一种增强型塑料电缆的制作方法

本发明属于电线电缆制造的技术领域，涉及一种增强型塑料电缆(绝缘层为塑料的电缆)即通过包覆具有良好导热能力及封闭能力的石墨烯层而提高塑料电缆的耐温特性及抗衰减性能。

背景技术：

随着电力传输、数据通信业务的迅速扩大，对电缆提出了更高的要求，目前，全社会倡导低碳建设，使用更加环保的塑料电缆，通过塑料电缆，除了用于电力传输，还可实现智能家电(家用pc、hdtv、电话、数字成像设备、家庭安全设备、空调、冰箱、音响系统、厨用电器等)的联网，达到家庭自动化和远程控制管理，提高生活质量；通过塑料电缆，可实现办公设备的联网，如计算机联网可以实现计算机并行处理，办公设备间数据的高速传输可大大提高工作效率，实现远程办公等。电梯电缆伴随着电梯进行上下运动，为电梯提供工作电源，电梯的升降速度越快，电缆的阻力越大，使电缆频繁受到拉扯力就越大，在长期的经常性升降后，有可能出现断裂、损坏，造成断电停驶或者其他功能受到影响，严重的会造成人员伤亡。近年来，电梯事故频发，人员伤亡的事故时有发生，而作为电梯随行部件的电缆，它的对电梯的正常运行起着至关重要的作用。电梯电缆在使用过程中由于电阻作用可以发热，造成电缆温度升高，进而造成绝缘层和保护层的老化速度过快，从而影响了电梯电缆的使用寿命。然而目前在实际应用中塑料电缆耐热性的提高及损耗的降低是其进一步推广应用的最大障碍，也是该领域的研究热点。目前人们通过不断开发探索已经获得了耐温可达120摄氏度的塑料电缆，其耐热性能的进一步提高还需要人们的继续努力。而塑料电缆损耗一方面与其材料结构如碳-氢键特点相关，另外一方面则与其机械损耗相关。人们开发了梯度氟塑料电缆以降低结构相关的损耗，但是对于机械损耗的降低措施目前人们还在研究之中。事实上，人们的研究发现石英电缆表面涂布碳能够利用碳素的致密膜层，使电缆表面与外界隔离，从而改善电缆的机械疲劳损耗和氢分子的损耗。然而碳涂层往往需要高温操作，因此目前仅适用于耐高温的石英电缆，而无法用于损耗更严重也更迫切需要降低的塑料电缆。因此人们还需要开发新的技术以使得塑料电缆在提高耐热性能和降低机械损耗等方面取得进展。为此本申请在国际上首次提出在塑料电缆上涂布石墨烯层从而利用石墨烯高的导热性能以提高塑料电缆的耐热性能，从而促进塑料电缆更好地服务社会。为此本申请还提出了石墨烯层包覆塑料电缆的制备方法即先在塑料电缆上涂布石墨烯衍生物层，然后在非氧化气氛中利用石墨烯衍生物的微波吸收能力用微波在限定的短时间内快速加热处理石墨烯衍生物层，然后快速冷却，从而获得石墨烯层包覆的塑料电缆。本申请的应用将有助于塑料电缆在社会上更好地推广应用。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是提供一种增强型塑料电缆，通过在塑料电缆上包覆石墨烯层，利用石墨烯的高导热能力及石墨烯层致密的包覆作用而提高塑料电缆的耐热能力及降低机械损耗的能力。本发明的应用将有助于塑料电缆和石墨烯材料更好地服务社会。

技术方案：本发明的一种增强型塑料电缆，其特征在于在塑料电缆表面包覆有石墨烯层。

优选地，所述石墨烯层中碳含量大于90％。

优选地，所述塑料电缆表面包覆的石墨烯层由石墨烯衍生物构成；所述塑料电缆表面包覆石墨烯层通过如下方法实现：首先配制石墨烯衍生物溶液，然后将石墨烯衍生物溶液涂布在选定的塑料电缆表面形成复合塑料电缆，随后在设定气氛下使得复合塑料电缆表面石墨烯衍生物被微波加热处理，随后复合塑料电缆离开微波加热区并被冷却,然后进行挤压处理即可获得表面包覆有石墨烯层的复合塑料电缆。

优选地，所述石墨烯衍生物是指石墨烯的氧化物，包括氧化石墨烯和还原氧化石墨烯及石墨烯边缘衍生物。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)本发明提供的一种增强型塑料电缆，通过在塑料电缆上包覆石墨烯层，利用石墨烯的高导热能力及石墨烯层致密的包覆作用而提高塑料电缆的耐热能力。

(2)本申请首次将石墨烯优异的导热能力及二维材料良好的表面包覆性能用于修饰塑料电缆以期改进塑料电缆迫切需要提高的耐热性能，同时结合石墨烯强烈吸收微波的特性从而避免常规长时间高温加热对塑料电缆的损伤。本发明不仅利用二维石墨烯优异的导热性能及包覆性能，而且结合石墨烯衍生物吸收微波的能力用于选择性高温处理石墨烯衍生物层从而获得石墨烯层包覆的塑料电缆，提高了塑料电缆性能，因此有助于塑料电缆更好地服务社会。

附图说明

图1是一种增强塑料电缆制备流程示意图。

图中有：塑料电缆1、浸液池2、溶液2a、挤液辊3、烘房4、前控温5、控温流体入口5a、控温流体出口5b、带孔金属挡板6、微波加热炉7、微波输入7a、气氛腔8、气体人口8a、气体出口8b、中控温9、控温流体入口9a、控温流体出口9b、后控温10、控温流体入口10a、控温流体出口10b、导轮11、挤压辊12。

图2是塑料电缆通过导轮绕过金属挡板示意图。金属挡板6、导轮11。

具体实施方式

制备本发明的一种增强型塑料电缆：在塑料电缆表面包覆有石墨烯层，所述塑料电缆表面包覆石墨烯层通过如下方法实现：首先配制石墨烯衍生物溶液，然后将石墨烯衍生物溶液涂布在选定的塑料电缆表面形成复合塑料电缆，随后在设定气氛下使得复合塑料电缆表面石墨烯衍生物被微波加热处理，随后复合塑料电缆离开微波加热区并被冷却,然后进行挤压处理即可获得表面包覆有石墨烯层的复合塑料电缆。

所述石墨烯衍生物是指石墨烯的氧化物，包括氧化石墨烯和还原氧化石墨烯及石墨烯边缘衍生物。所述微波加热处理，是指石墨烯衍生物吸收微波而升温并导致氧化的石墨烯被还原，而边缘功能化石墨烯则发生脱边缘官能团的反应。所述微波加热处理的时间少于30秒。所述设定气氛是指惰性气氛、还原性气氛或者真空状态；惰性气氛是指气体不与石墨烯基材料反应的气体；还原性气氛是指气体中含有还原石墨烯衍生物的气体；真空状态是指气压小于4kpa。所述塑料电缆离开微波加热区并被冷却是指通过冷的气氛或者额外施加冷的流体而冷却。所述微波加热及随后塑料电缆离开微波加热区并被冷却的过程可以重复以多次。所述石墨烯衍生物溶液涂布在选定的塑料电缆表面形成复合塑料电缆，随后在特定气氛下使得复合塑料电缆被微波加热，随后复合塑料电缆离开微波加热区并被迅速冷却，然后进行挤压处理的系列过程可以重复即可以多次涂布石墨烯衍生物以获取增厚的石墨烯层。所述涂布包括浸涂、喷涂、刷涂、层层组装涂布。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

首先塑料电缆1籍由导轮11通过浸液池2中溶液2a而涂布石墨烯衍生物溶液，然后涂布了石墨烯衍生物层的复合塑料电缆通过挤液辊3挤去多余溶液，随后复合塑料电缆通过烘房4进行干燥，随即进入前控温区5利用温控流体入口5a(如一定温度的空气、水等)及温控流体出口5b设定温度循环流体而控制进入微波加热前复合塑料电缆的温度，随后复合塑料电缆进入由开有小孔的金属挡板6防护的微波炉7中。在微波炉加热区域设置气氛腔8并利用气体入口8a及气体出口8b而控制在微波加热区域复合纤维周围的气氛环境；同时在微波加热区域还设置中控温9以利用温控流体入口9a及温控流体出口9b设定温度循环流体而控制微波加热时的复合纤维周围的温度环境。然后籍由微波输入7a输入微波在设定气氛及温度环境下对复合塑料电缆上的石墨烯衍生物层通过微波短暂加热，随后经过开有小孔的金属挡板离开微波炉7并进入后控温10区并利用温控流体入口10a及温控流体出口10b设定温度循环流体而冷却微波加热处理后的复合塑料电缆的，随后复合塑料电缆通过挤压辊12的挤压而获得由石墨烯层包覆的复合塑料电缆。

其中金属挡板6可以由开小孔而利于塑料电缆连续运行改为由导轮11引导塑料电缆绕过金属挡板而连续运行从而有利于阻挡微波而增强对人体的防护。如图2所示。

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一：

首先制备氧化石墨烯粉末和还原氧化石墨烯粉末。30克石墨混合15g硝酸钠和750毫升浓硫酸。将混合物在冰浴中冷却到0摄氏度，并搅拌2h后，缓慢加入90克高锰酸钾，保持混合过程中混合物温度低于5摄氏度。该混合物再搅拌一个小时，并通过移除冰浴而加热到室温。混合物中添加1升蒸馏水并在油浴中的温度增加到90摄氏度。另外添加300毫升水，并再搅拌一个半小时。混合物的颜色变成棕色。混合物然后用30％的300毫升过氧化氢和30升热水处理和稀释。该混合物进一步用过量的水洗涤，直到滤液的ph值几乎是中性的从而获得氧化石墨烯。然后将氧化石墨烯在水中分散并用水合肼在80摄氏度还原12小时。还原氧化石墨烯以黑色沉淀形成，用0.45μmptfe膜过滤收集，并用大量的水冲洗。产品通过甲醇、四氢呋喃(thf)和水用索氏提取法进一步纯化。最后，所获得的还原氧化石墨烯在0.05毫米汞柱真空环境下零下120摄氏度冻干。随后用去离子水配制5毫克/毫升的还原氧化石墨烯水溶液。

其次获取直径为1毫米的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)塑料电缆，然后将塑料电缆以60米/分钟的速度通过0.5毫克/毫升的还原氧化石墨烯水溶液浸液池进行涂布，随后复合纤维通过线压力为250牛/厘米硬度为85度的挤液辊去除多余的溶液，然后复合纤维进入150摄氏度烘房干燥，得到表面涂布有还原氧化石墨烯层的复合塑料电缆。然后复合塑料电缆在前控温区冷却至零摄氏度，随后通过开有小孔的不锈钢金属挡板进入氩气保护的中控温为零下10摄氏度的微波加热区。微波加热区由10个1000w微波炉连接而成，加热区长度达到1米，复合塑料电缆籍由微波加热约1秒，随后通过金属挡板上小孔进入温度为0摄氏度的后控温区进行冷却，其后复合塑料电缆通过线压力为500牛/厘米的挤压辊进行挤压处理。重复上述涂布-冷却-微波加热-冷却-挤压过程三次获得石墨烯层碳含量大于90％，使用温度范围由零下10摄氏度至70摄氏度升至零下十摄氏度至100摄氏度的复合pmma塑料电缆。

实施例二：

首先获取直径为0.5毫米的聚苯乙烯(ps)塑料电缆，然后随后将塑料电缆以0.1米/秒的速度通过30厘米长的10毫克/毫升的氧化石墨烯水溶液，干燥后获得表面涂布了氧化石墨烯层的聚苯乙烯塑料电缆。将该复合塑料电缆在水合肼蒸汽中95摄氏度处理24小时以还原氧化石墨烯层而获得表面包覆有还原氧化石墨烯包覆的ps塑料电缆。随后在零下5摄氏度氮气保护下以0.05米/秒的速度通过功率为1000w的微波炉直径10厘米加热区进行加热约2秒，随后再次进入零下5摄氏度区域进行冷却，重复上述冷却-微波加热-冷却过程10次，随后在300牛/厘米的线压力下对复合塑料电缆通过挤压辊进行挤压获得石墨烯层碳含量大于90％，使用温度范围由零下10摄氏度至70摄氏度升至零下十摄氏度至100摄氏度的复合ps塑料电缆。

实施例三：

首先制备边缘羧基化的石墨烯薄片。5克石墨和100克干冰加入含有1000克的直径5毫米不锈钢球的不锈钢胶囊内。容器被密封并固定在行星球磨机(f-p4000)，并以500rpm(转/分)速度搅拌48小时。随后，内部压力通过一个气体出口缓慢释放。在球磨结束时通过在空气中打开容器盖，由空气中的湿汽引发羧化物发生剧烈的水化反应生成羧酸而发闪光。所得产品用1m盐酸溶液进行索氏抽提以彻底酸化羧酸盐和去除可能有的金属杂质。最终在0.05毫米汞柱真空环境下零下120摄氏度冻干48小时获得边缘羧基化石墨烯纳米片的暗黑色粉末。将0.1wt％的边缘羧基化石墨烯纳米片通过在异丙醇中超声30分钟获得均匀分散的溶液。

其次获取直径约约0.8毫米的聚碳酸酯(pc)塑料电缆，将其以0.1米/秒的速度运行，并通过喷头将0.1wt％边缘羧基化石墨烯纳米片异丙醇溶液喷淋至上，重复运行100米间隔后用另外的喷头对pc塑料电缆喷淋，喷涂5次后，50摄氏度真空干燥24小时获得边缘羧基化石墨烯层包裹的复合pc塑料电缆。将该复合pc塑料电缆在氦气保护下以0.05米/秒的速度通过零下10摄氏度的温控区域使得纤维处于零下10摄氏度，然后通过功率为1000w的微波炉直径10厘米加热区进行加热约2秒，随后再次进入零下10摄氏度区域进行冷却，重复上述冷却-微波加热-冷却过程5次，随后复合pc塑料电缆通过线压力为400牛/厘米的挤压辊进行挤压处理获得石墨烯层碳含量大于90％，最高使用温度由135摄氏度升至150摄氏度的复合pc塑料电缆。

实施例四：

首先制备边缘卤代石墨烯纳米片。5克石墨加入含有1000克的直径5毫米不锈钢球的不锈钢胶囊内。然后胶囊密封并在0.05毫米汞柱真空压力条件下五次循环充和放氩气。此后，通过气缸压力为8.75atm从气体入口加入氯气。容器被密封并固定在行星球磨机(f-p4000)，并以500rpm(转/分)速度搅拌48小时。所得产品先后用甲醇和1m盐酸溶液进行索氏抽提以彻底去除小分子有机杂质及可能有的金属杂质。最终在0.05毫米汞柱真空环境下零下120摄氏度冻干48小时获得边缘氯化石墨烯纳米片的暗黑色粉末。然后配制0.01毫克/毫升的边缘氯代石墨烯异丙醇溶液。

其次获取直径为1毫米的芯为氟化梯度塑料电缆。然后将塑料电缆以1分米/秒的速度运行，并让塑料电缆距离静电喷雾器喷嘴6厘米，静电喷雾喷嘴上施加8kv的电压，并以200微升/分钟的速度通过喷嘴将0.01毫克/毫升的边缘氯代石墨烯异丙醇溶液喷涂到塑料电缆上，随后室温干燥，并重复静电喷涂及室温干燥10次，得到边缘氯代石墨烯包覆的复合塑料电缆。将该复合塑料电缆在50摄氏度真空干燥10小时。然后在氮气保护下将复合塑料电缆以0.05米/秒的速度在零下3摄氏度的温度环境下，通过功率为1000w的微波炉直径10厘米加热区进行加热约2秒，随后再次进入零下3摄氏度区域进行冷却，重复上述冷却-微波加热-冷却过程5次，随后复合纤维通过线压力为250牛/厘米的挤压辊进行挤压处理获得石墨烯层碳含量大于90％，最高使用温度由70摄氏度升至100摄氏度的复合塑料电缆。