CN107722615A - 一种电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料及其制备方法 - Google Patents

一种电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料及其制备方法，该材料包括以下重量份原材料制备而成：20‑30份的玄武岩纤维、0.001‑0.003份的石墨烯，8‑12份的改性剂、20‑30份的丙烯酸酯橡胶、35‑45份的聚己内酰胺、0.3‑0.8份的偶联剂、0.1‑0.3份的交联剂；将经过改性处理的玄武岩纤维添加到聚己内酰胺中并进行交联改性，显著的提高了聚己内酰胺的抗拉强度能，且保留了较好的加工性，将该聚己内酰胺材料用于电缆的护套层，能显著增加电缆的抗拉性能。

Description

一种电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及电缆材料领域，具体涉及一种电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料及其制备方法。
背景技术
电缆是用一根或多根导线经过绞合制作成导体线芯，再在导体上施以相应的绝缘层，外面包上密封护套而形成的导线，主要由线芯、绝缘层、屏蔽层和护套层构成。电缆具有占用地面和空间少；供电安全可靠，触电可能性小；有利于提高电力系统的功率因数；运行、维护工作简单方便；有利于美化城市，具有保密性等诸多优点，被广泛应用于生活和生产中的各个领域。电缆护套层的作用是密封保护电缆免受外界杂质和水分的侵入，防止外力直接损坏电缆绝缘层。电缆护套层材料不仅要求密封性好、防腐性高、机械强度高、阻燃性好，还应当具有一定的抗拉强度。
聚己内酰胺是单体己内酰胺经开环聚合反应生成的线型聚酰胺，具有抗拉强度和耐磨性优异等优点，在电子、汽车、机械及化工领域均有广泛应用。在电缆领域，聚己内酰胺也可作为电缆材料之一。随着电缆在更多领域中的应用，电缆的应用环境也越来越复杂，因而，对电缆的各项性能的要求也越来越高，用单一的聚己内酰胺材料制备得到的电缆性能已不能满足电缆性能的要求，对电缆用聚己内酰胺材料进行改性成为必要。
抗拉性能是电缆需要具备的基本性能之一，随着电缆应用的范围不断增加，电缆铺设的跨度也不断提高，因而，对电缆的抗拉性能要求也越来越高，对电缆用聚己内酰胺材料的抗拉性能要求也越来越高。现有技术中也采用了多种方法来提高聚己内酰胺材料的抗拉性，如：添加高强度纤维和对聚己内酰胺进行交联的方法，但由于原材料选择的针对性较差或没有对聚己内酰胺聚合度进行控制等因素的影响，得到的改性聚己内酰胺材料抗拉性能并没有达到预想的要求，要么加工性好但抗拉强度不足，要么抗拉强度好却加工性变差，从而严重影响了电缆的生产和应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有用于电缆的聚己内酰胺材料抗拉强度不足的缺陷，提供一种电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料及其制备方法；本发明将经过改性处理的玄武岩纤维添加到聚己内酰胺中并进行交联改性，显著的提高了聚己内酰胺的抗拉强度，且保留了较好的加工性，将该聚己内酰胺材料用于电缆，能显著增加电缆的抗拉性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料，包括以下重量份原材料制备而成：20-30份的玄武岩纤维、0.001-0.003份的石墨烯，8-12份的改性剂、20-30份的丙烯酸酯橡胶、35-45份的聚己内酰胺、0.3-0.8份的偶联剂、0.1-0.3份的交联剂。
本发明一种电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料，根据玄武岩纤维和交联能增加聚己内酰胺抗拉强度的基本原理，不仅通过针对性的筛选改性剂、偶联剂和交联剂的种类，来提高玄武岩纤维与聚己内酰胺之间的相容性，使玄武岩纤维对聚己内酰胺的抗拉强度增强作用更好，还通过控制聚己内酰胺材料的聚合度来使改性后的聚己内酰胺材料在抗拉强度与加工性之间达到最佳平衡关系，从而使得到的聚己内酰胺材料在具有优异的抗拉强度的条件下，也满足制备电缆所需要的加工性，从而能大量生产高抗拉强度的电缆。
上述一种电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料，其中石墨烯能与玄武岩纤维协同作用，在不明显影响聚己内酰胺材料电性能的前提下，显著增加聚己内酰胺材料的抗拉强度；石墨烯的量需要控制在规定范围内，用量过大，聚己内酰胺材料电阻率大幅降低，绝缘性降低，不适合用于电缆护套层；用量过少，对聚己内酰胺材料抗拉强度增加作用小，作用效果不明显；优选的，所述的石墨烯用量为0.002份。
上述一种电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料，其中，所述的玄武岩纤维直径为0.01-0.5μm，长度为10-180μm；玄武岩纤维直径和长度越小，分散性越差，对聚己内酰胺抗拉强度的增强作用降低，玄武岩纤维直径和长度越大，在聚己内酰胺相中相容性越差，容易出现界面分离，影响聚己内酰胺材料的抗拉强度；优选的，所述的玄武岩纤维直径为0.05-0.2μm，长度为30-80μm；最优选的，所述的玄武岩纤维直径为0.1μm，长度为50μm；通过优选，玄武岩纤维对聚己内酰胺材料的抗拉增强效果最好。
上述一种电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料，其中，所述的改性剂为甲基氨基乙酸与正硅酸乙酯组成的混合物；所述的改性剂能改善玄武岩纤维与聚己内酰胺的相容性，增加材料抗拉强度；优选的，所述的改性剂中甲基氨基乙酸与正硅酸乙酯的物质的量之比为1︰2。
上述一种电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料，其中，聚己内酰胺的聚合度越大，交联后抗拉强度越差，加工性越好，聚己内酰胺的聚合物越小，则交联后抗拉强度越好，加工性越差，因此，选择合理的聚己内酰胺聚合度，是平衡抗拉强度和加工性的重要手段。所述的丙烯酸酯橡胶聚合度为120-250；优选的，所述的丙烯酸酯橡胶的聚合度为150-200；最优的，所述的丙烯酸酯橡胶的聚合度为180；通过优选，得到的聚己内酰胺既具有优异的抗拉强度，也具有较好的加工性，适合用于制备电缆护套层。
其中，所述的聚己内酰胺聚合度为1200-1800；优选的，所述聚己内酰胺的聚合度为1400-1600；最优选的，所述的聚己内酰胺的聚合度为1500；通过优选，得到的聚己内酰胺既具有优异的抗拉强度，也具有较好的加工性，适合用于制备电缆护套层。
上述一种电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料，其中，所述的偶联剂为甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂；甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂能增加玄武岩纤维与聚己内酰胺材料之间的相容性，提高聚己内酰胺材料的性能。
其中，所述的交联剂为过氧化苯甲酰，该交联剂不仅能将两种不同聚合度的聚己内酰胺适当交联，提高聚己内酰胺材料的抗拉强度，能提高与玄武岩纤维的相容性，增加玄武岩纤维对聚己内酰胺的改性作用，与玄武岩纤维形成协同增效作用。
上述一种电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料，其中，其原材料还包括分散剂、增塑剂、抗静电剂、染色剂、増亮剂中的一种或多种；上述的助剂能提高电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料的加工性，增加其功能性等作用，从而提高其适用性。
为了实现上述发明目的，进一步的，本发明提供了一种电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将玄武岩纤维用改性剂进行改性处理并干燥；
（2）将经过改性处理的玄武岩纤维用偶联剂进行处理；
（3）将经过偶联处理的玄武岩纤维与石墨烯、丙烯酸酯橡胶、聚己内酰胺、交联剂混合均匀后用挤出机进行挤出，得到电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料。
本发明一种电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料的制备方法，先对玄武岩纤维进行改性处理，增加其与高分子材料的相容性，再用偶联剂对玄武岩纤维进行偶联，最后与聚己内酰胺等原料进行混合，使玄武岩纤维分散在交联聚己内酰胺中，形成稳定性好、抗拉强度好、加工性好的改性聚己内酰胺材料；该制备方法简单可靠，适合用于电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料的大规模、工业化生产。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料中石墨烯能与玄武岩纤维协同作用，在不明显影响聚己内酰胺材料电性能的前提下，显著增加聚己内酰胺材料的抗拉强度。
2、本发明电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料针对性的筛选改性剂、偶联剂和交联剂的种类，来提高玄武岩纤维与聚己内酰胺之间的相容性，使玄武岩纤维对聚己内酰胺的抗拉强度增强作用更好。
3、本发明电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料通过控制聚己内酰胺的聚合度来使改性后的聚己内酰胺材料在抗拉强度与加工性之间达到最佳平衡关系，使得到的聚己内酰胺材料在具有优异的抗拉强度的条件下，也符合制备电缆护套层所需要的加工性。
4、本发明制备方法简单、可靠，适合电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料的大规模、工业化生产。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
（1）将12份的直径为0.1μm、长度为50μm的玄武岩纤维用3份的甲基氨基乙酸和6份的正硅酸乙酯进行改性处理后并干燥；
（2）将经过改性处理的玄武岩纤维用0.5份的甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂进行偶联处理；
（3）将偶联后的玄武岩纤维与0.002份石墨烯、25份的聚合度为180的丙烯酸酯橡胶、45份的聚合度为1500的聚己内酰胺、0.2份的过氧化苯甲酰混合均匀后用挤出机进行挤出，得到电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料。
实施例2
（1）将10份的直径为0.5μm、长度为180μm的玄武岩纤维用4份的甲基氨基乙酸和8份的正硅酸乙酯进行改性处理后并干燥；
（2）将经过改性处理的玄武岩纤维用0.3份的甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂进行偶联处理；
（3）将偶联后的玄武岩纤维与0.001份石墨烯、20份的聚合度为120的丙烯酸酯橡胶、45份的聚合度为1800的聚己内酰胺、0.1份的过氧化苯甲酰混合均匀后用挤出机进行挤出，得到电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料。
实施例3
（1）将15份的直径为0.01μm、长度为10μm的玄武岩纤维用4份的甲基氨基乙酸和4份的正硅酸乙酯进行改性处理后并干燥；
（2）将经过改性处理的玄武岩纤维用0.8份的甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂进行偶联处理；
（3）将偶联后的玄武岩纤维与0.003份石墨烯、30份的聚合度为250的丙烯酸酯橡胶、35份的聚合度为1200的聚己内酰胺、0.3份的过氧化苯甲酰混合均匀后用挤出机进行挤出，得到电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料。
对比例1
（1）将12份的直径为0.1μm、长度为50μm的玄武岩纤维用3份的甲基氨基乙酸和6份的正硅酸乙酯进行改性处理后并干燥；
（2）将经过改性处理的玄武岩纤维用0.5份的甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂进行偶联处理；
（3）将偶联后的玄武岩纤维与25份的聚合度为180的丙烯酸酯橡胶、45份的聚合度为1500的聚己内酰胺、0.2份的过氧化苯甲酰混合均匀后用挤出机进行挤出，得到聚己内酰胺改性电缆材料。
对比例2
（1）将12份的直径为0.1μm、长度为50μm的玄武岩纤维用0.5份的甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂进行偶联处理；
（2）将偶联后的玄武岩纤维与0.002份石墨烯、25份的聚合度为180的丙烯酸酯橡胶、45份的聚合度为1500的聚己内酰胺、0.2份的过氧化苯甲酰混合均匀后用挤出机进行挤出，得到聚己内酰胺改性电缆材料。
对比例3
（1）将12份的直径为0.1μm、长度为50μm的玄武岩纤维用3份的甲基氨基乙酸和6份的正硅酸乙酯进行改性处理后并干燥；
（2）将经过改性处理的玄武岩纤维用0.5份的甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂进行偶联处理；
（3）将偶联后的玄武岩纤维与0.002份石墨烯、25份的聚合度为100的丙烯酸酯橡胶、45份的聚合度为1000的聚己内酰胺、0.2份的过氧化苯甲酰混合均匀后用挤出机进行挤出，得到聚己内酰胺改性电缆材料。
对比例4
（1）将12份的直径为0.1μm、长度为50μm的玄武岩纤维用3份的甲基氨基乙酸和6份的正硅酸乙酯进行改性处理后并干燥；
（2）将经过改性处理的玄武岩纤维用0.5份的甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂进行偶联处理；
（3）将偶联后的玄武岩纤维与0.002份石墨烯、25份的聚合度为280的丙烯酸酯橡胶、45份的聚合度为2000的聚己内酰胺、0.2份的过氧化苯甲酰混合均匀后用挤出机进行挤出，得到聚己内酰胺改性电缆材料。
对比例5
（1）将12份的直径为0.1μm、长度为50μm的玄武岩纤维用3份的甲基氨基乙酸和6份的正硅酸乙酯进行改性处理后并干燥；
（2）将经过改性处理的玄武岩纤维用0.5份的甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂进行偶联处理；
（3）将偶联后的玄武岩纤维与0.002份石墨烯、25份的聚合度为180的丙烯酸酯橡胶、45份的聚合度为1500的聚己内酰胺、0.2份的二甲基丙烯酸乙二醇酯混合均匀后用挤出机进行挤出，得到聚己内酰胺改性电缆材料。
将上述实施例1-3和对比例1-5中的聚己内酰胺改性电缆材料，进行性能检测，记录数据如下：
性能 拉伸强度（MPa） 拉伸率（%） 加工性
实施例1 96.2 62.4 +++
实施例2 96.8 76.1 +++
实施例3 96.5 83.7 +++
对比例1 87.8 60.5 +++
对比例2 89.6 64.5 ++
对比例3 97.9 46.8 +
对比例4 89.6 98.6 ++++
对比例5 88.7 75.4 ++
注：“+”越多，说明性能越好。
对上述实验数据分析可知，实施例1-3中制备得到的本发明电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料，抗拉强度好，加工性好；而对比例1中，未添加石墨烯，不能与玄武岩纤维协同增效，聚己内酰胺材料的抗拉强度显著降低；对比例2中未采用改性剂对玄武岩纤维进行改性处理，玄武岩纤维在聚己内酰胺中的相容性变差，对聚己内酰胺的抗拉强度增强作用降低，加工性变差；对比例3中聚己内酰胺的聚合度太小，交联后聚己内酰胺流动性差，加工性变差，不利于在电缆中进行使用；对比例4中聚己内酰胺的聚合度大，虽然加工性变好，但抗拉强度显著降低；对比例5中未采用本发明针对性选择的交联剂，聚己内酰胺与玄武岩纤维的相容性降低，导致聚己内酰胺材料的抗拉强度、加工性降低。

Claims (10)

1.一种电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料，其特征在于，包括以下重量份原材料制备而成：20-30份的玄武岩纤维、0.001-0.003份的石墨烯，8-12份的改性剂、20-30份的丙烯酸酯橡胶、35-45份的聚己内酰胺、0.3-0.8份的偶联剂、0.1-0.3份的交联剂；所述的改性剂为甲基氨基乙酸与正硅酸乙酯组成的混合物；所述的丙烯酸酯橡胶聚合度为120-250；所述的聚己内酰胺聚合度为1200-1800；所述的偶联剂为甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂；所述的交联剂为过氧化苯甲酰。
2.根据权利要求1所述的电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料，其特征在于，所述的石墨烯重量份为0.002份。
3.根据权利要求1所述的电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料，其特征在于，所述的玄武岩纤维直径为0.01-0.5μm，长度为10-180μm。
4.根据权利要求3所述的电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料，其特征在于，所述的玄武岩纤维直径为0.05-0.2μm，长度为30-80μm。
5.根据权利要求1所述的电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料，其特征在于，所述的改性剂中甲基氨基乙酸与正硅酸乙酯的物质的量之比为1︰2。
6.根据权利要求1所述的电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料，其特征在于，所述的丙烯酸酯橡胶的聚合度为150-200。
7.根据权利要求6所述的电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料，其特征在于，所述的丙烯酸酯橡胶的聚合度为180。
8.根据权利要求1所述的电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料，其特征在于，所述聚己内酰胺的聚合度为1400-1600。
9.根据权利要求8所述的电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料，其特征在于，所述聚己内酰胺的聚合度为1500。
10.一种权利要求1-9任一项所述电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将玄武岩纤维用改性剂进行改性处理并干燥；
（2）将经过改性处理的玄武岩纤维用偶联剂进行处理；
（3）将经过偶联处理的玄武岩纤维与石墨烯、丙烯酸酯橡胶、聚己内酰胺、交联剂混合均匀后用挤出机进行挤出，得到电缆用聚己内酰胺抗拉改性材料。
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