CN110128732A - 一种耐磨增韧聚乙烯护套料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐磨增韧聚乙烯护套料，包括如下重量份数的原料组分：PE树脂55‑65份、抗氧化剂0.2‑0.4份、炭黑5‑7份、羟甲基纤维素8‑15份、硬脂酸锌0.2‑0.5份、氧化镁5‑15份、三元乙丙橡胶15‑20份、改纳米性二氧化硅5‑10份、交联结构聚合物5‑8份；所述改性二氧化硅制备方法如下：将γ‑氨丙基三乙氧基硅烷溶于醇类溶剂与水的混合液中，调节体系pH值至3‑5，然后加入纳米二氧化硅，在78℃下反应2h，经抽滤、烘干和研磨即可得改性二氧化硅；所述交联结构聚合物由有机单体苯乙烯、二乙烯苯、异戊二烯在引发剂作用下发生聚合反应制得。本发明提供的聚乙烯护套料具有优异的耐磨性、抗撕裂强度及抗拉强度，在恶劣环境下电缆护套综合性能好，使用寿命长。

Description

一种耐磨增韧聚乙烯护套料及其制备方法
技术领域
本发明涉及电缆材料技术领域，具体涉及一种耐磨增韧聚乙烯护套料及其制备方法。
背景技术
电线电缆行业是中国仅次于汽车行业的第二大行业，产品品种满足率和国内市场占有率均超过90％。随着中国电力工业、数据通信业、城市轨道交通业、汽车业以及造船等行业规模的不断扩大，对电线电缆的需求也将迅速增长，未来电线电缆业还有巨大的发展潜力。电缆主要包括内部的缆芯和包覆在缆芯外的护套组成，护套起到绝缘和保护作用。
随着我国煤矿采掘行业的不断发展，对矿用电缆的性能要求也越来越高，特别是近年来大功率重型采掘机机械的使用，电级容量需求越来越大，导致对护套料的要求也越来越高。很多地区差异，井下地质条件非常复杂：弯道多、潮湿、腐蚀性媒质、可燃性气体、落石等等。因此在煤矿等恶劣环境中用作电缆护套的材料必须具有优异的机械性能、抗撕裂强度和耐磨性。但是现有的聚乙烯电缆护套材料的强度和耐磨性不是很理想，不能满足恶劣环境下电缆的性能要求。常规护套材料一般强度只有9～10MPa，抗撕性能更低，只有6MPa左右，很难满足矿井下常期使用要求，一般一个月最多几个月就要更换新的电缆产品。
发明内容
本发明的目的是针对聚乙烯电缆护套材料的耐磨性能及抗撕性能差的技术问题，提供一种耐磨增韧聚乙烯护套料。同时提供一种制备该耐磨增韧聚乙烯护套料的方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种耐磨增韧聚乙烯护套料，其包括如下重量份数的原料组分：PE树脂55-65份、抗氧化剂0.2-0.4份、炭黑5-7份、羟甲基纤维素8-15份、硬脂酸锌0.2-0.5份、氧化镁5-15份、三元乙丙橡胶15-20份、改纳米性二氧化硅5-10份、交联结构聚合物5-8份。所述改性纳米二氧化硅是采用改性剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷改性引入氨基的纳米二氧化硅。所述交联结构聚合物由有机单体苯乙烯、二乙烯苯、异戊二烯在引发剂作用下发生聚合反应制得。
所述改性二氧化硅制备方法如下：将γ-氨丙基三乙氧基硅烷溶于醇类溶剂与水的混合液中，调节体系pH值至3-5，然后加入纳米二氧化硅，在78℃下反应2h，经抽滤、烘干和研磨即可得改性二氧化硅。
优选的是，所述引发剂为过氧化十二酰或过氧化二碳酸二异丙酯。所述抗氧化剂由抗氧剂CA和抗氧剂DLTP组成，且抗氧剂CA与抗氧剂DLTP的重量比为1:1。
优选的是，所述氧化镁是吸碘值为每克MgO120～180mgI2的高活性氧化镁。
进一步优选的是，所述耐磨增韧聚乙烯护套料由如下重量份数的原料组分制成：PE树脂60份、抗氧化剂0.3份、炭黑6份、羟甲基纤维素10份、硬脂酸锌0.4份、氧化镁7份、三元乙丙橡胶15份、改纳米性二氧化硅8份、交联结构聚合物7份。
一种上述耐磨增韧聚乙烯护套料的制备方法，包括如下步骤：
S1、制备改性二氧化硅：将γ-氨丙基三乙氧基硅烷溶于醇类溶剂与水的混合液中配置成质量百分浓度为3-5％的溶液，超声分散30min后，调节体系pH值至3-5，然后加入占反应体系总质量2％的纳米二氧化硅，在78℃下反应2h，经抽滤、烘干和研磨即可得改性二氧化硅；醇类溶剂与水的混合液为无水乙醇与水按重量比9:1混合得到的混合液；
S2、制备交联结构聚合物：将有机单体苯乙烯、二乙烯苯、异戊二烯以及稳定剂聚乙烯吡咯酮分散在乙醇与水的混合溶剂中，然后加入引发剂，升温到50℃，恒温搅拌反应5h，再升温到75℃，恒温搅拌反应0.5h，停止加热；反应体系在搅拌条件下自然冷却后，离心分离得到白色的交联结构聚合物初产物；依次用丙酮、水和乙醇将交联结构聚合物初产物各洗涤3次，干燥，得到交联结构聚合物；苯乙烯、二乙烯苯、异戊二烯、聚乙烯吡咯酮以及引发剂的重量份数比为25:5:3:2:1；
S3、配料：按照PE树脂55-65份、抗氧化剂0.2-0.4份、炭黑5-7份、羟甲基纤维素8-15份、硬脂酸锌0.2-0.5份、氧化镁5-15份、三元乙丙橡胶15-20份、改纳米性二氧化硅5-10份、交联结构聚合物5-8份的重量份配比称取各组分待用；
S4、制备将PE树脂和三元乙丙橡胶加入捏合机中，控制气压为0.3MPa，进行捏合密炼7-8min；
S5、密炼结束后，将原料中的抗氧化剂、炭黑、交联结构聚合物和羟甲基纤维素加入其中，然后进行加热至130℃，进行初塑炼2-3h；初塑炼结束后，将温度控制为140-150℃，进行终塑炼1-2h后，冷却至室温；
S6、将原料中的硬脂酸锌、氧化镁、改纳米性二氧化硅加入步骤S5的产物中，搅拌均匀后，取出，然后进行挤塑造粒即得到聚乙烯电缆护套料。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
其一、纳米二氧化硅表面自由能高，处于热力学非稳定状态，极难均匀分散于有机介质体系中；采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷对纳米二氧化硅进行改性，改性后的二氧化硅改善了与有机介质的相容性，使其在混料过程中分散性好，分布均匀，改性后纳米二氧化硅能够提升护套料的机械强度和力学性能，进而增强护套料的耐磨性能及抗撕性能。
其二、护套料中交联结构聚合物与护套料的主成分PE树脂之间形成化学键，有效提高交联结构聚合物与PE树脂的相容性和界面作用力，进而起到增韧作用，提高聚乙烯电缆护套料的抗断裂韧性。
其三、各原料组分之间相互配合，具有协同作用，使聚乙烯电缆护套料的耐磨性能及抗撕性能显著提升，延长其使用寿命长。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种耐磨增韧聚乙烯护套料，包括如下重量份数的原料组分：PE树脂55份、抗氧化剂0.2份、炭黑5份、羟甲基纤维素8份、硬脂酸锌0.5份、氧化镁5份、三元乙丙橡胶20份、改纳米性二氧化硅10份、交联结构聚合物5份。其中，抗氧化剂由抗氧剂CA和抗氧剂DLTP组成，且抗氧剂CA与抗氧剂DLTP的重量比为1:1。所述氧化镁是吸碘值为每克MgO 120～180mgI2的高活性氧化镁。
该耐磨增韧聚乙烯护套料的制备方法如下：
S1、制备改性二氧化硅：称取4.0gγ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)用100mL乙醇溶液(无水乙醇与水按质量比9:1混合)稀释后，经超声分散30min，然后用甲酸调节体系pH值为4，即得到改性剂溶液；取2.0g纳米二氧化硅加入到上述改性剂溶液中，在78℃下反应2h，经抽滤、烘干和研磨即可得改性纳米二氧化硅，备用；
S2、制备交联结构聚合物：将25重量份有机单体苯乙烯、5重量份二乙烯苯、3重量份异戊二烯以及2重量份稳定剂聚乙烯吡咯酮分散在乙醇与水的混合溶剂中，然后加入1重量份引发剂过氧化十二酰或过氧化二碳酸二异丙酯，升温到50℃，恒温搅拌反应5h，再升温到75℃，恒温搅拌反应0.5h，停止加热；反应体系在搅拌条件下自然冷却后，离心分离得到白色的交联结构聚合物初产物；依次用丙酮、水和乙醇将交联结构聚合物初产物各洗涤3次，干燥，得到交联结构聚合物；
S3、配料：按照PE树脂55份、抗氧化剂0.2份、炭黑5份、羟甲基纤维素8份、硬脂酸锌0.5份、氧化镁5份、三元乙丙橡胶20份、改纳米性二氧化硅10份、交联结构聚合物5份的重量份配比称取各组分待用；
S4、制备将PE树脂和三元乙丙橡胶加入捏合机中，控制气压为0.3MPa，进行捏合密炼7-8min；
S5、密炼结束后，将原料中的抗氧化剂、炭黑、交联结构聚合物和羟甲基纤维素加入其中，然后进行加热至130℃，进行初塑炼2-3h；初塑炼结束后，将温度控制为140-150℃，进行终塑炼1-2h后，冷却至室温；
S6、将原料中的硬脂酸锌、氧化镁、改纳米性二氧化硅加入步骤S5的产物中，搅拌均匀后，取出，然后进行挤塑造粒即得到聚乙烯电缆护套料。
实施例2
一种耐磨增韧聚乙烯护套料，包括如下重量份数的原料组分：PE树脂65份、抗氧化剂0.4份、炭黑7份、羟甲基纤维素15份、硬脂酸锌0.2份、氧化镁15份、三元乙丙橡胶15份、改纳米性二氧化硅5份、交联结构聚合物8份。其中，抗氧化剂由抗氧剂CA和抗氧剂DLTP组成，且抗氧剂CA与抗氧剂DLTP的重量比为1:1。所述氧化镁是吸碘值为每克MgO120～180mgI2的高活性氧化镁。
该耐磨增韧聚乙烯护套料的制备方法，同实施例1。
实施例3
一种耐磨增韧聚乙烯护套料，包括如下重量份数的原料组分：PE树脂60份、抗氧化剂0.3份、炭黑6份、羟甲基纤维素10份、硬脂酸锌0.4份、氧化镁7份、三元乙丙橡胶15份、改纳米性二氧化硅8份、交联结构聚合物7份。其中，抗氧化剂由抗氧剂CA和抗氧剂DLTP组成，且抗氧剂CA与抗氧剂DLTP的重量比为1:1。所述氧化镁是吸碘值为每克MgO 120～180mgI2的高活性氧化镁。
该耐磨增韧聚乙烯护套料的制备方法，同实施例1。
对比例1
一种聚乙烯护套料，包括如下重量份数的原料组分：PE树脂55份、抗氧化剂0.2份、炭黑5份、羟甲基纤维素8份、硬脂酸锌0.5份、氧化镁5份、三元乙丙橡胶20份。其中，抗氧化剂由抗氧剂CA和抗氧剂DLTP组成，且抗氧剂CA与抗氧剂DLTP的重量比为1:1。所述氧化镁是吸碘值为每克MgO 120～180mgI2的高活性氧化镁。
该聚乙烯护套料的制备方法如下：
S1、配料：按照PE树脂55份、抗氧化剂0.2份、炭黑5份、羟甲基纤维素8份、硬脂酸锌0.5份、氧化镁5份、三元乙丙橡胶20份的重量份配比称取各组分待用；
S2、制备将PE树脂和三元乙丙橡胶加入捏合机中，控制气压为0.3MPa，进行捏合密炼7-8min；
S3、密炼结束后，将原料中的抗氧化剂、炭黑和羟甲基纤维素加入其中，然后进行加热至130℃，进行初塑炼2-3h；初塑炼结束后，将温度控制为140-150℃，进行终塑炼1-2h后，冷却至室温；
S4、将原料中的硬脂酸锌、氧化镁加入步骤S3的产物中，搅拌均匀后，取出，然后进行挤塑造粒即得到聚乙烯电缆护套料。
对比例2
一种聚乙烯护套料，包括如下重量份数的原料组分：PE树脂55份、抗氧化剂0.2份、炭黑5份、羟甲基纤维素8份、硬脂酸锌0.5份、氧化镁5份、三元乙丙橡胶20份、改纳米性二氧化硅10份。其中，抗氧化剂由抗氧剂CA和抗氧剂DLTP组成，且抗氧剂CA与抗氧剂DLTP的重量比为1:1。所述氧化镁是吸碘值为每克MgO 120～180mgI2的高活性氧化镁。
该聚乙烯护套料的制备方法如下：
S1、制备改性二氧化硅：称取4.0gγ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)用100mL乙醇溶液(无水乙醇与水按质量比9:1混合)稀释后，经超声分散30min，然后用甲酸调节体系pH值为4，即得到改性剂溶液；取2.0g纳米二氧化硅加入到上述改性剂溶液中，在78℃下反应2h，经抽滤、烘干和研磨即可得改性纳米二氧化硅，备用；
S2、配料：按照PE树脂55份、抗氧化剂0.2份、炭黑5份、羟甲基纤维素8份、硬脂酸锌0.5份、氧化镁5份、三元乙丙橡胶20份、改纳米性二氧化硅10份、交联结构聚合物5份的重量份配比称取各组分待用；
S3、制备将PE树脂和三元乙丙橡胶加入捏合机中，控制气压为0.3MPa，进行捏合密炼7-8min；
S4、密炼结束后，将原料中的抗氧化剂、炭黑和羟甲基纤维素加入其中，然后进行加热至130℃，进行初塑炼2-3h；初塑炼结束后，将温度控制为140-150℃，进行终塑炼1-2h后，冷却至室温；
S5、将原料中的硬脂酸锌、氧化镁、改纳米性二氧化硅加入步骤S4的产物中，搅拌均匀后，取出，然后进行挤塑造粒即得到聚乙烯电缆护套料。
对比例3
一种聚乙烯护套料，包括如下重量份数的原料组分：PE树脂55份、抗氧化剂0.2份、炭黑5份、羟甲基纤维素8份、硬脂酸锌0.5份、氧化镁5份、三元乙丙橡胶20份、交联结构聚合物5份。其中，抗氧化剂由抗氧剂CA和抗氧剂DLTP组成，且抗氧剂CA与抗氧剂DLTP的重量比为1:1。所述氧化镁是吸碘值为每克MgO 120～180mgI2的高活性氧化镁。
该聚乙烯护套料的制备方法如下：
S1、制备交联结构聚合物：将25重量份有机单体苯乙烯、5重量份二乙烯苯、3重量份异戊二烯以及2重量份稳定剂聚乙烯吡咯酮分散在乙醇与水的混合溶剂中，然后加入1重量份引发剂过氧化十二酰或过氧化二碳酸二异丙酯，升温到50℃，恒温搅拌反应5h，再升温到75℃，恒温搅拌反应0.5h，停止加热；反应体系在搅拌条件下自然冷却后，离心分离得到白色的交联结构聚合物初产物；依次用丙酮、水和乙醇将交联结构聚合物初产物各洗涤3次，干燥，得到交联结构聚合物；
S2、配料：按照PE树脂55份、抗氧化剂0.2份、炭黑5份、羟甲基纤维素8份、硬脂酸锌0.5份、氧化镁5份、三元乙丙橡胶20份、交联结构聚合物5份的重量份配比称取各组分待用；
S3、制备将PE树脂和三元乙丙橡胶加入捏合机中，控制气压为0.3MPa，进行捏合密炼7-8min；
S4、密炼结束后，将原料中的抗氧化剂、炭黑、交联结构聚合物和羟甲基纤维素加入其中，然后进行加热至130℃，进行初塑炼2-3h；初塑炼结束后，将温度控制为140-150℃，进行终塑炼1-2h后，冷却至室温；
S5、将原料中的硬脂酸锌、氧化镁加入步骤S4的产物中，搅拌均匀后，取出，然后进行挤塑造粒即得到聚乙烯电缆护套料。
对实施例1～3所制得的耐磨增韧聚乙烯护套料和对比例1-3制备的聚乙烯护套料进行性能测试，其结果如表1所示。
表1、实施例1～3的耐磨增韧聚乙烯护套料和对比例1-3的聚乙烯护套料的性能测试数据
检测项目 单位 实施例1 实施例2 实施例3 对比例1 对比例2 对比例3
拉伸强度 MPa 16.5 16.3 17 13.4 16.3 16.5
断裂伸长率 ％ 450 447 467 389 412 422
抗撕强度 N/mm 9.5 10.1 9.7 7.7 8.4 8.7
拉伸回缩率 ％ 4.8 5.1 5.2 3.2 4.1 4.4
氧指数 --- 35 34 35 33 33 34
从表1中的数据可知，本发明的耐磨增韧聚乙烯护套料具有优异的机械性能、抗撕裂强度和耐磨性，其各项性能明显优于常规护套材料。本方面的耐磨增韧聚乙烯护套料能够满足严苛条件下的正常使用，取得了显著的社会效益和经济效益。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，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、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种耐磨增韧聚乙烯护套料，其特征在于，包括如下重量份数的原料组分：PE树脂55-65份、抗氧化剂0.2--0.4份、炭黑5-7份、羟甲基纤维素8-15份、硬脂酸锌0.2-0.5份、氧化镁5-15份、三元乙丙橡胶15-20份、改纳米性二氧化硅5-10份、交联结构聚合物5-8份；所述改性纳米二氧化硅是采用改性剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷改性引入氨基的纳米二氧化硅；所述交联结构聚合物由有机单体苯乙烯、二乙烯苯、异戊二烯在引发剂作用下发生聚合反应制得。
2.如权利要求1所述的耐磨增韧聚乙烯护套料，其特征在于，所述改性二氧化硅制备方法如下：将γ-氨丙基三乙氧基硅烷溶于醇类溶剂与水的混合液中，调节体系pH值至3-5，然后加入纳米二氧化硅，在78℃下反应2h，经抽滤、烘干和研磨即得到改性二氧化硅。
3.如权利要求2所述的耐磨增韧聚乙烯护套料，其特征在于，所述引发剂为过氧化十二酰或过氧化二碳酸二异丙酯。
4.如权利要求3所述的耐磨增韧聚乙烯护套料，其特征在于，所述抗氧化剂由抗氧剂CA和抗氧剂DLTP组成，且抗氧剂CA与抗氧剂DLTP的重量比为1:1。
5.如权利要求4所述的耐磨增韧聚乙烯护套料，其特征在于，所述氧化镁是吸碘值为每克MgO 120～180mgI2的高活性氧化镁。
6.如权利要求5所述的耐磨增韧聚乙烯护套料，其特征在于，由如下重量份数的原料组分制成：PE树脂60份、抗氧化剂0.3份、炭黑6份、羟甲基纤维素10份、硬脂酸锌0.4份、氧化镁7份、三元乙丙橡胶15份、改纳米性二氧化硅8份、交联结构聚合物7份。
7.一种如权利要求1-6任意一项所述的耐磨增韧聚乙烯护套料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、制备改性二氧化硅：将γ-氨丙基三乙氧基硅烷溶于醇类溶剂与水的混合液中配置成质量百分浓度为3-5％的溶液，超声分散30min后，调节体系pH值至3-5，然后加入占反应体系总质量2％的纳米二氧化硅，在78℃下反应2h，经抽滤、烘干和研磨，即得到改性二氧化硅；
S2、制备交联结构聚合物：将有机单体苯乙烯、二乙烯苯、异戊二烯以及稳定剂聚乙烯吡咯酮分散在乙醇与水的混合溶剂中，然后加入引发剂，升温到50℃，恒温搅拌反应5h，再升温到75℃，恒温搅拌反应0.5h，停止加热；反应体系在搅拌条件下自然冷却后，离心分离得到白色的交联结构聚合物初产物；依次用丙酮、水和乙醇将交联结构聚合物初产物各洗涤3次，干燥，得到交联结构聚合物；
S3、配料：按照PE树脂55-65份、抗氧化剂0.2-0.4份、炭黑5-7份、羟甲基纤维素8-15份、硬脂酸锌0.2-0.5份、氧化镁5-15份、三元乙丙橡胶15-20份、改纳米性二氧化硅5-10份、交联结构聚合物5-8份的重量份配比称取各组分待用；
S4、制备将PE树脂和三元乙丙橡胶加入捏合机中，控制气压为0.3MPa，进行捏合密炼7-8min；
S5、密炼结束后，将原料中的抗氧化剂、炭黑、交联结构聚合物和羟甲基纤维素加入其中，然后进行加热至130℃，进行初塑炼2-3h；初塑炼结束后，将温度控制为140-150℃，进行终塑炼1-2h后，冷却至室温；
S6、将原料中的硬脂酸锌、氧化镁、改纳米性二氧化硅加入步骤S5的产物中，搅拌均匀后，取出，然后进行挤塑造粒即得到聚乙烯电缆护套料。
8.如权利要求7所述的耐磨增韧聚乙烯护套料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，醇类溶剂与水的混合液为无水乙醇与水按重量比9:1混合得到的混合液。
9.如权利要求7所述的耐磨增韧聚乙烯护套料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，苯乙烯、二乙烯苯、异戊二烯、聚乙烯吡咯酮以及引发剂的重量份数比为25:5:3:2:1。
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