一种基于深冷加工的铜电缆导线及其制备方法

技术领域

本发明属于电缆导线制备技术领域，尤其涉及一种基于深冷加工的铜电缆导线及其制备方法。

背景技术

铜电缆导线是一种用于传输电能的电力传输介质，它们在电力系统中发挥着关键作用，用于连接电源和设备，以及在设备之间建立电力连接。随着社会经济的发展，人们生活水平的显著提高，人们对吃、穿、住、行、用相关产品的安全意识也逐步提高，因此，人们对用电缆导线各项性能的要求日趋严苛。铜芯作为电力传输的主要介质，需要具备一定的抗拉强度和屈服强度和较低的电阻率，以确保其在安装和使用过程中能够承受一定的外力和应力、减少电力传输损耗。鉴于电缆导线是用电系统的重要载体，每年由电缆短路、超负荷、电器设备故障等电气原因引发的火灾约占火灾总数的30%，电缆导线的安全性能也受到人们的关注。目前的电缆保护层主要由添加阻燃剂的树脂、橡胶或尼龙编织材料制成，它们虽然具有一定的阻燃、抑延燃性能，但也存在疏水性差、耐火性不佳的缺点，不能用在对防火要求较高的场所，使用寿命短，因此有必要研发一种安全性能高的铜电缆导线。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种铜芯导体电阻率低、使用寿命长、屈服强度和抗拉强度高，以及防火性能好的铜电缆导线。

为了实现上述目的，采用了如下技术方案：本发明提供了一种基于深冷加工的铜电缆导线及其制备方法，所述基于深冷加工的铜电缆导线包括铜芯导体，所述铜芯导体外部包覆有绝缘层，所述绝缘层外部包覆有屏蔽层，所述屏蔽层外部包覆有填充层，所述填充层外部包覆有铠装层，所述铠装层外部包覆有保护层。

进一步地，所述保护层包括如下重量份的组分：PVC树脂100-120份、复合阻燃剂5-8份、铝酸钙5-10份、钙锌稳定剂1-1.8份。

进一步地，所述复合阻燃剂的制备包括如下步骤：

（1）将4.2-5.5g乙酰化二淀粉磷酸酯与100mL去离子水混合搅拌，加热到30-50℃，保温30-60min，得到悬浊液，将1.52-2.55g可溶性镁盐和1.43-2.21g可溶性镍盐加入到100mL去离子水中，搅拌溶解后缓慢加入到所述悬浊液中，再加入1mol/L氨水调整PH为7-9，40-60℃反应2-5h，反应结束，过滤，滤渣用去离子水洗涤，于真空烘箱内60-80℃干燥4-8h，得到中间体；

（2）将0.5-1.2g甲基苯基二甲氧基硅烷溶解于75mL环己烷中，再加入所述中间体，搅拌反应2-3h，过滤，滤渣用去环己烷洗涤，于真空烘箱内60-80℃干燥3-5h，得到所述复合阻燃剂。

进一步地，所述可溶性镁盐为氯化镁、硝酸镁、硫酸镁中的一种；所述可溶性镍盐为乙酸镍、氯化镍、硝酸镍和硫酸镍中的一种。

进一步地，所述铜芯导体包括以下重量百分比的组分：Zn：0.2-0.45%，Al：0.4-1.2%，Mn：0.45-1%，Ni：0.25-0.6%，Mg：0.05-0.1%，Fe：0.5-1.2%，Ti：0.05-0.2%，其余为Cu。

进一步地，所述铜芯导体的制备包括如下步骤：

（1）熔融：将上述金属原料按照重量百分比投入高温熔炉，熔炼时间3.5-5.5h，温度1280-1400℃，得到合金熔体；

（2）铸轧：将所述合金熔体通入连铸机中进行连铸连轧，铸轧温度780-880℃，得到铜杆，然后280-300℃保温2-3h；

（3）深冷处理：以15-30℃/min的降温速度将所述铜杆降温到-196℃，保温15-30min，再置于空气中恢复到室温；

（4）拉丝：将所述步骤（3）中恢复到室温的铜杆经过拉丝机拉丝，得到铜丝；

（5）绞丝：将多根所述铜丝铰合成铜芯导体。

进一步地，所述绝缘层为陶瓷化硅橡胶、PA6树脂、PFA塑料中的一种。

进一步地，所述屏蔽层为铜带、铝带、镀锌铜带、镀锡铜带、铝/聚四氟复合带中的一种。

进一步地，所述填充层为耐火陶瓷纤维、聚四氟乙烯、玻璃纤维中的一种。

进一步地，所述铠装层为不锈钢带、镀锌钢带、铝带中的一种。

进一步地，所述一种基于深冷加工的铜电缆导线的制备方法包括如下步骤：通过挤出机将所述绝缘层挤包于铜芯导体表面，再在所述绝缘层外部编织屏蔽层得到线芯，将所述四根线芯平行且间隔放置并在外部填充填充层，再将所述铠装层间隙绕包于填充层外部，通过挤出的方式将所述保护层挤包于铠装层外部，得到基于深冷加工的铜电缆导线。

本发明的有益效果如下：

（1）本发明在制备铜芯导体时将铜杆在低于再结晶温度下进行保温，消除了铜合金的内应力，内部的空位、缩孔等缺陷能够有效的消除，再进行深冷处理，减少了微观结构缺陷如晶格错位、晶界不规则的出现，可以显著提高铜电缆导线的强度和硬度，同时不降低其韧性，有助于提高其抗拉强度和伸长率，增强其耐腐蚀性；

（2）深冷处理还能减少铜电缆导线内部的残余应力，降低其电阻率，从而提高其导电性能，提高其尺寸稳定性，从而减少加工过程中的变形和开裂现象；

（3）本发明先制备了层状双金属氢氧化物，再将其负载乙酰化二淀粉磷酸酯，能有效提高了保护层的力学性能和疏水性，在高温燃烧过程中，层状双金属氢氧化物可以通过释放水蒸气来稀释氧气和吸收热量，还可以作为物理屏障来隔离火焰和吸收烟雾颗粒，有效地提高保护层的阻燃性和抑烟性；

（4）双层氢氧化物的表面积大，活性位点多，其中的镍离子能够催化乙酰化二淀粉磷酸酯的分解产生磷酸、偏磷酸、聚偏磷酸等物质，这些物质具有强烈的脱水性，可使保护层聚合物表面脱水炭化，乙酰化二淀粉磷酸酯分解还会产生磷酸缩醛和气态磷酸酯自由基，磷酸缩醛分解产生的缩醛能阻止聚合物分解，而磷酸酯自由基与氧分子反应，形成磷酸酯氧化物，与氧原子进行结合，从而在聚合物表面形成一层保护层，起到抑制燃烧的作用；

（5）保护层中的铝酸钙分解产生氧化铝和氧化钙，这些氧化物能与乙酰化二淀粉磷酸酯分解产生的磷酸反应生成磷酸铝和磷酸钙，双层氢氧化物、乙酰化二淀粉磷酸酯和铝酸钙三者协同作用，能进一步提高了保护层的阻燃性能。

附图说明

图1为一种基于深冷加工的铜电缆导线的截面图；

图2为实施例1-3和对比例1中铜芯导体的微观组织形貌图；

图3为实施例1-3和对比例1制备的铜丝试样的电阻和电导率图；

图4为实施例1-3和对比例1制备的铜丝试样的抗拉强度和屈服强度图。

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图例：

1、铜芯导体；2、绝缘层；3、屏蔽层；4、填充层；5、铠装层；6、保护层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例、基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用，但不能限制本申请的内容。

下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的试验材料如无特殊说明，均为从商业渠道购买得到的。

实施例1

一种基于深冷加工的铜电缆导线及其制备方法。

所述基于深冷加工的铜电缆导线包括铜芯导体1，所述铜芯导体1外部包覆有绝缘层2，所述绝缘层2外部包覆有屏蔽层3，所述屏蔽层3外部包覆有填充层4，所述填充层4外部包覆有铠装层5，所述铠装层5外部包覆有保护层6。

所述保护层包括如下重量份的组分：PVC树脂100份、复合阻燃剂5份、铝酸钙5份、钙锌稳定剂1份。

所述复合阻燃剂的制备包括如下步骤：

（1）将4.2g乙酰化二淀粉磷酸酯与100mL去离子水混合搅拌，加热到30℃，保温30min，得到悬浊液，将1.52g氯化镁和1.43g氯化镍加入到100mL去离子水中，搅拌溶解后缓慢加入到所述悬浊液中，再加入1mol/L氨水调整PH为7，40℃反应2h，反应结束，过滤，滤渣用去离子水洗涤，于真空烘箱内60℃干燥4h，得到中间体；

（2）将0.5g甲基苯基二甲氧基硅烷溶解于75mL环己烷中，再加入所述中间体，搅拌反应2h，过滤，滤渣用去环己烷洗涤，于真空烘箱内60℃干燥3h，得到所述复合阻燃剂。

所述铜芯导体包括以下重量百分比的组分：Zn：0.2%，Al：0.4%，Mn：0.45%，Ni：0.25%，Mg：0.05%，Fe：0.5%，Ti：0.05%，其余为Cu。

所述铜芯导体的制备包括如下步骤：

（1）熔融：将上述金属原料按照重量百分比投入高温熔炉，熔炼时间3.5h，温度1280℃，得到合金熔体；

（2）铸轧：将所述合金熔体通入连铸机中进行连铸连轧，铸轧温度780℃，得到铜杆，然后280℃保温2h；

（3）深冷处理：以15℃/min的降温速度将所述铜杆降温到-196℃，保温15min，再置于空气中恢复到室温；

（4）拉丝：将所述步骤（3）中恢复到室温的铜杆经过拉丝机拉丝，得到铜丝；

（5）绞丝：将多根所述铜丝铰合成铜芯导体。

所述绝缘层为陶瓷化硅橡胶；所述屏蔽层为铜带；所述填充层为耐火陶瓷纤维；所述铠装层为不锈钢带。

所述一种基于深冷加工的铜电缆导线的制备方法包括如下步骤：通过挤出机将所述绝缘层挤包于铜芯导体表面，再在所述绝缘层外部编织屏蔽层得到线芯，将所述四根线芯平行且间隔放置并在外部填充填充层，再将所述铠装层间隙绕包于填充层外部，通过挤出的方式将所述保护层挤包于铠装层外部，得到基于深冷加工的铜电缆导线。

实施例2

一种基于深冷加工的铜电缆导线及其制备方法。

所述基于深冷加工的铜电缆导线包括的结构和制备过程包括的步骤与实施例1相同。

所述保护层包括如下重量份的组分：PVC树脂120份、复合阻燃剂8份、铝酸钙10份、钙锌稳定剂1.8份。

所述复合阻燃剂的制备包括如下步骤：

（1）将5.5g乙酰化二淀粉磷酸酯与100mL去离子水混合搅拌，加热到50℃，保温60min，得到悬浊液，将2.55g硫酸镁和2.21g乙酸镍加入到100mL去离子水中，搅拌溶解后缓慢加入到所述悬浊液中，再加入1mol/L氨水调整PH为9，60℃反应5h，反应结束，过滤，滤渣用去离子水洗涤，于真空烘箱内80℃干燥8h，得到中间体；

（2）将1.2g甲基苯基二甲氧基硅烷溶解于75mL环己烷中，再加入所述中间体，搅拌反应3h，过滤，滤渣用去环己烷洗涤，于真空烘箱内80℃干燥5h，得到所述复合阻燃剂。

所述铜芯导体包括以下重量百分比的组分：Zn：0.45%，Al：1.2%，Mn：1%，Ni：0.6%，Mg：0.1%，Fe：1.2%，Ti：0.2%，其余为Cu。

所述铜芯导体的制备包括如下步骤：

（1）熔融：将上述金属原料按照重量百分比投入高温熔炉，熔炼时间5.5h，温度1400℃，得到合金熔体；

（2）铸轧：将所述合金熔体通入连铸机中进行连铸连轧，铸轧温度880℃，得到铜杆，然后300℃保温3h；

（3）深冷处理：以30℃/min的降温速度将所述铜杆降温到-196℃，保温30min，再置于空气中恢复到室温；

（4）拉丝：将所述步骤（3）中恢复到室温的铜杆经过拉丝机拉丝，得到铜丝；

（5）绞丝：将多根所述铜丝铰合成铜芯导体。

所述绝缘层为PA6树脂；所述屏蔽层为镀锌铜带；所述填充层为聚四氟乙烯；所述铠装层为镀锌钢带。

实施例3

一种基于深冷加工的铜电缆导线及其制备方法。

所述基于深冷加工的铜电缆导线包括的结构和制备过程包括的步骤与实施例1相同。

所述保护层包括如下重量份的组分：PVC树脂108份、复合阻燃剂6.5份、铝酸钙7.5份、钙锌稳定剂1.5份。

所述复合阻燃剂的制备包括如下步骤：

（1）将5.0g乙酰化二淀粉磷酸酯与100mL去离子水混合搅拌，加热到40℃，保温45min，得到悬浊液，将2.33g硝酸镁和1.82g硫酸镍加入到100mL去离子水中，搅拌溶解后缓慢加入到所述悬浊液中，再加入1mol/L氨水调整PH为/，40-60℃反应4h，反应结束，过滤，滤渣用去离子水洗涤，于真空烘箱内70℃干燥6h，得到中间体；

（2）将0.8g甲基苯基二甲氧基硅烷溶解于75mL环己烷中，再加入所述中间体，搅拌反应2-3h，过滤，滤渣用去环己烷洗涤，于真空烘箱内70℃干燥4.5h，得到所述复合阻燃剂。

所述铜芯导体包括以下重量百分比的组分：Zn：0.33%，Al：0.82%，Mn：0.6%，Ni：0.35%，Mg：0.08%，Fe：0.8%，Ti：0.15%，其余为Cu。

所述铜芯导体的制备包括如下步骤：

（1）熔融：将上述金属原料按照重量百分比投入高温熔炉，熔炼时间4h，温度1300℃，得到合金熔体；

（2）铸轧：将所述合金熔体通入连铸机中进行连铸连轧，铸轧温度850℃，得到铜杆，然后295℃保温2.5h；

（3）深冷处理：以20℃/min的降温速度将所述铜杆降温到-196℃，保温20min，再置于空气中恢复到室温；

（4）拉丝：将所述步骤（3）中恢复到室温的铜杆经过拉丝机拉丝，得到铜丝；

（5）绞丝：将多根所述铜丝铰合成铜芯导体。

所述绝缘层为PFA塑料；所述屏蔽层为铝/聚四氟复合带；所述填充层为玻璃纤维；所述铠装层为铝带。

对比例1

一种基于深冷加工的铜电缆导线及其制备方法

其与实施例1的不同在于所述铜芯导体的制备过程，其余组分、组分含量、制备过程与实施例1相同。

所述铜芯导体的制备包括如下步骤：

（1）熔融：将上述金属原料按照重量百分比投入高温熔炉，熔炼时间5.5h，温度1400℃，得到合金熔体；

（2）铸轧：将所述合金熔体通入连铸机中进行连铸连轧，铸轧温度880℃，得到铜杆，然后300℃保温3h；

（3）空冷：将所述步骤（2）得到的铜杆置于室温下降温；

（4）拉丝：将所述步骤（3）中恢复到室温的铜杆经过拉丝机拉丝，得到铜丝；

（5）绞丝：将多根所述铜丝铰合成铜芯导体。

对比例2

一种基于深冷加工的铜电缆导线及其制备方法

其与实施例1的不同在于所述保护层中用等量的氢氧化镁代替复合阻燃剂，其余组分、组分含量、制备过程与实施例1相同。

对比例3

一种基于深冷加工的铜电缆导线及其制备方法

其与实施例1的不同在于所述保护层中用等量的PVC树脂代替铝酸钙，其余组分、组分含量、制备过程与实施例1相同。

结果分析

用量热计测试实施例1-3和对比例2-3的电缆导线的阻燃性能，包括氧指数、最大热释放速率和最大烟雾释放量，结果见表1，其中氧指数测定具体方法如下：将试样垂直夹在样品支架上，试样宽6.5毫米，厚3.0毫米，长150毫米，调节氧气和氮气的比例，用点火棒点燃试样，要求试样点燃后，正好在3分钟熄灭，且燃烧长度为50毫米，如不符合上述两点要求，调整氧气和氮气的比例，直至满足为止，氧指数（LOI）=氧流量/（氧流量+氮流量）×100%。

表1实施例1-3和对比例2-3制备的铜电缆导线的防火性能测试结果

由表1可知，本发明制备的电缆导线阻燃性能优秀，将层状双金属氢氧化物负载乙酰化二淀粉磷酸酯，与铝酸钙协同作用，极大地提高了电缆导线的阻燃性能，同时烟雾释放量也更少。

利用LV150N金相显微镜观察实施例1-3和对比例1中铜芯导体的微观组织形貌，图2为放大200倍的微观形貌图，其中（a）-（d）分别对应实施例1-3和对比例1，未经过深冷处理的铜芯导体中含有较大的颗粒，且颗粒大小分布不均匀，而经过深冷处理的实施例1-3的铜芯导体仅含有较小的颗粒且分布均匀，说明深冷处理减少了微观结构缺陷如晶格错位、晶界不规则的出现，使铜合金基体组织明显细化。

截取实施例1-3和对比例1得到的直径3mm，长度100mm的铜丝，测定其电阻和电阻率，结果如图3所示；在CTM-800拉力机上测定实施例1-3和对比例1得到的铜丝的抗拉强度和屈服强度，试验速度为3mm/min，结果如图4所示，由图3和图4可知，深冷处理使铜芯导体的力学性能得到一定的提高，并且降低了铜芯导体的电阻率。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的应用并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。