方式，可以改善玄武岩纤维与树脂基体之间的相容性，增强两者之间的结合力，从而提高复合材料的整体性能。改性剂可以填充玄武岩纤维表面的微孔，降低表面粗糙度，减少腐蚀介质的吸附。改性剂还可以改善玄武岩纤维的分散性，避免在复合材料中形成应力集中区域，从而提高材料在极端温度条件下的机械性能。

20、另外本发明中的玄武岩纤维进行了酸氧化反应和表面活性剂处理两个步骤后，才继续与碳化硅、二氧化硅和二氧化钛进行混合，酸氧化处理和表面活性剂处理两个步骤缺一不可，相辅相成，共同提高玄武岩纤维与树脂基体之间的相容性，进而提高电缆护套对于环境变化的耐受性。若玄武岩纤维仅进行酸氧化处理，未进行表面活性剂处理，会导致电缆护套在极端环境下的耐受性不能达到更高的水平。酸氧化改性通常使用酸（如浓硫酸）和氧化剂（如过氧化氢）来处理玄武岩纤维表面，以改变其表面性质。这种方法可以增加纤维表面的粗糙度和活性，有助于提高纤维与基体材料之间的结合力。然而，仅进行酸氧化改性而不使用表面活性剂，可能会导致以下问题：

21、酸氧化改性虽然可以提高玄武岩纤维表面的活性，但没有表面活性剂的帮助，纤维与树脂基体之间的界面结合强度可能不足以应对极端温度条件下的应力变化。这可能导致在高温或低温下复合材料出现分层或开裂。

22、仅通过酸氧化改性，可能不足以完全改善玄武岩纤维与基体材料之间的热膨胀系数差异，这在温度急剧变化时可能导致应力集中，进而影响复合材料的完整性和机械性能。

23、酸氧化改性通常会增加纤维表面的粗糙度，虽然这有助于提高与基体的结合力，但在某些情况下也可能增加腐蚀介质的吸附，尤其是当没有使用表面活性剂进一步改善表面性质时。

24、没有表面活性剂的辅助，酸氧化处理后的玄武岩纤维与基体之间的界面可能存在较多的缺陷，这些缺陷会成为腐蚀的起点，从而降低复合材料的耐腐蚀性能。

25、优选的，玄武岩纤维的单丝直径为5.5~25μm，长度为6~10mm。

26、玄武岩纤维购自江苏天龙玄武岩连续纤维股份有限公司，断裂强度≥2000mpa，弹性模量为≥80gpa，热处理后断裂强度保留率≥85%，酸度系数≥4.5。

27、优选的，按照重量份，改性树脂的制备方法为：

28、将聚氯乙烯加入硝酸溶液中在90~100℃下活化3~5h后，用去离子水清洗至中性，然后在80~100℃下烘干，得到改性聚氯乙烯；

29、将10~20份改性聚氯乙烯、5~10份高密度聚乙烯和1~5份硅橡胶进行混合，之后加入双螺杆挤出机中进行熔融共混，在挤出过程中还加入0.3~0.5份偶氮二异丁腈和2~5份环氧丙烯酸酯，双螺杆挤出机的温度为180~220℃，混合物冷却成型后，得到改性树脂。

30、聚氯乙烯购自南通南岛塑胶有限公司，牌号为7356，拉伸强度≥13 mpa，断裂伸长率≥250 %。

31、高密度聚乙烯购自中国石油独山子石化公司，牌号为hd6070ea，分子量为40000~300000，熔融流动指数为6.5~8.0，悬臂梁冲击强度为4 kj/m2，拉伸屈服强度≥23 mpa，密度为955-960 kg/m3。

32、硅橡胶购自深圳杰瑞新材料有限公司，牌号为e630，粘度为9000cps，拉伸强度为5.2mpa，伸长率≥470%。

33、本发明一方面对玄武岩纤维进行改性，提高其与树脂基体的相容性，另一方面对树脂进行改性，提高电缆护套的耐高温性能和耐低温性能。

34、目前电缆护套的制备过程中使用的树脂基体多为一种树脂，其中聚氯乙烯作为一种常见的电缆护套材料，具有优异的绝缘性能、良好的阻燃性能、适用性较广，但是其作为单一树脂应用于电缆护套中时，却具有拉伸强度不足，耐腐蚀性能较差、耐高温性能较差以及耐低温性能较差的问题。本发明在聚氯乙烯的基础上，使聚氯乙烯与硅橡胶和高密度聚乙烯进行混合，硅橡胶因其弹性而可以提高材料的韧性，使得电缆护套在受到外力作用时不易发生脆性断裂，高密度聚乙烯也具有较好的韧性，可以进一步提高电缆护套的机械性能，因此硅橡胶和高密度聚乙烯的加入，可以与聚氯乙烯进行混合，提高了电缆护套的耐腐蚀性能和机械性能。

35、发明人继续研究发现，聚氯乙烯与硅橡胶和高密度聚乙烯进行简单的物理混合可以提高电缆护套的机械性能和耐腐蚀性能，但是对于电缆护套在极高和极低环境下的机械性能和耐腐蚀性能未能实现较好的保持性。发明人发现继续对聚氯乙烯进行改性并对改性聚氯乙烯、硅橡胶和高密度聚乙烯进行聚合反应，可以进一步提高电缆护套在极端环境下的机械性能和耐腐蚀性能。这是因为改性聚氯乙烯经过酸活化后，表面产生了新的反应基团，增加了与其他物质的反应性，也可以提高pvc与其它成分之间的界面结合力，减少界面缺陷。引发剂和单体的存在促进了分子间的交联，形成了更致密的网络结构，进一步降低了腐蚀介质的渗透性，同时也增加了电缆护套的机械性能。

36、优选的，

37、酸氧化溶液中浓硫酸的质量浓度为30~40%，过氧化氢的质量浓度为10~15%；

38、α-烯基磺酸钠的质量浓度为5~8%，椰油基氨基丙酸钠的质量浓度为5~8%；

39、γ-氨丙基三乙氧基硅烷的质量浓度为1~3%；

40、硝酸溶液的质量浓度为20~40%。

41、优选的，无机填料为碳酸钙、氢氧化铝、氢氧化镁中的一种或几种。

42、优选的，阻燃剂为硼酸锌、三聚氰胺磷酸盐、三苯基膦酸酯中的一种或几种。

43、优选的，增塑剂为己二酸二辛酯、癸二酸二辛酯、三（2-羟乙基）膦中的一种或几种。

44、优选的，抗氧剂为四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯或2,2-二(4-羟基苯基)丙烷。

45、优选的，润滑剂为pe蜡、硬脂酸、固体石蜡、硬脂酸钙中的一种或几种。

46、本发明第二方面提供了一种铝合金电缆的制备方法，包括以下步骤：

47、a）将改性树脂、改性增强剂、无机填料、阻燃剂、增塑剂、抗氧剂、润滑剂加入高速混合机，在110~125℃下，混合5~8h后，得到混合物料；

48、b）在150~200℃下，使用挤出机将混合物料挤出并包覆在铝合金导体表面形成护套，得到铝合金电缆。

49、因此，本发明采用上述的一种铝合金电缆及其制备方法，具有以下有益效果：

50、1、本发明通过使用经过多重改性的玄武岩纤维作为增强剂，电缆护套的机械强度得到了显著提升，增强了电缆的抗拉强度和抗压强度，提高了电缆在安装和使用过程中的安全性和可靠性。

51、2、本发明的改性玄武岩纤维经过酸氧化处理和表面活性剂改性，可以有效提高其耐腐蚀性能，进而提高了整个电缆护套的耐化学腐蚀能力，延长了电缆的使用寿命。

52、3、本发明通过加入高密度聚乙烯和硅橡胶等成分，提高了材料的韧性，增强了电缆护套的抗拉强度。改性树脂的使用，尤其是通过加入偶氮二异丁腈和环氧丙烯酸酯等成分，提高了电缆护套的耐高温和耐低温性能，使其在极端温度条件下仍能保持良好的机械性能和电气性能。

53、4、本发明添加阻燃剂可以显著提高电缆护套的阻燃性能，降低了火灾风险，提高了电缆的安全性。

54、5、本发明通过改性树脂和玄武岩纤维的协同作用，提高了电缆护套材料的流动性和可加工性，简化了制造工艺，降低了生产成本。

55、下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。