CN110483895A - 一种用于电缆填充绳的阻燃塑料母料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电缆填充绳的阻燃塑料母料及制备方法，属于电缆制备领域。通过在半水硫酸钙前驱液中分散纳米无机阻燃剂，并经水热形成半水硫酸钙微球的过程中使纳米无机阻燃剂均匀负载于半水硫酸钙微球内核，两者紧密结合负载，不仅实现了优异的增强作用，还凭借半水硫酸钙粉体颗粒尺寸均匀、球形度高、流动性及分散性优异的特点，有效地解决了纳米无机阻燃剂难以均匀分散在基体中的技术难题，降低耐高温性差的加工助剂的使用量，利于改善力学性能。

Description

一种用于电缆填充绳的阻燃塑料母料及制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于电缆填充绳的阻燃塑料母料及制备方法，属于电缆制备领域。
背景技术
电线电缆是电工行业中产值占比较大的一类产品，是输送电能不可或缺的基础材料；电缆一般由三相线以上组成，相与相之间有绝缘层，最外层包覆圆形的保护与绝缘层，而最外层与三相线间出现了间隙，会让线缆的结构不稳定，用填充物把这些间隙充实后，这无疑使外保护层的圆形完整，达到强度大、结构稳固的目的。
目前，电缆填充物的材料一般为各种聚丙烯制成的填充绳；聚丙烯，简称PP，是由丙烯聚合而成一种热塑性树脂，具有优良的力学性能，一般通过添加阻燃剂对聚丙烯进行阻燃性能的改进；然而，通过改性后的PP制成的填充绳在高温下燃烧，通常还是会有大量黑烟冒出，在发生火情的时候不仅阻碍救援，同时对人体也有较大的伤害；或者是改性后的PP材料力学性能下降太多，无法保证产品的质量。近几年市场上出现的膨胀型阻燃剂，可以较好地解决大量地冒黑烟的问题，然而，要达到较好的阻燃效果，需要添加较大的量，这不仅对聚丙烯的力学性能造成严重影响，而且制造成本较高。
纳米无机阻燃剂例如氢氧化铝是用量最大和应用最广的无机阻燃添加剂。氢氧化铝作为阻燃剂不仅能阻燃，而且可以防止发烟、不产生滴下物、不产生有毒气体，因此，获得较广泛的应用，使用量也在逐年增加。
申请号为201610510609.2的中国专利公开了纳米无卤高阻燃电缆填充绳生产工艺及其挂线架。本发明提供了一种纳米无卤高阻燃电缆填充绳生产工艺及其挂线架。它解决了现有技术阻燃性不高的问题。本纳米无卤高阻燃电缆填充绳生产工艺，该工艺包括以下步骤：A、备料；B、合股；C、捻线；D、阻燃处理；E、脱水；F、包装。其中，所述阻燃处理为将棉线毛坯通过装有阻燃处理液的水槽，使棉线充分浸泡；所述阻燃处理液其含量为水80-90％，多磷酸铵5-10％，氢氧化铝4-6％，三聚氰胺磷酸铵1-3％，硼酸1-2％，上述百分比均为质量百分比。
申请号为201711219371.9的中国专利公开了一种低烟环保的抗挤压电缆填充绳。本发明公开了一种低烟环保的抗挤压电缆填充绳，按照重量份由以下成分组成：矿物粉3045份、聚酯树脂40 60份、高密度聚丙烯料30 40份、硬脂酸钙10 15份、硅油3 10份、尼龙纤维10 17份、氢氧化铝8-16份、高密度聚乙烯5-12份、石蜡6-15份、煅烧高岭土8-15份、抗氧化剂3-6分和胶状抗拉剂1-8份。本发明填充绳具有比重轻、价格低、耐高温、阻燃、不吸湿、无卤、低烟的优点，安全环保，且填充性和物理性能好，能大大提高电缆的圆整度和增强电缆的抗拉伸及抗挤压能力。
申请号为201510681964.1的中国专利公开了溴系阻燃填充绳及其制作方法。本发明公开了的一种溴系阻燃电缆填充绳，其由撕裂成网状的PP纤维丝体制成，所述PP纤维丝体的组分及其质量百分比如下：溴系阻燃剂4～8％，碳酸钙10～50％，聚丙烯料52～86％；还公开了一种制作该阻燃填充绳的方法。该阻燃填充绳配方中加入了溴系阻燃剂阻燃效果好；同时添加了碳酸钙减低成本，采用聚丙烯本体来代替了其他材料，达到阻燃氧指数28以上，具有良好的阻燃性，电气绝缘性，热稳定性和柔软性，增加了环保性和柔韧度；而且填充后松紧适度，线芯圆整，方便批量生产，提高效率，利于广泛推广应用，比重小，成本低，代替电缆阻燃填充玻纤绳。本发明提供的方法的制作工艺简易，易生产，产量高。
但是上述专利均没有解决无机阻燃剂与有机高聚物复合体系的相容性和分散性不理想，导致填充绳的阻燃性能和机械力学性能下降，严重影响安全性的问题。
发明内容
针对现有纳米无机阻燃剂与填充绳聚丙烯基体的相容性和分散性不理想，导致填充绳的阻燃性能和机械力学性能下降，严重影响安全性的问题，本发明提出一种用于电缆填充绳的阻燃塑料母料及制备方法。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：一种用于电缆填充绳的阻燃塑料母料的制备方法，按以下步骤进行：
a、将纳米无机阻燃剂分散在去离子水中，机械搅拌加超声波处理30min～90min，得到质量浓度为30～40％的纳米无机阻燃剂分散液待用；
b、将氯化钙和硫酸钠加入到去离子水中，超声分散溶解，随后加入聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮，搅拌混合10～30min，得到半水硫酸钙前驱液；将半水硫酸钙前驱液与步骤(1)制得的纳米无机阻燃剂分散液混合，湿磨分散，然后再移入反应釜进行水热反应，反应温度为60～150℃，反应时间为6～12h，待反应完全后,将产物用去离子水洗涤，再进行离心分离，得到的离心产物重新分散在去离子水中，再次洗涤，然后于50～80℃真空烘干，继续升温至125～128℃并维持干燥6～7h，得到无机阻燃剂/半水硫酸钙复合材料；
c、在80～100℃的温度条件下，将聚丙烯、无机阻燃剂/半水硫酸钙复合材料、助剂在高混机中进行混匀，形成混合物料，经螺杆挤出机热熔挤出造粒，得到所述用于电缆填充绳的阻燃塑料母料。
优选的，步骤a所述纳米无机阻燃剂选用氢氧化铝、氢氧化镁、三氧化二锑中的至少一种；机械搅拌速度为500～700r/min；超声波频率在20KHz～50KHz之间。
优选的，步骤b所述氯化钙、硫酸钠、去离子水、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮的重量比为1:1:10～20:2～5:2～5；超声波频率在20KHz～50KHz之间；搅拌速度为500～800r/min；半水硫酸钙前驱液与纳米无机阻燃剂分散液的重量比为5～8:1。
优选的，步骤c所述聚丙烯、无机阻燃剂/半水硫酸钙复合材料和助剂的重量比为10～15:1～5:0.1～0.5。
优选的，步骤c中，所述助剂为抗氧剂、相容剂、润滑剂；其中，所述抗氧剂为1010、168、1076、242、626、B225和B215中的至少一种；所述相容剂为马来酸酐接枝SEBS、马来酸酐接枝SBS、马来酸酐接枝聚丙烯中的至少一种；所述润滑剂为硬脂酸、硬脂酸锌、聚乙烯蜡中的一种。
本发明还提供一种用于电缆填充绳的阻燃塑料母料。通过在半水硫酸钙前驱液中分散纳米无机阻燃剂，并经水热形成半水硫酸钙微球的过程中使纳米无机阻燃剂均匀负载于半水硫酸钙微球内核，两者紧密结合负载，然后与聚丙烯、助剂挤出造粒，不仅实现了优异的增强作用，还凭借半水硫酸钙粉体颗粒尺寸均匀、球形度高、流动性及分散性优异的特点，有效地解决了纳米无机阻燃剂难以均匀分散在基体中的技术难题。使用时将所得阻燃母料与填充绳基体树脂混合，热挤压软化、挤压成薄膜，再经第一牵引、切割、拉伸定型、二次牵引、开网等步骤制成填充绳，可赋予填充绳优异的阻燃性能和机械力学性能，同时制备成本低，工艺简单易控制。
本发明的一种用于电缆填充绳的阻燃塑料母料及其制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、针对现有纳米无机阻燃剂与填充绳聚丙烯基体的相容性和分散性不理想，导致填充绳的阻燃性能和机械力学性能下降，严重影响安全性的问题，本发明提出一种用于电缆填充绳的阻燃塑料母料制备方法的新思路。
2、本发明的一种用于电缆填充绳的阻燃塑料母料的制备方法，通过在半水硫酸钙前驱液中分散纳米无机阻燃剂，并经水热形成半水硫酸钙微球的过程中使纳米无机阻燃剂均匀负载于半水硫酸钙微球内核，两者紧密结合负载，不仅实现了优异的增强作用，还凭借半水硫酸钙粉体颗粒尺寸均匀、球形度高、流动性及分散性优异的特点，有效地解决了纳米无机阻燃剂难以均匀分散在基体中的技术难题。
3、本发明制备方法易控，生产投入小、成本低、无环境污染、产量高，适合于规模化生产，具有显著的市场应用价值。
附图说明
附图1：实施例1得到的阻燃塑料母的扫描电镜照片。
附图2：对比例1得到的阻燃塑料母的扫描电镜照片。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
用于电缆填充绳的阻燃塑料母料的制备方法，按以下步骤进行：
a、将纳米无机阻燃剂分散在去离子水中，机械搅拌加超声波处理60min，得到质量浓度为35％的纳米无机阻燃剂分散液待用；其中，所述纳米无机阻燃剂为氢氧化铝；机械搅拌速度为600r/min；超声波频率在40KHz；
b、将氯化钙和硫酸钠加入到去离子水中，超声分散溶解，随后加入聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮，搅拌混合20min，得到半水硫酸钙前驱液；将半水硫酸钙前驱液与步骤(1)制得的纳米无机阻燃剂分散液混合，湿磨分散，然后再移入反应釜进行水热反应，反应温度为60℃，反应时间为6h，待反应完全后,将产物用去离子水洗涤，再进行离心分离，得到的离心产物重新分散在去离子水中，再次洗涤，然后于50℃真空烘干，继续升温至125℃并维持干燥6h，得到无机阻燃剂/半水硫酸钙复合材料；其中，所述氯化钙、硫酸钠、去离子水、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮的重量比为1:1:15:3:3；超声波频率在20KHz；搅拌速度为500r/min；半水硫酸钙前驱液与纳米无机阻燃剂分散液的重量比为6.5:1；其中，所述湿磨的研磨时间为30min；
c、在90℃的温度条件下，将聚丙烯、无机阻燃剂/半水硫酸钙复合材料、助剂在高混机中进行混匀，形成混合物料，经螺杆挤出机在165℃热熔挤出，得到所述用于电缆填充绳的阻燃塑料母料；其中，聚丙烯、无机阻燃剂/半水硫酸钙复合材料和助剂的重量比为13:3:0.3；所述助剂为抗氧剂为1010、马来酸酐接枝SEBS、聚乙烯蜡以质量比1:2:2混合而的。
将按照实施例1得到的母料热碾压为薄片,进行扫描电镜观察,其中的阻燃剂分散均匀,形成均匀的膜面,如附图1所示。
实施例2
用于电缆填充绳的阻燃塑料母料的制备方法，按以下步骤进行：
a、将纳米无机阻燃剂分散在去离子水中，机械搅拌加超声波处理30min，得到质量浓度为30％的纳米无机阻燃剂分散液待用；其中，所述纳米无机阻燃剂为氢氧化镁；机械搅拌速度为500r/min；超声波频率在20KHz；
b、将氯化钙和硫酸钠加入到去离子水中，超声分散溶解，随后加入聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮，搅拌混合10min，得到半水硫酸钙前驱液；将半水硫酸钙前驱液与步骤(1)制得的纳米无机阻燃剂分散液混合，湿磨分散，然后再移入反应釜进行水热反应，反应温度为150℃，反应时间为12h，待反应完全后,将产物用去离子水洗涤，再进行离心分离，得到的离心产物重新分散在去离子水中，再次洗涤，然后于50℃真空烘干，继续升温至128℃并维持干燥6h，得到无机阻燃剂/半水硫酸钙复合材料；其中，所述氯化钙、硫酸钠、去离子水、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮的重量比为1:1:12:2:2；超声波频率在20KHz；搅拌速度为500r/min；半水硫酸钙前驱液与纳米无机阻燃剂分散液的重量比为5:1；其中，所述湿磨的研磨时间为30min；
c、在80℃的温度条件下，将聚丙烯、无机阻燃剂/半水硫酸钙复合材料、助剂在高混机中进行混匀，形成混合物料，经螺杆挤出机热熔挤出造粒，得到所述用于电缆填充绳的阻燃塑料母料；其中，聚丙烯、无机阻燃剂/半水硫酸钙复合材料和助剂的重量比为13:3:0.3；所述助剂为抗氧剂B215、相容剂马来酸酐接枝SBS、聚乙烯蜡以质量比1:2:2混合而得。
实施例3
用于电缆填充绳的阻燃塑料母料的制备方法，按以下步骤进行：
a、将纳米无机阻燃剂分散在去离子水中，机械搅拌加超声波处理90min，得到质量浓度为40％的纳米无机阻燃剂分散液待用；其中，所述纳米无机阻燃剂为三氧化二锑；机械搅拌速度为550r/min；超声波频率在25KHz之间；
b、将氯化钙和硫酸钠加入到去离子水中，超声分散溶解，随后加入聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮，搅拌混合30min，得到半水硫酸钙前驱液；将半水硫酸钙前驱液与步骤(1)制得的纳米无机阻燃剂分散液混合，湿磨分散，然后再移入反应釜进行水热反应，反应温度为70℃，反应时间为10h，待反应完全后,将产物用去离子水洗涤，再进行离心分离，得到的离心产物重新分散在去离子水中，再次洗涤，然后于60℃真空烘干，继续升温至125℃并维持干燥6～7h，得到无机阻燃剂/半水硫酸钙复合材料；其中，所述氯化钙、硫酸钠、去离子水、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮的重量比为1:1:20:5:5；超声波频率在50KHz之间；搅拌速度为800r/min；半水硫酸钙前驱液与纳米无机阻燃剂分散液的重量比为8:1；其中，所述湿磨的研磨时间为2小时；
c、在100℃的温度条件下，将聚丙烯、无机阻燃剂/半水硫酸钙复合材料、助剂在高混机中进行混匀，形成混合物料，经螺杆挤出机在160℃热熔挤出造粒，得到所述用于电缆填充绳的阻燃塑料母料；其中，聚丙烯、无机阻燃剂/半水硫酸钙复合材料和助剂的重量比为10:3:0.3；其中所述助剂为抗氧剂626、相容剂马来酸酐接枝聚丙烯、硬脂酸锌以质量比1:2:2混合而的。
实施例4
用于电缆填充绳的阻燃塑料母料的制备方法，按以下步骤进行：
a、将纳米无机阻燃剂分散在去离子水中，机械搅拌加超声波处理45min，得到质量浓度为32％的纳米无机阻燃剂分散液待用；其中，所述纳米无机阻燃剂为氢氧化镁；机械搅拌速度为650r/min；超声波频率在30KHz；
b、将氯化钙和硫酸钠加入到去离子水中，超声分散溶解，随后加入聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮，搅拌混合15min，得到半水硫酸钙前驱液；将半水硫酸钙前驱液与步骤(1)制得的纳米无机阻燃剂分散液混合，湿磨分散，然后再移入反应釜进行水热反应，反应温度为80℃，反应时间为6h，待反应完全后,将产物用去离子水洗涤，再进行离心分离，得到的离心产物重新分散在去离子水中，再次洗涤，然后于70℃真空烘干，继续升温至125℃并维持干燥6h，得到无机阻燃剂/半水硫酸钙复合材料；其中，所述氯化钙、硫酸钠、去离子水、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮的重量比为1:1:10:2:5；超声波频率在20KHz；搅拌速度为500r/min；半水硫酸钙前驱液与纳米无机阻燃剂分散液的重量比为5:1；其中，所述湿磨的研磨时间为2小时；
c、在85℃的温度条件下，将聚丙烯、无机阻燃剂/半水硫酸钙复合材料、助剂在高混机中进行混匀，形成混合物料，经螺杆挤出机165℃热熔挤出造粒，得到所述用于电缆填充绳的阻燃塑料母料；其中，聚丙烯、无机阻燃剂/半水硫酸钙复合材料和助剂的重量比为15:3:0.3；所述助剂为抗氧剂B225、相容剂为马来酸酐接枝SBS、硬脂酸按质量比1:2:2混合而成。
实施例5
用于电缆填充绳的阻燃塑料母料的制备方法，按以下步骤进行：
a、将纳米无机阻燃剂分散在去离子水中，机械搅拌加超声波处理65min，得到质量浓度为38％的纳米无机阻燃剂分散液待用；其中，所述纳米无机阻燃剂为氢氧化镁；机械搅拌速度为520r/min；超声波频率在33KHz；
b、将氯化钙和硫酸钠加入到去离子水中，超声分散溶解，随后加入聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮，搅拌混合25min，得到半水硫酸钙前驱液；将半水硫酸钙前驱液与步骤(1)制得的纳米无机阻燃剂分散液混合，湿磨分散，然后再移入反应釜进行水热反应，反应温度为100℃，反应时间为12h，待反应完全后,将产物用去离子水洗涤，再进行离心分离，得到的离心产物重新分散在去离子水中，再次洗涤，然后于80℃真空烘干，继续升温至126℃并维持干燥6～7h，得到无机阻燃剂/半水硫酸钙复合材料；其中，所述氯化钙、硫酸钠、去离子水、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮的重量比为1:1:16:5:2；超声波频率在50KHz之间；搅拌速度为500r/min；半水硫酸钙前驱液与纳米无机阻燃剂分散液的重量比为6:1；其中，所述湿磨的研磨时间为30min；
c、在95℃的温度条件下，将聚丙烯、无机阻燃剂/半水硫酸钙复合材料、助剂在高混机中进行混匀，形成混合物料，经螺杆挤出机165℃热熔挤出造粒，得到所述用于电缆填充绳的阻燃塑料母料；其中，聚丙烯、无机阻燃剂/半水硫酸钙复合材料和助剂的重量比为10:1:0.1；所述助剂为抗氧剂1076、相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯、硬脂酸锌以质量比1:2:2混合而的。
对比例1
在90℃的温度条件下，将聚丙烯、无机阻燃剂氢氧化铝、助剂在高混机中进行混匀，形成混合物料，经螺杆挤出机165℃热熔挤出造粒，得到用于电缆填充绳的阻燃塑料母料；其中，聚丙烯、无机阻燃剂和助剂的重量比为13:3:0.3；所述助剂为抗氧剂为1010、马来酸酐接枝SEBS、聚乙烯蜡以质量比1:2:2混合而的。
将按照对比例1得到的母料热碾压为薄片,进行扫描电镜观察,其中的阻燃剂分散均匀性较差,存在较多的缺陷界面，并呈现反光亮点，判断为纳米无机阻燃剂团聚为颗粒粒所致，如附图2所示。

Claims (9)

1.一种用于电缆填充绳的阻燃塑料母料的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：
a、将纳米无机阻燃剂分散在去离子水中，机械搅拌加超声波处理30min～90min，得到质量浓度为30～40％的纳米无机阻燃剂分散液待用；
b、将氯化钙和硫酸钠加入到去离子水中，超声分散溶解，随后加入聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮，搅拌混合10～30min，得到半水硫酸钙前驱液；将半水硫酸钙前驱液与步骤(1)制得的纳米无机阻燃剂分散液混合，湿磨分散，然后再移入反应釜进行水热反应，反应温度为60～150℃，反应时间为6～12h，待反应完全后,将产物用去离子水洗涤，再进行离心分离，得到的离心产物重新分散在去离子水中，再次洗涤，然后于50～80℃真空烘干，继续升温至125～128℃并维持干燥6～7h，得到无机阻燃剂/半水硫酸钙复合材料；
c、在80～100℃的温度条件下，将聚丙烯、无机阻燃剂/半水硫酸钙复合材料、助剂在高混机中进行混匀，形成混合物料，经螺杆挤出机热熔挤出造粒，得到用于电缆填充绳的阻燃塑料母料。
2.根据权利要求1所述的一种用于电缆填充绳的阻燃塑料母料的制备方法，其特征在于，步骤a中，所述纳米无机阻燃剂为氢氧化铝、氢氧化镁、三氧化二锑中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种用于电缆填充绳的阻燃塑料母料的制备方法，其特征在于，步骤a中，机械搅拌速度为500～700r/min；超声波频率在20KHz～50KHz之间。
4.根据权利要求1所述的一种用于电缆填充绳的阻燃塑料母料的制备方法，其特征在于，步骤b中，所述湿磨的研磨时间为30min～2小时。
5.根据权利要求1所述的一种用于电缆填充绳的阻燃塑料母料的制备方法，其特征在于，步骤b中，所述氯化钙、硫酸钠、去离子水、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮的重量比为1:1:10～20:2～5:2～5。
6.根据权利要求1所述的一种用于电缆填充绳的阻燃塑料母料的制备方法，其特征在于，步骤b中，半水硫酸钙前驱液与纳米无机阻燃剂分散液的重量比为5～8:1。
7.根据权利要求1所述的一种用于电缆填充绳的阻燃塑料母料的制备方法，其特征在于，步骤c中，聚丙烯、无机阻燃剂/半水硫酸钙复合材料和助剂的重量比为10～15:1～5:0.1～0.5。
8.根据权利要求1所述的一种用于电缆填充绳的阻燃塑料母料的制备方法，其特征在于，步骤c中，所述助剂为抗氧剂、相容剂、润滑剂；其中，所述抗氧剂为1010、168、1076、242、626、B225和B215中的至少一种；所述相容剂为马来酸酐接枝SEBS、马来酸酐接枝SBS、马来酸酐接枝聚丙烯中的至少一种；所述润滑剂为硬脂酸、硬脂酸锌、聚乙烯蜡中的一种。
9.一种用于电缆填充绳的阻燃塑料母料，其特征在于，采用权利要求1～8任一项所述的制备方法制备而成。
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