石墨烯在电缆屏蔽层的应用研发及应用市场解析

　　摘要：随着我国基础设施建设规模的日益扩大，并且在“一带一路”政策的推动下，电力设施升级换代的需求迫切。据媒体报道，我国电线电缆行业在2018年的市场规模达到1.3万亿元，规模以上企业超过了4000家。由于市场扩大，竞争加剧，电缆的性能也在不断地优化和提升。

　　电缆通常由导体、屏蔽层、绝缘层、屏蔽层和护套组成。而屏蔽层材料是近些年来人们关注和研究的热点。其中，由于石墨烯具有高的比表面积、电导率、导热率和良好的力学性能以及高电磁屏蔽特性，所以其在电缆中重要的研究价值有待进一步挖掘。本文将对石墨烯在电缆屏蔽层的研究与应用进行解析。

　　改性应用研发三步走从“炭黑”到“碳纳米管”再到“石墨烯”

　　炭黑是如今在电缆屏蔽层中应用最广泛的导电填料之一，其PH值、粒径、比表面积、邻苯二甲酸二丁酯吸收值等物理化学特性往往决定了屏蔽料的加工性能和导电性能。而屏蔽层的导电性和韧性相对炭黑的添加量又是两种相互对立又需同时兼顾的性能。国内外大量研究人员对填料炭黑的添加量等配比工艺做了大量研究。目前研究表明，15%-50%的添加质量占比是最为适宜的。

　　1991年，碳纳米管被日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛发现，其具有优异的电学、力学和磁学性能。为了提高电缆屏蔽层复合材料的导电率的稳定性，国外科技工作者将炭黑和碳纳米管作为填料，由于碳纳米管具有较长的长径比使得填料形成的导电网络在熔融结晶的过程中更加稳定。后来美国陶氏化学公司也做了相关的产品化工作。

　　直到2012年，石墨烯电缆屏蔽层中的相关专利才出现在欧美国家。石墨烯具有比表面积大、厚径比高、电子迁移率高、导热率高的特征，其独特的单原子层二维结构和共轭碳网络结构，都被认为是最为理想的纳米导电填料。但是其极高的化学稳定性、表面惰性和不易分散性使得其与屏蔽层中的高分子材料难以兼容。目前，大量的改性石墨烯的研究停留在实验室阶段，其研究方向集中在：1.石墨烯与其他填料、聚合物、助剂等的相互作用。2.提升包含石墨烯的屏蔽料轻质、高效、梯度温度稳定性等特征。3.对电缆屏蔽层屏蔽机理的研究。

　　大量实验证实，经过改性处理优化配比后的石墨烯的加入，改善了电缆处于不均匀电场的情况，减少了内部输电量的损失，同时减少了电缆运行过程中异常开裂的事故发生率。

　　国内市场应用处于萌芽期

　　由中超控股、西安交大、常州第六元素等共同投资成立的常州中超石墨烯电力有限公司的“35KV及以下交联电缆用过氧化物交联型低电阻热稳定石墨烯复合半导电屏蔽料”在2016年生产线正式投产，可形成年产2000吨中高压电缆用低电阻热稳定石墨烯复合半导电屏蔽材料的产能规模。经国家电线电缆质量监督检测中心测试，其20℃体积电阻率比现行同行材料下降10倍以上，90℃体积电阻率比现行同行材料下降30倍以上。据悉，石墨烯包覆采煤机屏蔽橡套软电缆有少量销售。

　　通过专利检索发现，电缆石墨烯屏蔽层的制备方法的专利发明人同时还有安徽徽宁电器仪表集团有限公司、浙江六环电线电缆有限公司、上海至正道化高分子材料股份有限公司等企业(如图1所示)，申请时间也都是近几年的。国内历年来该应用领域共有200多项专利。如果根据专利维持年限、权利要求数量、同族、引证、被引证、诉讼、许可、转让、质押等十几个纬度计算得出：这些专利的价值含量相对较低。

图1 国内石墨烯电缆屏蔽层专利申请排名　　

(来源：国家知识产权局专利检索)

　　其他企业投产方面的报道几乎没有，这都说明在国内市场石墨烯在电缆屏蔽层的应用处于萌芽期。

　　结语

　　电缆屏蔽层材料是近些年来人们关注和研究的热点，石墨烯具有比表面积大、厚径比高、电子迁移率高、导热率高的特征，其独特的单原子层二维结构和共轭碳网络结构，都被认为是最为理想的纳米导电填料。其改善了电缆处于不均匀电场的情况，减少了内部输电量的损失，同时减少了电缆运行过程中异常开裂的事故发生率。通过专利检索发现，石墨烯电缆屏蔽层的制备方法的专利申请集中在最近几年，国内投入生产的企业很少，我国石墨烯在电缆屏蔽层的应用还处于萌芽期。