一种高强度抗冲击电力电缆的制作方法

本发明涉及电缆，具体的，涉及一种高强度抗冲击电力电缆。

背景技术：

1、抗冲击电力电缆是一种专门设计用于在容易受到机械外力冲击、挤压等复杂环境条件下进行电力传输的特种电缆。它通常由导体、屏蔽层、绝缘层以及外护套等关键部分构成。其中，外护套作为电缆的最外层保护屏障，其性能直接决定了电缆在复杂敷设环境中的抗机械损伤能力及内部绝缘结构的安全性。

2、在实际应用中，电缆可能会受到各种复杂的外力作用，这要求电缆的外护套材料具有良好的韧性和抗冲击性能，能够在承受瞬间高强度外力时吸收并耗散能量，而不发生破裂，以适应严酷的使用环境。

3、现有技术中，可在聚烯烃护套基体中添加高强度的短切纤维（如芳纶纤维）来提高材料的力学强度和抗冲击性能。然而，由于芳纶纤维表面结晶度高且呈强化学惰性，极易与聚合物基体发生界面脱粘，受力时不仅无法有效传递应力，反而极易在界面处产生应力集中，导致护套破裂及抗冲击性能下降。单纯使用相容剂改善效果有限，难以满足极高抗冲击强度的需求。为了解决上述技术问题，本发明提出了一种新的高强度抗冲击电力电缆。

技术实现思路

1、本发明提出一种高强度抗冲击电力电缆，提升了电缆护套层抗冲击性能；改善了纤维填料界面脱粘和相容性差的问题，使其在聚合物基体中形成牢固的界面结合；提升了材料的机械强度与韧性，适应严酷复杂的机械外力环境。

2、本发明的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提出一种高强度抗冲击电力电缆，由内至外依次包括导体、内屏蔽层、绝缘层、外屏蔽层和护套层，所述护套层包括以下重量份组分的原料：线性低密度聚乙烯40~60份、热塑性聚氨酯弹性体20~40份、表面活化芳纶短切纤维3~8份、异氰酸酯化氧化石墨烯2~5份、相容剂3~6份、抗氧剂0.5~2份、阻燃剂15~25份和润滑剂0.5~1.5份；其中，所述异氰酸酯化氧化石墨烯通过将氧化石墨烯与甲苯2,6-二异氰酸酯反应改性得到。

4、作为进一步的技术方案，所述异氰酸酯化氧化石墨烯的制备方法包括：

5、（1）分散与除水：将氧化石墨烯超声分散于n,n-二甲基甲酰胺中，在80~90℃的真空条件下减压蒸馏去除体系内的微量水分，得到氧化石墨烯分散液；

6、（2）接枝改性：在氮气保护下，向所述氧化石墨烯分散液中加入甲苯2,6-二异氰酸酯，在70~90℃条件下恒温搅拌反应12~24h，冷却后加入无水丙酮沉淀、离心洗涤、真空干燥，得到异氰酸酯化氧化石墨烯。

7、作为进一步的技术方案，所述氧化石墨烯与甲苯2,6-二异氰酸酯的质量体积比为1g:10~20ml，且无水n,n-二甲基甲酰胺与氧化石墨烯的体积质量比为100ml:1g。

8、作为进一步的技术方案，所述表面活化芳纶短切纤维的制备方法为：将芳纶短切纤维浸泡于质量分数为30%~40%的氢氧化钠的乙醇/水混合溶液中，所述乙醇与水的体积比为1:1，在80~90℃条件下加热回流处理4~6h，经过滤、去离子水洗涤至中性并烘干后得到。

9、本发明中对芳纶短切纤维进行强碱刻蚀水解处理，能够在一定程度上破坏芳纶纤维表面的高度结晶区，水解断裂部分聚酰胺键，在其惰性表面蚀刻出微观粗糙结构，并暴露出大量的活性官能团（如羧基和羟基），这些活性基团不仅能够增加纤维与聚合物基体的机械物理啮合，更重要的是为后续与异氰酸酯化氧化石墨烯发生化学交联提供了反应位点。

10、作为进一步的技术方案，所述相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯。

11、作为进一步的技术方案，所述抗氧剂为抗氧剂1010与抗氧剂168按质量比1:1~2组成的混合物。

12、作为进一步的技术方案，所述阻燃剂为十溴二苯乙烷与三氧化二锑按质量比2~3:1组成的混合物。

13、作为进一步的技术方案，所述润滑剂为硬脂酸锌或聚乙烯蜡。

14、作为进一步的技术方案，所述绝缘层采用交联聚乙烯材料制成。

15、作为进一步的技术方案，所述高强度抗冲击电力电缆的制备步骤包括：

16、s1、将内屏蔽层、绝缘层及外屏蔽层依次包覆于导体外侧，得到半成品；

17、s2、按重量份称取护套层的各组分原料，在80℃下真空干燥除水后，混合均匀，经双螺杆挤出机熔融共混、造粒，得到护套料；

18、s3、将所述护套料通过挤出机挤包在所述半成品外侧，形成护套层，得到高强度抗冲击电力电缆。

19、本发明的工作原理及有益效果为：

20、本发明中线性低密度聚乙烯与热塑性聚氨酯弹性体的共混物与表面活化芳纶短切纤维配合，构建了刚柔并济的聚合物基体结构，但是常规改性中，表面活化芳纶短切纤维与聚合物基体往往界面相容性差，受力时易在界面处产生应力集中而导致护套层破裂。加入异氰酸酯化氧化石墨烯，将线性低密度聚乙烯与热塑性聚氨酯弹性体的共混物、表面活化芳纶短切纤维三者通过化学键结合，能解决上述芳纶纤维脱粘及界面相容性差的问题；最后异氰酸酯化氧化石墨烯的二维高比表面积片层结构及其与表面活化芳纶短切纤维的配合能进一步耗散冲击能量，提升电缆护套抗冲击的效果。

21、具体而言，加入的异氰酸酯化氧化石墨烯含有极高活性的异氰酸酯基团（-nco），在熔融共混过程中，-nco基团不仅能够与热塑性聚氨酯弹性体（tpu）链段上的氨酯键发生反应生成脲基甲酸酯交联，同时还能与表面活化芳纶短切纤维表面暴露出的羧基和氨基发生高效加成反应。这种界面化学接枝可增强芳纶纤维与基体之间界面作用，从而解决了芳纶纤维脱粘和界面相容性差的问题。在熔融共混前严格的除水工艺，则确保了-nco基团不被无机阻燃剂中的微量水分子提前消耗，保障了交联反应的顺利进行。

22、更为关键的是，异氰酸酯化氧化石墨烯具有独特的二维片层网络和较大的比表面积，当材料受到外界强烈机械冲击时，一维高强度的芳纶纤维与二维的氧化石墨烯片层在聚合物基体中共同构筑了致密的三维微观互锁结构。当微裂纹产生时，该结构会通过片层偏转、纤维拔出摩擦和化学键的断裂极大程度地耗散冲击能量。氧化石墨烯的二维网络与芳纶短切纤维的一维刚性结构完美配合，赋予了护套层刚柔并济的应力传递特性，从而显著提升了电缆护套抗冲击的效果，使电缆在承受严酷机械破坏时表现出优异的综合性能。

1.一种高强度抗冲击电力电缆，其特征在于，由内至外依次包括导体、内屏蔽层、绝缘层、外屏蔽层和护套层，所述护套层包括以下重量份组分的原料：线性低密度聚乙烯40~60份、热塑性聚氨酯弹性体20~40份、表面活化芳纶短切纤维3~8份、异氰酸酯化氧化石墨烯2~5份、相容剂3~6份、抗氧剂0.5~2份、阻燃剂15~25份和润滑剂0.5~1.5份；其中，所述异氰酸酯化氧化石墨烯通过将氧化石墨烯与甲苯2,6-二异氰酸酯反应改性得到。

2.根据权利要求1所述的一种高强度抗冲击电力电缆，其特征在于，所述异氰酸酯化氧化石墨烯的制备方法包括：

3.根据权利要求2所述的一种高强度抗冲击电力电缆，其特征在于，所述氧化石墨烯与甲苯2,6-二异氰酸酯的质量体积比为1g:10~20ml，且无水n,n-二甲基甲酰胺与氧化石墨烯的体积质量比为100ml:1g。

4.根据权利要求1所述的一种高强度抗冲击电力电缆，其特征在于，所述表面活化芳纶短切纤维的制备方法为：将芳纶短切纤维浸泡于质量分数为30%~40%的氢氧化钠的乙醇/水混合溶液中，在80~90℃条件下加热回流处理4~6h，经过滤、去离子水洗涤至中性并烘干后得到。

5.根据权利要求1所述的一种高强度抗冲击电力电缆，其特征在于，所述相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯。

6.根据权利要求1所述的一种高强度抗冲击电力电缆，其特征在于，所述抗氧剂为抗氧剂1010与抗氧剂168按质量比1:1~2组成的混合物。

7.根据权利要求1所述的一种高强度抗冲击电力电缆，其特征在于，所述阻燃剂为十溴二苯乙烷与三氧化二锑按质量比2~3:1组成的混合物。

8.根据权利要求1所述的一种高强度抗冲击电力电缆，其特征在于，所述润滑剂为硬脂酸锌或聚乙烯蜡。

9.根据权利要求1所述的一种高强度抗冲击电力电缆，其特征在于，所述绝缘层采用交联聚乙烯材料制成。

10.根据权利要求1-9任一项所述的高强度抗冲击电力电缆，其特征在于，所述高强度抗冲击电力电缆的制备步骤包括：