一种汽车用轻质绝缘型电缆及其制备工艺

技术领域

本申请涉及电缆领域，更具体地说，它涉及一种汽车用轻质绝缘型电缆及其制备工艺。

背景技术

汽车的电气系统中，会使用到很多电线电缆产品。这些电线电缆主要用来连接车辆各个部分的电器设备，让汽车各个部分能够进行电信号传递和电能传输，从而实现车辆的各种功能。

在现有技术中，新能源汽车(包括纯电动汽车和混合动力汽车等)的车内高压动力电缆通常采用额定温度为125℃或150℃的绝缘缆。但是在新能源汽车负载运行时，起动、制动、加速和减速等操作，均会导致电压、电流及频率的急剧变化，有可能会使得车内气温急剧上升，从而影响电缆的绝缘效果，甚至有可能使得电缆无法正常运行。因此，还有待改善。

发明内容

为了进一步提高电缆的绝缘效果，本申请提供一种汽车用轻质绝缘型电缆及其制备工艺。

第一方面，本申请提供一种汽车用轻质绝缘型电缆，采用如下的技术方案：

一种汽车用轻质绝缘型电缆，包括护套层、绝缘层和导体，绝缘层包覆在导体外，多根包覆有绝缘层的导体绞合形成多芯组，护套层包覆在多芯组外；

其中，绝缘层由绝缘料制备而成，按照质量份数，绝缘料包括以下原料：75-90份低密度聚乙烯、5-10份乙烯-醋酸乙烯共聚物、0.1-2份抗氧化剂、2-8份交联剂、5-15份甘蔗纤维、1-5份纳米金刚石、0.5-3份纳米碳化硅。

通过采用上述技术方案，选用低密度聚乙烯作为绝缘料的主要基质，充分利用低密度聚乙烯的轻质性能，以制得轻质电缆。

在甘蔗纤维、纳米金刚石、纳米碳化硅的共同配合下，纳米金刚石、纳米碳化硅附着在甘蔗纤维的网络结构上，与低密度聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物体系发生强烈的相互作用，电子在绝缘层传输时，产生大量碰撞而减速，可以有效降低电荷载流子在绝缘层体系中的迁移率，从而提高绝缘效果。而且，甘蔗纤维、纳米金刚石、纳米碳化硅不仅在体系内充当填料，且所生成的特殊网络结构可以有效提高各原料之间的连接强度，使绝缘层更加致密稳定，长时间、高温使用后依旧能保持较好的绝缘效果。

车用电缆常处于较高温度中作业，高温会引发分子主链氧化反应，并产生质子转移反应等一系列反应，导致分子主链断裂、交联点被破坏，导致绝缘层内部形成大量缺陷，影响绝缘效果。绝缘层在特殊结构的加持下，交联点相当于得到了强化，分子主链在高温环境中被破坏的程度降低。

优选的，所述甘蔗纤维、纳米金刚石、纳米碳化硅的质量比为(10-13)：(2.5-4.0)：(0.5-1.5)。

通过采用上述技术方案，进一步限定甘蔗纤维、纳米金刚石、纳米碳化硅之间的质量比，使纳米金刚石和纳米碳化硅都能快速、牢固地附着在甘蔗纤维的网络结构上，形成更加稳定的特殊结构，从而进一步提高绝缘效果。

优选的，所述纳米金刚石的粒径为45-80nm，纳米碳化硅的粒径为60-100nm。

纳米金刚石、纳米碳化硅的粒径若太小，容易发生团聚，无法在体系中良好分散，也容易从甘蔗纤维的网络结构中脱落。若粒径太大，会削弱与基质之间的配合程度，从而影响绝缘效果。

通过采用上述技术方案，进一步限定纳米金刚石、纳米碳化硅的粒径，在特定粒径配合下，能够与甘蔗纤维之间有更充分的配合效果。

优选的，所述交联剂为过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰、三甲基丙烯酸三羟甲基丙烷酯中的一种多种混合。

优选的，所述交联剂为过氧化二异丙苯。

通过采用上述技术方案，选定种类的交联剂，可以促使低密度聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物体系有更好、更稳定的交联效果，有利于保证绝缘层具有良好的绝缘性。

第二方面，本申请提供一种汽车用轻质绝缘型电缆的制备工艺，采用如下的技术方案：

一种汽车用轻质绝缘型电缆的制备工艺，包括以下步骤：

将多股铜线绞合，得到导体；

制备绝缘料，然后使绝缘料包覆在导体外，形成绝缘层；

将多根包覆有绝缘层的导体按相同方向绞合，形成多芯组；

在多芯组外包覆护套层，得到电缆；

绝缘料的制备方法包括以下步骤：

将甘蔗纤维、纳米金刚石、纳米碳化硅与水、表面活性剂混合，在250-350℃、1000-1200r/min的条件下搅拌混合至均匀，然后静置；固液分离后，得到预制料；

将低密度聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物混合均匀，然后再加入预制料、抗氧化剂、交联剂混合均匀，经混炼、挤出、冷却、切粒、烘干，得到绝缘料。

通过采用上述技术方案，预先对甘蔗纤维、纳米金刚石、纳米碳化硅进行处理，促使纳米金刚石、纳米碳化硅负载于甘蔗纤维的孔洞中。具体的，在该特定的温度和高速搅拌下，甘蔗纤维中的水分被去除，产生空间，纳米金刚石、纳米碳化硅进入到甘蔗纤维的上述空间，且不容易脱落。

后续甘蔗纤维作为纳米金刚石、纳米碳化硅的载体于低密度聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物的体系中均匀分散，减少了纳米金刚石、纳米碳化硅在基质体系中容易团聚、脱落的情况，使得网络结构的性能更加稳定、充分发挥。

车用电缆处于高温条件时，甘蔗纤维丰富的孔洞有利于提高绝缘层的散热效果，从而降低高温对电缆性能的影响。

优选的，制备所述预制料时，先将甘蔗纤维置于浓度为3-6％的碱溶液中浸泡处理，然后再取出处理后的甘蔗纤维与纳米金刚石、纳米碳化硅、水、表面活性剂混合。

通过采用上述技术方案，先使用碱溶液浸泡甘蔗纤维，使甘蔗纤维的结构变得粗糙，为纳米金刚石、纳米碳化硅提供更多附着位点。并且，碱溶液浸泡的方式也有利于改善后续甘蔗纤维与低密度聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物之间的界面性能，具有更好的混合配合效果。

优选的，所述表面活性剂为磺基琥珀酸双十三烷基酯钠、磺基琥珀酸二异辛酯钠中的一种或两种混合。

优选的，所述表面活性剂的质量为甘蔗纤维、纳米金刚石、纳米碳化硅总质量的10-20％。

优选的，所述表面活性剂为磺基琥珀酸双十三烷基酯钠、磺基琥珀酸二异辛酯钠，磺基琥珀酸双十三烷基酯钠、磺基琥珀酸二异辛酯钠的质量比为1：(0.9-1.2)，以磺基琥珀酸双十三烷基酯钠的质量为基准。

通过采用上述技术方案，选用特定种类及比例的表面活性剂，有利于促纳米金刚石、纳米碳化硅在水中均匀分散，负载在甘蔗纤维的各个孔洞中，从而有利于后续在基质体系中发挥作用，进而提高绝缘层的绝缘效果。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、在甘蔗纤维、纳米金刚石、纳米碳化硅的共同配合下，纳米金刚石、纳米碳化硅附着在甘蔗纤维的网络结构上，与低密度聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物体系发生强烈的相互作用，可以有效降低电荷载流子在绝缘层体系中的迁移率，从而提高绝缘效果。

2、甘蔗纤维、纳米金刚石、纳米碳化硅在体系内充当填料，所生成的特殊网络结构可以有效提高各原料之间的连接强度，使绝缘层更加致密稳定，长时间使用后依旧能保持较好的绝缘效果。

3、预先对甘蔗纤维、纳米金刚石、纳米碳化硅进行处理，促使纳米金刚石、纳米碳化硅负载于甘蔗纤维的孔洞中，甘蔗纤维作为纳米金刚石、纳米碳化硅的载体于低密度聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物的体系中均匀分散。

附图说明

图1是本申请实施例1的汽车用轻质绝缘型电缆剖面图。

附图标记：1、护套层；2、绝缘层；3、导体。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本申请作进一步详细说明。

以下实施例及对比例中所用的原料均为市售产品。

实施例

实施例1

参照图1，一种汽车用轻质绝缘型电缆，包括护套层1、绝缘层2和导体3。在本实施例中，导体3的数量为6，绝缘层2分别包覆在单个导体3外。六根包覆有绝缘层2的导体3朝同一个方向绞合形成多芯组，护套层1包覆在多芯组外。

本申请还公开一种汽车用轻质绝缘型电缆的制备工艺，包括以下步骤：

步骤01)：将多股直径为4mm的、横截面积为10mm

步骤02)：制备绝缘料，然后将绝缘料投入到挤出机中，调整挤出温度为150℃、挤出压力为150MPa，绝缘料从固态变为粘流态。

挤出机挤出均匀连续的绝缘料，包覆在导体3外，在导体3外形成绝缘层2。

将包覆有绝缘层2的导体3放置于高温蒸汽箱中，在100℃的条件下与水蒸气持续混合4h。

步骤03)：将6根步骤03)所得到的导体3按相同方向绞合，形成多芯组。

步骤04)：在多芯组外包覆护套层1，得到电缆。

其中，步骤02)中的绝缘料包括以下原料：低密度聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、抗氧化剂、交联剂、甘蔗纤维、纳米金刚石、纳米碳化硅。

各种原料的具体用量详见表1。

低密度聚乙烯购自上海途亮实业有限公司，牌号为6030F。

乙烯-醋酸乙烯共聚物购自东莞博皓塑胶原料有限公司，牌号为P1403。

抗氧化剂为抗氧化剂300，CAS号为1709-70-2。

交联剂为过氧化二异丙苯。

甘蔗纤维购自武汉华翔科洁生物技术有限公司，货号为111。

纳米金刚石粒径为50nm，购自中科金研(北京)科技有限公司，编号为DK-DC-50。

纳米碳化硅粒径为100nm，购自徐州捷创新材料科技有限公司。

绝缘料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)：将甘蔗纤维置于浓度为5％的NaOH溶液中，浸泡25min。然后取出浸泡后的甘蔗纤维，置于65℃烘箱中干燥3h，然后放在通风处晾干至恒重。

甘蔗纤维与NaOH溶液的质量比为1:5。

步骤2)：将水、表面活性剂混合均匀，然后再投入步骤1)中处理后的甘蔗纤维、纳米金刚石、纳米碳化硅，共同混合。将条件设定在300℃、1200r/min，搅拌至混合均匀。静置2h后，固液分离，将得到的固态物置于40℃烘箱中干燥3h，然后放在通风处使溶剂挥发完全，得到预制料。

水的使用量为40kg。

表面活性剂的质量为1.6kg。表面活性剂具体为磺基琥珀酸双十三烷基酯钠、磺基琥珀酸二异辛酯钠，磺基琥珀酸双十三烷基酯钠的使用量为0.8kg，磺基琥珀酸二异辛酯钠的使用量为0.8kg。

步骤3)：将密炼机设置为110℃、50r/min，到达预设温度后，加入低密度聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物混合均匀，直至扭矩稳定。

然后再往密炼机中加入预制料、抗氧化剂混合均匀，混炼5min。

然后再往密炼机中加入交联剂，混炼3min。

步骤4)：将步骤3)得到的物料投放至低速混合机，待物料温度冷却至40℃后出料。

步骤5)：步骤4)的物料采用双螺杆造粒的方式造粒，切粒、烘干，得到绝缘料。

实施例2

一种汽车用轻质绝缘型电缆，与实施例1的不同之处在于，步骤02)中，绝缘料的甘蔗纤维、纳米金刚石、纳米碳化硅的质量比为10：4.0：1.5。即甘蔗纤维的使用量为10kg，纳米金刚石的使用量为4kg，纳米碳化硅的使用量为1.5kg。

纳米金刚石的粒径为45nm，纳米碳化硅的粒径为60nm。

各原料的用量详见表1。

绝缘料的制备方法，与实施例1的不同之处在于：

步骤1)中，NaOH溶液的浓度为3％。

步骤2)中，将条件设定为250℃、1100r/min。

水的使用量为40kg。

表面活性剂的质量为3.1kg。表面活性剂具体为磺基琥珀酸双十三烷基酯钠、磺基琥珀酸二异辛酯钠，磺基琥珀酸双十三烷基酯钠的使用量为1.6kg，磺基琥珀酸二异辛酯钠的使用量为1.5kg。

实施例3

一种汽车用轻质绝缘型电缆，与实施例1的不同之处在于，步骤02)中，绝缘料的甘蔗纤维、纳米金刚石、纳米碳化硅的质量比为13：2.5：0.5。即甘蔗纤维的使用量为13kg，纳米金刚石的使用量为2.5kg，纳米碳化硅的使用量为0.5kg。

纳米金刚石的粒径为80nm，纳米碳化硅的粒径为100nm。

各原料的用量详见表1。

绝缘料的制备方法，与实施例1的不同之处在于：

步骤1)中，NaOH溶液的浓度为6％。

步骤2)中，将条件设定为350℃、1000r/min。

水的使用量为40kg。

表面活性剂的质量为1.6kg。表面活性剂为磺基琥珀酸双十三烷基酯钠、磺基琥珀酸二异辛酯钠，磺基琥珀酸双十三烷基酯钠的使用量为0.7kg，磺基琥珀酸二异辛酯钠的使用量为0.9kg。

实施例4

一种汽车用轻质绝缘型电缆，与实施例1的不同之处在于，步骤02)中，绝缘料的纳米金刚石的粒径为15nm，纳米碳化硅的粒径为150nm。

实施例5

一种汽车用轻质绝缘型电缆，与实施例1的不同之处在于，步骤02)中，绝缘料的交联剂为三甲基丙烯酸三羟甲基丙烷酯。

各原料的具体用量不同，具体详见表1。

表面活性剂的质量为0.65kg。磺基琥珀酸双十三烷基酯钠的使用量为0.32kg，磺基琥珀酸二异辛酯钠的使用量为0.33kg。

实施例6

一种汽车用轻质绝缘型电缆，与实施例1的不同之处在于，步骤02)中，绝缘料中各原料的具体用量不同，具体详见表1。

表面活性剂的质量为2.3kg。磺基琥珀酸双十三烷基酯钠的使用量为1.15kg，磺基琥珀酸二异辛酯钠的使用量为1.15kg。

表1

实施例7

一种汽车用轻质绝缘型电缆，与实施例1的不同之处在于，步骤02)中，省略制备绝缘料时的步骤1)。

实施例8

一种汽车用轻质绝缘型电缆，与实施例1的不同之处在于，步骤02)绝缘料的制备方法中，磺基琥珀酸双十三烷基酯钠的使用量为1.2kg，磺基琥珀酸二异辛酯钠的使用量为0.4kg。

实施例9

一种汽车用轻质绝缘型电缆，与实施例1的不同之处在于，步骤02)绝缘料的制备方法中，表面活性剂为磺基琥珀酸双十三烷基酯钠，磺基琥珀酸双十三烷基酯钠的使用量为1.6kg，磺基琥珀酸二异辛酯钠的使用量为0kg。

对比例

对比例1

一种汽车用轻质绝缘型电缆，与实施例1的不同之处在于，将步骤02)绝缘料原料中的甘蔗纤维替换为秸秆纤维，甘蔗纤维的使用量为0kg，秸秆纤维的使用量为12kg。

对比例2

一种汽车用轻质绝缘型电缆，与实施例1的不同之处在于，将步骤02)绝缘料原料中的纳米金刚石替换为纳米氧化铝，纳米金刚石的使用量为0kg，纳米氧化铝的使用量为3kg。

对比例3

一种汽车用轻质绝缘型电缆，与实施例1的不同之处在于，将步骤02)绝缘料原料中的纳米碳化硅替换为纳米二氧化硅，纳米碳化硅的使用量为0kg，纳米二氧化硅的使用量为1kg。

对比例4

一种汽车用轻质绝缘型电缆，与实施例1的不同之处在于，步骤02)绝缘料原料中的甘蔗纤维的使用量为3kg，纳米金刚石的使用量为6.5kg，纳米碳化硅的使用量为6.5kg。

对比例5

一种汽车用轻质绝缘型电缆，与实施例1的不同之处在于，步骤02)绝缘料的制备方法中，步骤2)的条件设定为50℃、2000r/min。

性能检测试验

1、绝缘性能检测：参照GB/T 1695-2005《硫化橡胶工频击穿电压强度和耐电压的测定方法》对实施例1-9、对比例1-5的绝缘料进行检测，试样为管状，厚度为1mm，记录击穿电压。

2、热老化检测：参考GB/T 2951.12-2008《电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法第12部分：通用试验方法——热老化试验方法》的标准，将实施例1-9、对比例1-5的绝缘料置于180℃的条件下30d。取出试样后，再次进行试验1。

上述试验1-2的检测结果详见表2。

表2

对比例1-3的绝缘料是在实施例1的基础上，任一替换甘蔗纤维、纳米金刚石、纳米碳化硅。根据表2中实施例1与对比例1-3的检测数据对比可知，实施例1的绝缘料的击穿电压较对比例1-3的更高，在经过热老化处理后，实施例1的绝缘料仍可以保持较高的击穿电压，并且效果也较对比例1-3热老化处理后的更好。说明实施例1的绝缘料具有良好的绝缘效果，在经过热老化后也能保持较好、较稳定的绝缘效果。而对比例1-3在肆意破坏本申请特定组合后制得的绝缘料，无法实现甘蔗纤维、纳米金刚石、纳米碳化硅之间的特殊配合，无法发挥良好的绝缘效果。

对比例4的绝缘料是在实施例1的基础上，改变了甘蔗纤维、纳米金刚石、纳米碳化硅之间的使用量及配合比例。再结合对比例4的检测数据对比可知，对比例4的绝缘料的绝缘效果、热老化后的绝缘效果虽然略好于对比例1-3的，但还是比实施例1的差很多。说明不仅需要甘蔗纤维、纳米金刚石、纳米碳化硅特定的三者配合，还需要三者在特定的用量、比例下配合才能发挥特定的配合效果。

实施例4的绝缘料是在实施例1的基础上，改变了纳米金刚石、纳米碳化硅的粒径，所制得的绝缘料击穿电压略低于实施例1的，热老化后击穿电压的下降程度也较实施例1的更明显。说明进一步限定纳米金刚石、纳米碳化硅的粒径可以更充分发挥甘蔗纤维、纳米金刚石、纳米碳化硅三者之间的配合效果，从而具有良好、稳定的绝缘效果。

对比例5是在实施例1的基础上，在制备绝缘料时，破坏特定的制备温度和搅拌条件，所制得的绝缘料的绝缘、抗热老化效果明显不如实施例1的好。发明人猜测，是因为特定的温度和转速可以更充分地将甘蔗纤维中的水分去除，使纳米金刚石、纳米碳化硅可以顺利负载在甘蔗纤维上，并且牢固负载，从而提高后续在基质中所能发挥的效果。

根据表2中实施例1与实施例7的检测数据对比可知，省略碱洗步骤后所制得的绝缘料(实施例7)的绝缘效果有所下降。说明适当的碱溶液对甘蔗纤维进行浸泡，有利于为纳米金刚石、纳米碳化硅的负载创造更多位点，从而影响绝缘料的性能。

实施例8、9是在实施例1的基础上，改变制备绝缘料时，表面活性剂的比例或选择，所制得的绝缘料在绝缘、抗热老化性能上都有不同程度的下降。说明进一步选择特定种类、比例配合的表面活性剂可以促进纳米金刚石、纳米碳化硅在水中的分散，从而提高绝缘料的绝缘、抗热老化效果。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。