一种抗强风阻燃型架空绝缘电缆的制作方法

本发明涉及绝缘电缆，具体涉及一种抗强风阻燃型架空绝缘电缆。

背景技术：

1、架空绝缘电缆作为城乡配电网、工矿企业供电及输配电线路的重要组成部分，因其具有占用空间小、供电可靠性高、安全性好、运维成本低等优点，已逐步取代传统的裸导线架空线路，成为中低压配电网络建设的主流选择。

2、架空电缆多沿道路、林区及建筑密集区敷设，一旦发生单相接地、短路电弧或受外部火源引燃，普通交联聚乙烯、聚乙烯绝缘材料属于易燃材料，且燃烧时存在滴落、延燃速度快等问题，极易沿线路纵向快速蔓延，形成“火烧连营”式的火灾扩展；燃烧过程还伴随大量有毒烟气和腐蚀性气体，不仅威胁线路本体安全，也对周边人员、林木及建筑物构成严重的二次灾害风险。

3、针对上述问题，行业内已有若干改进尝试：例如通过在绝缘料中添加氢氧化铝、氢氧化镁等无机阻燃填料来提升阻燃等级；或采用增大导体截面、增设铠装层等方式提高机械强度。然而，这些手段存在明显局限：其一，大量添加无机阻燃填料虽能在一定程度上提高阻燃性，却会显著降低绝缘料的拉伸强度、断裂伸长率和抗撕裂性能，导致抗风机械性能进一步恶化，形成“阻燃与抗风相互掣肘”的技术矛盾；其二，单纯的增厚或铠装方案增重明显，反而加大了风载，且成本高、施工难度大，难以兼顾轻量化与高可靠；其三，现有方案多针对单一性能进行改进，缺乏在材料体系、结构设计与界面结合上的协同优化，难以在强风与火灾耦合的极端工况下同时保障线路的安全稳定运行。

4、并且，现有护套材料在高温与风载耦合下存在韧性与成炭阻燃的双重短板。其一，pvc及刚性无卤护套常温下延展性有限，在强风引起的反复弯曲扭转循环载荷与高温蠕变共同作用下，易产生风疲劳微裂纹并随蠕变累积发生永久变形、垂弧增大甚至断裂，抗风能力弱；其二，现有护套在高温下形成的炭化层完整性差、强度低，难以在强风冲刷中自持，常出现熔滴或炭化层吹失，不仅失去隔热屏障，熔滴还会引燃下方植被或相邻线路，存在延燃风险。

5、因此，本技术研发一种能够同时实现高效阻燃与抗气流剥落、并使护套层同时实现高韧性抗风疲劳蠕变与高温成炭阻燃的抗强风阻燃型架空绝缘电缆，以解决现有技术中的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种抗强风阻燃型架空绝缘电缆。

2、本发明提供一种抗强风阻燃型架空绝缘电缆，包括由内向外依次设置的缆芯、填充阻燃层、绕包层、内护套层、铠装层和抗风护套层。

3、缆芯包括铜合金导体以及包覆于铜合金导体外部的聚氯乙烯绝缘层，铜合金导体由10-20股铜合金导线绞合形成，绞合速度为50-150rpm，绞合完成，在200-300℃退火30-60min；缆芯设置有6-8根，6-8根缆芯之间的孔隙中填充有阻燃填充绳，以形成填充阻燃层；绕包层为聚酯带，内护套层为低密度聚乙烯层，铠装层为铝塑复合带。

4、阻燃填充绳包括阻燃气凝胶微粉和皮芯型低熔点共聚酯短纤维，阻燃气凝胶微粉与皮芯型低熔点共聚酯短纤维的质量比为2-3：1。阻燃气凝胶微粉包括聚乙烯醇、改性阻燃填料和胶态二氧化硅，改性阻燃填料为经离子液体改性剂改性的酸活化埃洛石，离子液体改性剂为四丁基磷鎓双(2-乙基己基)磷酸盐。

5、抗风护套层的材料包括70-85重量份聚丙烯、18-24重量份聚烯烃弹性体、15-20重量份苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、2-5重量份马来酸酐接枝聚丙烯、2-5重量份白炭黑、0.5-1.5重量份润滑剂、0.5-2重量份抗氧化剂、1-2重量份抗紫外吸收剂、8-15重量份复合树脂填料和8-10重量份改性碳纳米管纤维。

6、作为优选的一个方面，阻燃气凝胶微粉由聚乙烯醇溶液、改性阻燃填料分散液和二氧化硅质量分数为15%的胶态二氧化硅分散液混合并进行超声处理后，依次经液氮冷冻、冷冻干燥及粉碎制得；其中，用于配制聚乙烯醇溶液的聚乙烯醇、用于配制改性阻燃填料分散液的改性阻燃填料与二氧化硅质量分数为15%的胶态二氧化硅分散液的重量份比为4-8：2-3：20-30。

7、作为优选的一个方面，将4-8重量份聚乙烯醇加入50-60重量份去离子水中，在80-90℃下加热搅拌6-8h，得到聚乙烯醇溶液；将2-3重量份改性阻燃填料加入30-40重量份去离子水中，超声搅拌分散2-3h，得到改性阻燃填料分散液；向40-50℃的聚乙烯醇溶液中加入改性阻燃填料分散液，搅拌1-2h，得到混合分散液。

8、将胶态二氧化硅用去离子水稀释，得到二氧化硅质量分数为15%的胶态二氧化硅分散液，向混合分散液中加入20-30重量份胶态二氧化硅分散液，在400-600rpm下搅拌1-2h，再超声处理1-2h，随后置于液氮中冷冻1-2min，并进行48-50h冷冻干燥，得到块状阻燃气凝胶；将块状阻燃气凝胶粉碎至200-300目，得到阻燃气凝胶微粉。

9、将阻燃气凝胶微粉与皮芯型低熔点共聚酯短纤维按质量比2-3：1混合，于梳理机上先行开松纤维，再混入阻燃气凝胶微粉梳理成网，经135-145℃热风固结并加捻，制成阻燃填充绳。

10、作为优选的一个方面，抗风护套层的制备包括：将70-85重量份聚丙烯、18-24重量份聚烯烃弹性体（poe）、15-20重量份苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物（sebs）、2-5重量份马来酸酐接枝聚丙烯、2-5重量份白炭黑、0.5-1.5重量份润滑剂、0.5-2重量份抗氧化剂、1-2重量份抗紫外吸收剂、8-15重量份复合树脂填料和8-10重量份改性碳纳米管纤维加入高速混合机中，在800-900rpm下混合20-30min，得到抗风电缆预混料；

11、将抗风电缆预混料送入双螺杆挤出机进行熔融混炼并造粒，机筒温度为180-210℃、模头温度为200-210℃、螺杆转速为200-400rpm，得到抗风护套粒料；将抗风护套粒料加入单螺杆挤出机，于185-210℃熔融塑化后经十字机头挤出包覆于铠装层外部，挤出后依次经30-40℃温水冷却1-3min和5-15℃冷却水定径，风干后形成抗风护套层。

12、作为优选的一个方面，改性阻燃填料的制备，具体包括如下步骤：

13、将10-20重量份1mol/l盐酸溶液与1-2重量份埃洛石混合，之后在80-85℃下微波加热处理2-3h，之后洗涤至中性，干燥研磨粉碎，得到酸活化埃洛石；

14、将酸活化埃洛石与四丁基磷鎓双(2-乙基己基)磷酸盐离子液体改性剂，按质量比1：1置于高压反应釜中，然后再加无水乙醇，添加量为离子液体改性剂质量的5-10wt%，最后通入二氧化碳，调节系统温度至60-70℃、压力12-15mpa，在超临界条件下300-500rpm持续搅拌2-4h，然后收集产物，用无水乙醇洗涤2-3次，真空干燥，得到离子液体改性剂改性酸活化埃洛石，即为改性阻燃填料。

15、作为优选的一个方面，复合树脂填料的制备，具体包括如下步骤：

16、将3-8重量份双马来酰亚胺树脂与2-5重量份丁香酚基树脂单体在80-100℃下搅拌混合20-30min，然后加入至密炼机中，通入氮气保护，设定温度为140-150℃，转子转速60-80rpm，熔融共混反应15-20min，得到改性树脂预混物，将改性树脂预混物与固化剂4,4'-二氨基苯砜按质量比100：（5-15）混合，在60-80℃下搅拌均匀后，然后放入鼓风烘箱中进行阶梯固化处理，研磨粉碎，得到复合树脂填料；

17、丁香酚基树脂单体具体为：将30-35重量份丁香酚、34-38重量份4-硝基邻苯二甲腈和110-120重量份二甲基亚砜混合，然后在200-400rpm下搅拌混合30-40min，之后加入32-37重量份碳酸钾，保持搅拌速度，在60-70℃加热温度下回流反应8-10h，反应完成后过滤，得到反应物，用0.1mol/l氢氧化钠溶液冲洗3-5次，再用去离子水冲洗3-5次，最后干燥，得到丁香酚基树脂单体。

18、作为优选的一个方面，复合树脂填料的制备中所述阶梯固化处理具体为：先在160-180℃保温1-2h，再升温至200-210℃保温1-2h，最后升温至220-230℃保温2-4h，随炉冷却至室温。

19、作为优选的一个方面，四丁基磷鎓双(2-乙基己基)磷酸盐离子液体改性剂的制备，具体包括如下步骤：

20、将34-36重量份40wt%四丁基氢氧化膦水溶液加入到50-60重量份甲醇中，之后在400-500rpm下搅拌混合20-30min，得到氢氧化物溶液，将16-18重量份双(2-乙基己基)磷酸加入到50-60重量份甲醇中，搅拌混合后，滴加到氢氧化物溶液，滴加20-30min，滴加完成后，继续搅拌混合20-24h，然后旋转蒸发去除溶剂，得到四丁基磷鎓双(2-乙基己基)磷酸盐，即为离子液体改性剂。

21、作为优选的一个方面，改性碳纳米管纤维的制备，具体包括如下步骤：

22、将聚对苯撑苯并双噁唑纤维（pbo纤维）剪切后分散浸泡至氯磺酸（csa）中，在室温下磁力搅拌24-26h，得到浓度为0.05wt%的聚对苯撑苯并双噁唑-氯磺酸分散液（pbo-csa分散液）；

23、将烘干处理的碳纳米管纤维以5m/min引入含有pbo-csa分散液的浸渍槽中，牵伸比为5-10%，将经浸渍牵伸后的纤维丝束依次引入二氯甲烷和丙酮溶液中进行清洗，使纤维丝束所携带处理液中的csa被逐步去除，并使聚对苯撑苯并双噁唑组分沉积附着于碳纳米管纤维表面，最后收集缠绕成卷，将改性后的连续碳纳米管纤维束，使用纤维切断机切成长度3-6mm的短纤维，得到改性碳纳米管纤维。

24、作为优选的一个方面，润滑剂为硬脂酸钙、硬脂酸锌、聚乙烯蜡中的一种；抗氧化剂为受阻酚类主抗氧剂与亚磷酸酯类辅助抗氧剂的复配体系，其质量比为1-2：1-2，受阻酚类主抗氧剂为抗氧剂1010，亚磷酸酯类辅助抗氧剂为抗氧剂168；抗紫外吸收剂为苯并三唑类抗紫外剂、二苯甲酮类抗紫外剂中的一种。

25、本发明具有以下优点：

26、1、本发明在缆芯孔隙中填充阻燃填充绳，形成填充阻燃层，阻燃气凝胶微粉均匀分散于纤维网络之中，低熔点共聚酯短纤维在热风固结时部分熔融，将阻燃气凝胶微粉粘结固定于纤维骨架内，形成稳定的“纤维-气凝胶”复合结构，这一结构既发挥了阻燃气凝胶微粉的阻燃功能，又借助纤维网络的力学支撑作用弥补了气凝胶本身强度低、韧性差的固有缺陷，阻燃气凝胶微粉以聚乙烯醇为基体、改性阻燃填料为功能组分、胶态二氧化硅为增强相，改性阻燃填料经超临界二氧化碳辅助离子液体改性后，使填料与聚乙烯醇基体的界面相容性显著改善，能够以纳米尺度均匀分散于气凝胶骨架的网络节点上，避免无机阻燃填料团聚，并且选用四丁基磷鎓双(2-乙基己基)磷酸盐作为离子液体改性剂，改性阻燃填料在高温燃烧时，其所负载的磷鎓盐类离子液体发生热分解，生成含磷活性物种，该含磷物种可促进基体脱水成炭并与聚合物热解碎片协同形成致密有机炭化层；同时，受热过程中埃洛石纳米管暴露出高比表面积的铝硅酸盐活性位点，进一步催化热解碎片环化、成炭并捕捉自由基，胶态二氧化硅的三维刚性硅氧网络在高温下保持结构稳定，对形成的有机炭化层起到原位锚定和骨架支撑作用，并且与含磷氧化物、铝硅酸盐共同转化为连续、致密的无机陶瓷化层；上述有机炭化层与无机陶瓷化层在气凝胶微孔骨架上原位构筑为致密的有机-无机双层阻隔结构，使阻燃填充绳遭遇强风火灾时，有利于提高炭化层在气流冲刷条件下的结构稳定性，从而提高电缆的阻燃性能。

27、2、本发明通过将双马来酰亚胺树脂与丁香酚基树脂单体预先熔融共混并阶梯固化处理，制得复合树脂填料，再与改性碳纳米管纤维协同构建抗风护套层，固化过程中，丁香酚基树脂单体中的烯丙基与双马来酰亚胺树脂的马来酰亚胺双键交联，形成双马来酰亚胺刚性耐热网络与丁香酚基邻苯二甲腈网络互穿的交联结构，该结构中，丁香酚基树脂单体的烯丙基柔性侧基对双马来酰亚胺刚性链段起到内增韧作用，克服了双马来酰亚胺树脂单独添加导致抗风护套层脆性增加的缺陷；同时双马来酰亚胺树脂与丁香酚基树脂单体均含高氮结构，二者协同促进成炭并提高抗风护套层的高温尺寸稳定性；其次，经pbo表面改性的短切碳纳米管纤维，其表面附着的pbo组分改善了纤维与基体的润湿性及模量匹配，提升纤维-基体界面结合；均匀分散于聚丙烯基体中的短切碳纳米管纤维增强相约束分子链在强风交变应力下的滑移与蠕变，上述复合树脂填料以刚性颗粒形式均匀分散于基体中，作为刚性增强相与应力传递节点，将局域载荷经“颗粒-纤维-基体”多级界面均匀分散至聚丙烯连续相，构建了“聚丙烯基体提供基础强韧性-纤维骨架承担拉伸载荷-刚性树脂颗粒传递分散应力”的高效多级载荷传递网络，显著提升了抗风护套层在强风舞动工况下的抗疲劳断裂和抗蠕变能力；同时双马来酰亚胺的高氮含量结构与丁香酚的芳香环协同促进成炭，改性碳纳米管纤维增强相在燃烧时锚固于炭化层之中，对炭化层起到原位增强与抗开裂作用，有效防止炭化层在强风冲刷下剥落破碎，有效提高阻燃性。