一种低烟无卤阻燃隔热材料及其在采煤机光电复合橡套软电缆中应用
阅读说明：本技术 一种低烟无卤阻燃隔热材料及其在采煤机光电复合橡套软电缆中应用 (Low-smoke halogen-free flame-retardant heat-insulating material and application thereof in photoelectric composite rubber jacketed flexible cable of coal mining machine ) 是由 王义军 苏培生 李广凯 张娟 段洋洋 宋佳 张晶 翟丽娜 王昕哲 于 2020-11-12 设计创作，主要内容包括：本发明属于电缆加工应用技术领域,尤其涉及一种低烟无卤阻燃隔热材料及其在采煤机光电复合橡套软电缆中应用。包括线芯总成以及包裹在线芯总成外的内护套层,所述内护套层外依次套装有弹性阻燃层、包裹层以及外护套层,其中,所述弹性阻燃层为低烟无卤阻燃隔热材料。本发明通过对气凝胶做改性处理,提供其硬度,同时,将其加入到聚氨酯发泡材料中,进而提高聚氨酯发泡材料的强度的同时,利用其弹性形成对电缆的弹性保护,提高整个电缆的抗弯曲性能和抗干扰能力能力,同时,利用无机硅阻燃剂形成低烟无卤的结构设计,满足现有采煤机的使用。(The invention belongs to the technical field of cable processing and application, and particularly relates to a low-smoke halogen-free flame-retardant heat-insulating material and application thereof in a photoelectric composite rubber jacketed flexible cable of a coal mining machine. Including sinle silk assembly and parcel inner sheath layer outside the sinle silk assembly, the outer cover in proper order of inner sheath layer is equipped with elasticity fire-retardant layer, parcel layer and oversheath layer, wherein, elasticity fire-retardant layer is low smoke and zero halogen fire-retardant insulation material. According to the invention, the aerogel is subjected to modification treatment to provide the hardness, and meanwhile, the aerogel is added into the polyurethane foam material, so that the strength of the polyurethane foam material is improved, meanwhile, the elasticity of the aerogel is utilized to form elastic protection on a cable, the bending resistance and the anti-interference capability of the whole cable are improved, and meanwhile, the inorganic silicon flame retardant is utilized to form a low-smoke halogen-free structural design, so that the use of the existing coal mining machine is satisfied.)
技术领域
本发明属于电缆加工应用技术领域，尤其涉及一种低烟无卤阻燃隔热材料 及其在采煤机光电复合橡套软电缆中应用。
背景技术
煤炭是我国重要能源之一，随着我国经济建设不断发展电力需要量日益加 大，煤炭用量也越来越大，煤炭是存在于自然界的一种矿物能源，在我国储量 很大尤其我国的新疆、内蒙、山西的煤炭资源特别丰富。
在自然界中是一种矿产资源，埋藏在很深的地下。之前我们使用人工开采 而现在我国采煤行业已全部使用采煤机来开采，随着科学技术的发展变频技术 在煤矿领域的应用也越来越广。由于采煤机在采煤过程中是来回移动而不是静 止不动的，采煤机和电源控制柜很远，需要用很长的电缆来连接。采煤机在采 煤过程中是前后左右移动的，当采煤机采到最前端时这时采煤机就要后退左移， 在后退左移过程中电缆会发生“8”字形和“S”形的严重弯曲和拖拉。电缆在 弯曲时电缆的内圈线芯受到很大的压力而电缆的外圈线芯受到很大的拉力，在 采煤机行走时对电缆又形成很大的纵向拉力。采煤机电缆分为动力线芯和控制 线芯，由于控制线芯比较细很容易断裂，另外采煤机的变频系统在工作时还受 到其它电源信号的干扰整个机器都不能运转并且遇到火灾时还会释放大量的有 毒气体。这样就要求一方面采煤机系统应具备对电缆弯曲和机械冲击的保护功 能、具备一定的抗干扰能力和燃烧时无有毒气体释放，采煤机在井下这种恶劣 的条件下，这显然是很难做到的，另一方面必须考虑的是电缆本身应具有一定 的抗弯曲能力、抗机械冲击能力、抗干扰能力和燃烧时无有毒气体释放性能， 即在一定条件下电缆弯曲某特定半径，连续几千次甚至上万次和机械冲击，还 能将工作面场景画面传输到地面，电缆仍然能够保持正常运行，电缆导体特别 是控制线芯导体不发生断线，绝缘和护套材料也不发生开裂还要有一定的抗干 扰能力和燃烧时无有毒气体释放性能。迄今为止还没有一种具有优异的抗弯曲 性能和抗干扰能力和燃烧时无有毒气体释放性能的采煤机专用电缆。
发明内容
本发明针对上述的采煤机专用电缆所存在的技术问题，提出一种设计合理、 结构简单、加工方便且能够有效提供抗弯曲性能和抗干扰能力、低烟无卤的低 烟无卤阻燃隔热材料及其在采煤机光电复合橡套软电缆中应用。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为，本发明提供一种低烟无卤 阻燃隔热材料，包括以下有效步骤：
a、将氧化铝粉末和无机硅阻燃剂粉末加入到正硅酸乙酯中加热搅拌至均 匀分散，搅拌均匀；
b、待搅拌均匀后，将无水乙醇、去离子水加入到正硅酸乙酯中按一定质量 比混合，磁力搅拌10min；
c、逐滴加入稀盐酸(0.1mol/L)，继续搅拌30min，将混合溶液密封，在 一定温度下水解一段时间；
d、待水解完成后，向混合溶液中逐滴滴加一定量的N,N-二甲基甲酰胺和 稀氨水，得到醇凝胶；
e、采用超临界干燥技术，在40℃、10MPa的条件下干燥3h得到硬质气 凝胶；
f、将得到的硬质气凝胶加入到聚醚多元醇中，并以聚醚多元醇为白料、聚 异氰酸酯为黑料按照质量比1～2:1的比例在交联剂、催化剂以及发泡剂作用下， 经发泡后得到厚度在0.1mm～0.2mm的低烟无卤阻燃隔热材料。
作为优选，所述b步骤中，正硅酸乙酯、无水乙醇以及去离子水的摩尔比 为1:7:2。
作为优选，所述a步骤中，氧化铝粉末和无机硅阻燃剂的掺杂量分别为 5wt％和7wt％。
作为优选，所述N,N-二甲基甲酰胺、稀氨水以及正硅酸乙酯的摩尔比为0.5:0.09:1。
作为优选，所述c步骤中，水解温度为40℃。
本发明还提供了应用上述低烟无卤阻燃隔热材料的采煤机光电复合橡套软 电缆，包括线芯总成以及包裹在线芯总成外的内护套层，所述内护套层外依次 套装有弹性阻燃层、包裹层以及外护套层，其中，所述弹性阻燃层为上述所述 低烟无卤阻燃隔热材料。
作为优选，所述内护套层为无卤EVA护套料挤包内护套。
作为优选，所述包裹层为芳纶纱缠绕而成。
作为优选，所述外套层为低烟无卤EVA护套料。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于，
1、本发明提供一种低烟无卤阻燃隔热材料，通过对气凝胶做改性处理， 提供其硬度，同时，将其加入到聚氨酯发泡材料中，进而提高聚氨酯发泡材料 的强度的同时，利用其弹性形成对电缆的弹性保护，提高整个电缆的抗弯曲性 能和抗干扰能力能力，同时，利用无机硅阻燃剂形成低烟无卤的结构设计，满 足现有采煤机的使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需 要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一 些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1提供的采煤机光电复合橡套软电缆的结构示意图；
以上各图中，1、内护套层；2、弹性阻燃层；3、包裹层；4、外护套层； 5、动力线芯导体；6、绝缘层；7、金属屏蔽层；8、地线芯导体；9、光缆；10、 光缆铠装层；11、光缆编织层；12、光缆绝缘层；13、控制线芯导体；14、控 制线芯导体绝缘层；15、包覆层。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和 实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的 实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发 明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面 公开说明书的具体实施例的限制。
实施例1，如图1所示，本实施例提供一种采煤机光电复合橡套软电缆
考虑到现有的电缆所存在的主要问题主要是因为保护层所使用的材料导致 其抗弯曲等性能低的问题，为此，本实施例首先提供一种低烟无卤阻燃隔热材 料
首先将氧化铝粉末和无机硅阻燃剂粉末加入到正硅酸乙酯中加热搅拌至均 匀分散，搅拌均匀，氧化铝粉末的添加量为成品硬质气凝胶的5wt％，无机硅 阻燃剂粉末为成品的硬质气凝胶的7wt％，众所周知，气凝胶是一种由纳米颗 粒或聚合物分子相互交联构成纳米多孔骨架结构的固态材料，其独有的纳米尺 度骨架与孔隙分布特征，赋予该材料优异的热物理性能，故在许多领域具有广 泛应用。然而，气凝胶本征脆性在很大程度上限制了其广泛应用，为此，通过 氧化铝粉末的添加，增加气凝胶的强度，通过无机硅阻燃剂粉末提高整个气凝 胶的阻燃效果，利用正硅酸乙酯作为硅源制备SiO2气凝胶。
待搅拌均匀后，将无水乙醇、去离子水加入到正硅酸乙酯中按摩尔比为 7:2:1的比例混合，磁力搅拌10min，研究表明，当正硅酸乙酯与去离子水的摩 尔比为1:2时，其水解反应加快，水解温度为40℃。为此，在本实施例中，选 用此摩尔比例。然后，逐滴加入稀盐酸(0.1mol/L)，继续搅拌30min，将混合 溶液密封，在一定温度下水解一段时间；无水乙醇作为溶剂的存在，正硅酸乙 酯与去离子水的水解反应。正硅酸乙酯水解后生成氧化硅，稀盐酸作为催化剂 的存在，经研究发现，盐酸的酸性催化下SiO2气凝胶的完整性明显得到了改善 且凝胶速度加快。
待水解完成后，向混合溶液中逐滴滴加一定量的N,N-二甲基甲酰胺和稀 氨水，得到醇凝胶，其中，稀氨水作为碱性催化剂的存在，提高凝胶速度，而N,N-二甲基甲酰胺作为干燥控制化学添加剂，其能够降低孔液的表面张力，增 大孔半径，使孔径分布狭窄，且可以缩短凝胶时间。由于稀氨水作为催化剂， N,N-二甲基甲酰胺作为干燥控制化学添加剂，为此，其比例较少，以N,N-二甲 基甲酰胺、稀氨水以及正硅酸乙酯的摩尔比为0.5:0.09:1施配。
然后，采用超临界干燥技术，在40℃、10MPa的条件下干燥3h得到硬 质气凝胶，超临界干燥技术属于现有的常见技术，故在本实施例中，不加详细 描述。通过上述的工艺实施，即得到韧性较好的硬质气凝胶。
由于硬质气凝胶属于颗粒存在，其需要一定的载体，为此，将得到的硬质 气凝胶加入到聚醚多元醇中，并以聚醚多元醇为白料、聚异氰酸酯为黑料按照 质量比1～2:1的比例在交联剂、催化剂以及发泡剂作用下，经发泡后得到厚度 在02mm～0.5mm的低烟无卤阻燃隔热材料。
聚醚多元醇和聚异氰酸酯为制备聚氨酯发泡的常用材料，在三乙醇铵在成 型过程起交联剂作用，增大发泡时间也变短，品泡孔直径随着其含量增加而变 小，表观密度、热导率、压缩强度、拉伸强度和弯曲强度增大，断裂伸长率减 小；聚氧化丙烯一氧化乙烯共聚醚起发泡剂的作用，减少胀气，解决闭孔容易 使产品成型后收缩的问题，三乙烯二胺(A33)在成型过程起对聚氨酯起催化作 用，前期起快速发泡，起30-50％凝胶作用，后期起加快固化作用，而由于聚酯 氨的发泡孔一般较大，由于整个材料的厚度需要控制，为此，在本实施例中， 硬质气凝胶的存在起填充气孔的作用，同时，将大孔改为纳米孔，进一步提高 整个材料的强度，利用大孔孔壁与硬质气凝胶的连接，形成架桥作用，减缓所 受到的冲击力，进而提高整个材料的电缆的抗冲击能力，而硬质气凝胶本身的 高隔热性能，就解决了电缆导热的问题，同时，采用无机硅做到阻燃的目的。
为了将上述所提供的低烟无卤隔热材料应用到电缆中，本实施例所提供的 采煤机光电复合橡套软电缆，包括线芯总成以及包裹在线芯总成外的内护套层 1，内护套层1外依次套装有弹性阻燃层2、包裹层3以及外护套层4，其中， 弹性阻燃层2为上述低烟无卤阻燃隔热材料。由于低烟无卤阻燃隔热材料为前 期加工成型，其无法采用挤包的工艺将内护层进行包裹，为此，在本实施例中， 将低烟无卤阻燃隔热材料切成长条状，利用包裹层3的缠绕将其束缚在内护套 层1的表面，为此，包裹层3为芳纶纱缠绕而成。外护套层4则为传统常见的 低烟无卤EVA护套料。
在本实施例中，线芯总成包括动力线芯、成缆线芯以及接地线芯，动力线 芯由动力线芯导体5、绝缘层6、金属屏蔽层7组成，在动力线芯导体5表面挤 压有绝缘层6，绝缘层6表面设有金属屏蔽层7；接地线芯由地线芯导体8组成； 成缆线芯包括控制线芯单元、光缆9控制单元两部分；控制线芯单元由控制线 芯导体13、控制线芯导体绝缘层14组成，控制线芯导体13表面挤压有控制线 芯导体绝缘层14；光缆控制单元由光缆9、光缆铠装层10、光缆编织层11、光 缆绝缘层12组成，光缆9表面绕包有光缆铠装层10，光缆铠装层10表面设有光缆编织层11，光缆编织层11表面挤压有光缆绝缘层12；控制线芯单元、光 缆控制单元绞制后，挤压有包覆层15，然后形成成缆线芯；动力线芯、接地线 芯和成缆线芯绞合成缆后，挤压有内护套层1，由于动力线芯、接地线芯和成 缆线芯绞合成缆后之间具有一定的空隙，为此，内护套层1为无卤EVA护套料 挤包内护套，采用挤包工艺，将空隙填满。动力线芯绝缘层6、光缆绝缘层12 和控制线芯导体绝缘层14为以三元乙丙胶为基料的高强度橡皮层；控制线芯包 覆层15和护套层为高强度护套材料层。
在成缆线芯内设有光缆控制单元，该光缆控制单元由光缆9、光缆铠装层 10、光缆编织层11、光缆绝缘层12组成，光缆9表面绕包有光缆铠装层10， 光缆铠装层10表面设有光缆编织层11，光缆编织层11表面挤压有光缆绝缘层 12，光缆铠装层10和光缆编织层11对光缆9起到保护作用，防止光缆9受到 抗拉、抗弯曲等外力作用下的破坏，能将采集到的图像、瓦斯浓度、温度、湿 度等数据及时上传到地面控制中心；光缆绝缘层12、控制线芯导体13外绝缘 层6均为三元乙丙胶为基料的高强度橡皮，具有耐热、耐臭氧、柔软性好、比 重小及小的吸湿性、体积电阻率高、机械性能高、低温柔软性好等优点。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的 限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改 型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案 内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与 改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。