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CN115322471B - 一种液冷电缆用高导热冷却管材料及其制备方法 - Google Patents

一种液冷电缆用高导热冷却管材料及其制备方法 Download PDF

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CN115322471B CN202210898302.XA CN202210898302A CN115322471B CN 115322471 B CN115322471 B CN 115322471B CN 202210898302 A CN202210898302 A CN 202210898302A CN 115322471 B CN115322471 B CN 115322471B
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Abstract

本申请涉及一种液冷电缆用高导热冷却管材料及其制备方法，该材料以重量份数计，包含聚乙烯：30‑70份；乙烯‑α‑烯烃共聚物：5‑20份；乙烯‑乙酸乙酯共聚物：3‑10份；聚乙烯相容剂：3‑10份；导热填料：60‑120份；润滑剂：1‑2份；抗氧剂：0.6‑2.5份；交联剂：1.5‑3.5份；冷电缆用高导热冷却管材料以聚乙烯作为基材，添加乙烯‑α‑烯烃共聚物和乙烯‑乙酸乙酯共聚物增加基材的抗张强度和断裂伸长率性能，以氧化铝/碳纳米管复合材料作为导热填料，并且相应材料选用特定的份数混合，从而得到的材料的具有优秀的导热性能、优异的耐温范围，短期耐热老化性能、短期和长期耐冷却液溶剂性能，该冷却管材料能够满足液冷电缆的性能要求，使线缆能够在长期弯曲、移动等情况下使用。

Description

一种液冷电缆用高导热冷却管材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种液冷电缆用高导热冷却管材料及其制备方法，属于高分子材料技术领域。
背景技术
近年来，随着新能源电动汽车的快速迅猛的发展，在充电关键设备上对输配电用电缆的高传输容量密度、重量轻、体积小、发热温度低、高可靠性和高安全性等提出了更为严格的要求。而液冷充电桩电缆是通过循环冷却液冷却，保证电缆能够在小截面通大电流的情况下持续在较低的温度下使用。此液冷充电桩电缆不仅有利于保护液冷电缆周围的敏感电子元器件，还极大的提升电缆的载流能力，减小电缆截面和重量，省去庞大的升降压设备，降低设备空间及使用和维护成本，为实现小型化高功率的电力传输提供了一种新的解决方案。
现有液冷充电桩电缆的冷却效率很低，冷却液在电缆的冷却管中循环一周后，温度提升非常有限，即冷却液从整个电缆中带走的热量十分有限，就导致整个电缆的温度很高，无法持续的在大电流的情况下继续工作，其主要原因是适合充电桩电缆中用的冷却管的高分子材料的导热系数很低，其常规高分子材料的导热系数仅为0.2～0.5w/(m.k)，电缆发热产生的热量无法快速有效的穿过冷却管材料进入冷却液中。导热硅橡胶材料虽然导热系数稍微高点，但此材料硬度太软，电缆弯曲时容易压扁冷却管，导致冷却液堵塞；而一些改良的增加导热性能的高分子材料其材料其它性能，如爆破压力、机械强度、老化性能，耐冷却液性能等很难满足要求。所以一种液冷充电桩电缆用高导热冷却管材料的研发迫在眉睫，即能提高电缆热量传输的效率，又能够不影响冷却管材料其它方面的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液冷电缆用高导热冷却管材料，其具有优秀的导热性能、耐温范围、短期耐热老化性能、短期和长期耐冷却液溶剂性能。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种液冷电缆用高导热冷却管材料，以重量份数计，包含以下组分：
聚乙烯：30-70份；
乙烯-α-烯烃共聚物：5-20份；
乙烯-乙酸乙酯共聚物：3-10份；
聚乙烯相容剂：3-10份；
导热填料：60-120份；
润滑剂：1-2份；
抗氧剂：0.6-2.5份；
交联剂：1.5-3.5份；
其中，所述导热材料为氧化铝/碳纳米管复合材料。
进一步地，所述液冷电缆用高导热冷却管材料的导热系数为1.0～1.2w/(m.k)；耐温度范围为-40℃-150℃；在175℃温度下加热168h，抗张强度和断裂伸长率变化率为≤±30％；浸入到冷却液中并在120℃温度下加热168h，抗张强度和断裂伸长率变化率为≤±25％；浸入到冷却液中并在120℃温度下加热1000h，抗张强度和断裂伸长率变化率为≤±40％；
进一步地，以重量份数计，所述氧化铝/碳纳米管复合材料的具体组成为氧化铝3份，碳纳米管7份。
进一步地，所述聚乙烯为熔体流动速率为1.0-10.0g/min的单一的线性低密度聚乙烯，或者熔体流动速率为1.0-10.0g/min范围的由不同熔体流动速率的两种或以上的线性低密度聚乙烯按任意重量比相混合的混合物。
进一步地，所述乙烯-α-烯烃共聚物为乙烯-α-丙烯共聚物、乙烯-α-丁烯共聚物、乙烯-α-己烯共聚物、乙烯-α-辛烯共聚物的一种或以上的并且按任意重量比相混合的混合物。
进一步地，所述润滑剂为聚乙烯蜡、乙撑双硬脂酰胺、硬脂酸或石蜡。
进一步地，所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂168、抗氧剂626、抗氧剂300、抗氧剂1024中的至少一种。
进一步地，所述聚乙烯相容剂为马来酸酐接枝改性的高密度聚乙烯。
本发明还提供一种如上所述的液冷电缆用高导热冷却管材料的制备方法，包括以下步骤：将30-70份聚乙烯、5-20份乙烯-α-烯烃共聚物、3-10份乙烯-乙酸乙酯共聚物、3-10份聚乙烯相容剂、60-120份导热填料、1-2份润滑剂、0.6-2.5份抗氧剂、1.5-3.5份交联剂加入高混机中，进行充分搅拌，然后经双螺杆挤出机熔融、挤出、牵引和切粒制得产品。
本发明的有益效果在于：冷电缆用高导热冷却管材料以聚乙烯作为基材，添加乙烯-α-烯烃共聚物和乙烯-乙酸乙酯共聚物增加基材的抗张强度和断裂伸长率性能，添加聚乙烯相容剂增加材料的相容性，以氧化铝/碳纳米管复合材料作为导热填料，并且相应材料选用特定的份数混合，从而得到的材料的具有优秀的导热性能，导热系数为1.0-1.2w/(m.k)，比常规高分子材料导热系数提升2-3倍，可以有效提升冷却液吸收电缆产生热量的效率；具有优异的耐温范围，耐低温为零下-40℃，耐高温可达150℃；具有短期耐热老化性能:材料在烘箱温度175℃下持续168h，抗张强度和断裂伸长率变化率为≤±30％；具有短期耐冷却液溶剂性能：材料浸入到冷却液中并在烘箱温度120℃下持续168h，抗张强度和断裂伸长率变化率为≤±25％；具有长期耐冷却液溶剂性能：材料浸入到冷却液中并在烘箱温度120℃下持续1000h，抗张强度和断裂伸长率变化率为≤±40％；并且常温下此材料做成的冷却管能够经受住3倍的声称最大工作压力(5bar)并且气密性需要保持完好；90℃高温下此材料做成的冷却管需要经受住1.5倍的声称最大工作压力(5bar)并且气密性需要保持完好；该冷却管材料能够满足液冷电缆的性能要求，使线缆能够在长期弯曲、移动等情况下使用。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本申请所示的液冷电缆用高导热冷却管材料，以重量份数计，包含以下组分：
聚乙烯：30-70份；
乙烯-α-烯烃共聚物：5-20份；
乙烯-乙酸乙酯共聚物：3-10份；
聚乙烯相容剂：3-10份；
导热填料：60-120份；
润滑剂：1-2份；
抗氧剂：0.6-2.5份；
交联剂：1.5-3.5份；
其中，导热材料为氧化铝/碳纳米管复合材料。以重量份数计，所述氧化铝/碳纳米管复合材料的具体组成为氧化铝3份，碳纳米管7份。
氧化铝/碳纳米管复合材料制备过程主要分为如下关键步骤：1、表面处理：先将导热填料按比例与表面改性助剂加入高混机中，按照设定的温度、时间进行混合及后处理，获得表面改性后的导热填料，其中，表面改性的目的一般是提高导热填料与聚乙烯基材的相容性，对提高成品性能有很大帮助；2、预分散：将表面改性的导热填料按照比例与部分基材进行混合、挤出造粒，获得导热填料母粒，预分散的目的也是为了提高填料在成品中分散的均匀性，提高成品的性能。关于表面改性助剂的选择在此不做具体限定。
碳纳米管可为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管，在此不做具体限定。
氧化铝/碳纳米管复合材料可有效提升氧化铝的导热效果，进而降低了氧化铝的使用量，在保证材料导热性能的前提下维持材料的加工性能、机械性能，拓展了材料的应用范围。
聚乙烯为熔体流动速率为1.0-10.0g/min的单一的线性低密度聚乙烯，或者熔体流动速率为1.0-10.0g/min范围的由不同熔体流动速率的两种或以上的线性低密度聚乙烯按任意重量比相混合的混合物。
乙烯-α-烯烃共聚物为乙烯-α-丙烯共聚物、乙烯-α-丁烯共聚物、乙烯-α-己烯共聚物、乙烯-α-辛烯共聚物的一种或以上的并且按任意重量比相混合的混合物。
在聚乙烯中添加乙烯-α-烯烃共聚物和乙烯-乙酸乙酯共聚物增加基材的抗张强度和断裂伸长率性能。
润滑剂为聚乙烯蜡、乙撑双硬脂酰胺、硬脂酸或石蜡。
抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂168、抗氧剂626、抗氧剂300、抗氧剂1024中的至少一种。
聚乙烯相容剂为马来酸酐接枝改性的高密度聚乙烯，型号为SZ11，购自黄山贝诺科技有限公司。聚乙烯相容剂增加聚乙烯、乙烯-α-烯烃共聚物和乙烯-乙酸乙酯共聚物的相容性能。
交联剂可以为TAIC或TMPTMA或者TAIC与TMPTMA的混合物。交联剂的作用就是在辐照交联的过程中，提高交联的效率、降低辐照剂量，使材料从线性结构变为立体网状结构，提高耐热、抗张强度等性能。
得到的材料的具有优秀的导热性能，导热系数为1.0-1.2w/(m.k)，比常规高分子材料导热系数提升2-3倍，可以有效提升冷却液吸收电缆产生热量的效率；具有优异的耐温范围，耐温度范围为-40℃-150℃，耐低温为零下-40℃，耐高温可达150℃；具有短期耐热老化性能:材料在烘箱温度175℃下持续168h，抗张强度和断裂伸长率变化率为≤±30％；具有短期耐冷却液溶剂性能：材料浸入到冷却液中并在烘箱温度120℃下持续168h，抗张强度和断裂伸长率变化率为≤±25％；具有长期耐冷却液溶剂性能：材料浸入到冷却液中并在烘箱温度120℃下持续1000h，抗张强度和断裂伸长率变化率为≤±40％；并且常温下此材料做成的冷却管能够经受住3倍的声称最大工作压力(5bar)并且气密性需要保持完好；90℃高温下此材料做成的冷却管需要经受住1.5倍的声称最大工作压力(5bar)并且气密性需要保持完好；该冷却管材料能够满足液冷电缆的性能要求，使线缆能够在长期弯曲、移动等情况下使用。
本发明还提供一种如上的液冷电缆用高导热冷却管材料的制备方法，包括以下步骤：将30-70份聚乙烯、5-20份乙烯-α-烯烃共聚物、3-10份乙烯-乙酸乙酯共聚物、3-10份聚乙烯相容剂、60-120份导热填料、1-2份润滑剂、0.6-2.5份抗氧剂、1.5-3.5份交联剂加入高混机中，进行充分搅拌，然后经双螺杆挤出机熔融、挤出、牵引和切粒制得产品。在高混机中混合的目的主要是提高填料在聚乙烯基材中分散的均匀性，对提高成品各方面性能有一定的作用。
其中，呈上述，先将60-120份导热填料按比例与表面改性助剂加入高混机中，获得表面改性后的导热填料，然后将表面改性的导热填料按照比例与部分基材进行混合、挤出造粒，获得导热填料母粒，最后将导热填料母粒、剩余份数的聚乙烯、及其余材料加入高混机进行混合。
关于在高混机中搅拌的具体时长根据实际需要进行设置，只要达到将材料混合均匀即可。关于双螺杆挤出机熔融、挤出、牵引和切粒操作为现有技术，在此不在赘述。
以下结合具体实施例进一步说明。
实施例1
以重量份数计，液冷电缆用高导热冷却管材料包含以下组分：
聚乙烯：60份；
乙烯-α-丙烯共聚物：10份；
乙烯-乙酸乙酯共聚物：6份；
马来酸酐接枝改性的高密度聚乙烯：8份；
氧化铝/碳纳米管复合材料：80份；
硬脂酸：1份；
抗氧剂1010：1.5份；
交联剂：2.5份。
得到的材料的导热系数为1.1w/(m.k)。材料在烘箱温度175℃下持续168h，材料抗张强度变化率为-15％，断裂伸长率变化率为-20％。
材料浸入到冷却液中并在烘箱温度120℃下持续168h，抗张强度变化率为-10％，断裂伸长率变化率为-15％。材料浸入到冷却液中并在烘箱温度120℃下持续1000h，抗张强度变化率为-30％，断裂伸长率变化率为-30％。
该材料导热系数为1.0～1.2w/(m.k)之间；短期耐老化性能变化率满足≤±30％；短期耐冷却液性能变化率满足≤±25％；短期耐冷却液性能变化率满足≤±40％。
对比例1
以重量份数计，液冷电缆用高导热冷却管材料包含以下组分：
聚乙烯：20份；
乙烯-α-丙烯共聚物：3份；
乙烯-乙酸乙酯共聚物：2份；
马来酸酐接枝改性的高密度聚乙烯：8份；
氧化铝/碳纳米管复合材料：10份；
硬脂酸：1份；
抗氧剂1010：1.5份；
交联剂：2.5份。
得到的材料的导热系数为0.8w/(m.k)。材料在烘箱温度175℃下持续168h，材料抗张强度变化率为-40％，断裂伸长率变化率为-55％。
材料浸入到冷却液中并在烘箱温度120℃下持续168h，抗张强度变化率为-35％，断裂伸长率变化率为-45％。
该材料导热系数不满足要求规定的1.0～1.2w/(m.k)之间；短期老化性能变化率均超过了≤±30％；短期耐冷却液性能变化率均超过了≤±25％。
对比例2
以重量份数计，液冷电缆用高导热冷却管材料包含以下组分：
聚乙烯：80份；
乙烯-α-丙烯共聚物：25份；
乙烯-乙酸乙酯共聚物：15份；
马来酸酐接枝改性的高密度聚乙烯：8份；
氧化铝/碳纳米管复合材料：130份；
硬脂酸：1份；
抗氧剂1010：1.5份；
交联剂：2.5份。
得到的材料的导热系数为1.5w/(m.k)。材料在烘箱温度175℃下持续168h，材料抗张强度变化率为-60％，断裂伸长率变化率为-60％。
材料浸入到冷却液中并在烘箱温度120℃下持续168h，抗张强度变化率为-45％，断裂伸长率变化率为-55％。
该材料导热系数不满足要求规定的1.0～1.2w/(m.k)之间；短期老化性能变化率均超过了≤±30％；短期耐冷却液性能变化率均超过了≤±25％。
很显然，通过实施例1与对比例1和2可知，各组分的重量比对最后的材料的性能影响很大，需要在合适的重量比得到的材料才能适合制备液冷电缆用高导热冷却管。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种液冷电缆用高导热冷却管材料，其特征在于，以重量份数计，包含以下组分：
聚乙烯：60份；
乙烯-α-烯烃共聚物：10份；
乙烯-乙酸乙酯共聚物：6份；
聚乙烯相容剂：8份；
导热填料：80份；
润滑剂：1份；
抗氧剂：1.5份；
交联剂：2.5份；
其中，所述导热填料为氧化铝/碳纳米管复合材料。
2.如权利要求1所述的液冷电缆用高导热冷却管材料，其特征在于，所述液冷电缆用高导热冷却管材料的导热系数为1.0~1.2w/(m.k)；耐温度范围为-40℃- 150℃；在175℃温度下加热168h，抗张强度和断裂伸长率变化率为≤±30%；浸入到冷却液中并在120℃温度下加热168h，抗张强度和断裂伸长率变化率为≤±25%；浸入到冷却液中并在120℃温度下加热1000h，抗张强度和断裂伸长率变化率为≤±40%。
3.如权利要求1所述的液冷电缆用高导热冷却管材料，其特征在于，以重量份数计，所述氧化铝/碳纳米管复合材料的具体组成为氧化铝3份，碳纳米管7份。
4.如权利要求1所述的液冷电缆用高导热冷却管材料，其特征在于，所述聚乙烯为熔体流动速率为1.0-10.0g/min的单一的线性低密度聚乙烯，或者熔体流动速率为 1.0-10.0g/min范围的由不同熔体流动速率的两种或以上的线性低密度聚乙烯按任意重量比相混合的混合物。
5.如权利要求1所述的液冷电缆用高导热冷却管材料，其特征在于，所述乙烯-α-烯烃共聚物为乙烯-α-丙烯共聚物、乙烯-α-丁烯共聚物、乙烯-α-己烯共聚物、乙烯-α-辛烯共聚物的一种或以上的并且按任意重量比相混合的混合物。
6.如权利要求1所述的液冷电缆用高导热冷却管材料，其特征在于，所述润滑剂为聚乙烯蜡、乙撑双硬脂酰胺、硬脂酸或石蜡。
7.如权利要求1所述的液冷电缆用高导热冷却管材料，其特征在于，所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂168、抗氧剂626、抗氧剂300、抗氧剂 1024中的至少一种。
8.如权利要求1所述的液冷电缆用高导热冷却管材料，其特征在于，所述聚乙烯相容剂为马来酸酐接枝改性的高密度聚乙烯。
9.如权利要求1-8任一项所述的液冷电缆用高导热冷却管材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将60份聚乙烯、10份乙烯-α-烯烃共聚物、6份乙烯-乙酸乙酯共聚物、8份聚乙烯相容剂、80份导热填料、1份润滑剂、1.5份抗氧剂、2.5份交联剂加入高混机中，进行充分搅拌，然后经双螺杆挤出机熔融、挤出、牵引和切粒制得产品。
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