CN112029219A - 一种碳纤维增强聚丙烯电缆保护管的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及管材生产技术领域，特别涉及一种碳纤维增强聚丙烯电缆保护管的制备方法，包括以下步骤：步骤1:碳纤维投入过氧化氢溶液中，进行氧化处理，将经过氧化处理的碳纤维与笼型聚倍半硅氧烷、过氧化物交联剂和溶剂混合，得到导热助剂；步骤2：将步骤1制得的导热助剂与80‑90份聚合度为聚丙烯、甲基丙烯酸、增韧剂、丙烯酸缩水甘油酯和填料共混，于双螺杆挤出机挤出造粒；步骤3：将步骤2制得的粒料与聚合度为3000‑3500的聚丙烯共混，与管材挤出机中，通过管材挤出机挤出制得具有优良导热性和绝缘性的电缆保护管。

Description

一种碳纤维增强聚丙烯电缆保护管的制备方法
技术领域
本发明涉及管材生产技术领域，特别涉及一种碳纤维增强聚丙烯电缆保护管的制备方法。
背景技术
电缆保护管是电缆结构中的重要组成，是电缆的最外层，电缆保护管是为了防止电缆受到损伤，电缆保护管主要安装在通讯电缆与电力线交叉的地段，防止电力线发生断线造成短路事故。电缆在输电过程中，会产生热量，导致电缆线温度升高，影响电的正常输送，但是，在聚丙烯电缆保护管材料中，为了提高电缆线的导热性能，通常会加入金属材料，金属材料具有优秀的导热性能，但也具有一定的导电性，虽然电缆保护管的内部还设有绝缘层，但绝缘层若受到局部破坏，具有导电性的电缆保护管则起不到绝缘防护的作用，因此亟需研发一种绝缘导热的电缆保护管。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种同时具备优良导热性、绝缘性的碳纤维增强聚丙烯电缆保护管的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种碳纤维增强聚丙烯电缆保护管的制备方法，包括以下步骤：
步骤1:将2-3份碳纤维投入过氧化氢溶液中，进行氧化处理，将经过氧化处理的碳纤维与0.1-0.2份笼型聚倍半硅氧烷、0.1-0.2份过氧化物交联剂和溶剂混合，得到导热助剂；
步骤2：将步骤1制得的导热助剂与80-90份聚合度为2000-2500的聚丙烯、3-5份甲基丙烯酸、3-4份增韧剂、10-15份丙烯酸缩水甘油酯和15-17份填料共混，于双螺杆挤出机挤出造粒；
步骤3：将步骤2制得的粒料与20-30份聚合度为3000-3500的聚丙烯共混，与管材挤出机中，通过管材挤出机挤出制得电缆保护管。
本发明的有益效果在于：
1、导热助剂的形态和添加量一定程度上影响了聚丙烯的结晶性能和其他助剂的作用效果，碳纤维的改性中，通过将笼型聚倍半硅氧烷结合在碳纤维皮层上，从而改变碳纤维皮层的空间形态，使碳纤维皮层绝缘化，提高碳纤维电阻率，降低碳纤维的介电常数，从而降低其导电能力，通过在碳纤维外表面上引入和聚丙烯相匹配的单一官能团，碳纤维自身的强度不变，但表面的粗糙度增大，大大提高其与聚丙烯的界面粘接性能，通过在配方中加入丙烯酸缩水甘油酯和甲基丙烯酸，使聚丙烯进行接枝改性，使改性碳纤维与聚合度为2000-2500的聚丙烯具有更好的相容性；
2、通过步骤2中各组分的共混挤出造粒后，得到的粒料中能够均匀分布经过改性的碳纤维，再与聚合度为3000-3500的聚丙烯共混，通过管材挤出机制得电缆保护管，由于高聚合度的聚丙烯本身具有优良的刚性和韧性，步骤3中通过步骤2得到粒料共混，不仅保证了改性碳纤维在管材中分布的均匀性，还能提高电缆保护管的机械性能，在保证绝缘性的情况下是电缆保护管具有优异的导热性能。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式予以说明。
本发明提供一种碳纤维增强聚丙烯电缆保护管的制备方法，包括以下步骤：
步骤1:2-3碳纤维投入过氧化氢溶液中，进行氧化处理，将经过氧化处理的碳纤维与0.1-0.2份笼型聚倍半硅氧烷、0.1-0.2份过氧化物交联剂和溶剂混合，得到导热助剂；
步骤2：将步骤1制得的导热助剂与80-90份聚合度为2000-2500的聚丙烯、3-5份甲基丙烯酸、3-4份增韧剂、10-15份丙烯酸缩水甘油酯和15-17份填料共混，于双螺杆挤出机挤出造粒；
步骤3：将步骤2制得的粒料与20-30份聚合度为3000-3500的聚丙烯共混，与管材挤出机中，通过管材挤出机挤出制得电缆保护管。
上述步骤中，碳纤维的改性中，通过将笼型聚倍半硅氧烷结合在碳纤维皮层上，从而改变碳纤维皮层的空间形态，提高碳纤维电阻率，降低碳纤维的介电常数，从而降低其导电能力，通过在碳纤维外表面上引入和树脂相匹配的单一官能团，碳纤维自身的强度不变，但表面的粗糙度增大，大大提高其与聚丙烯的界面粘接性能，通过在配方中加入丙烯酸缩水甘油酯和甲基丙烯酸，使聚丙烯进行接枝改性，使改性碳纤维与聚合度为2000-2500的聚丙烯具有更好的相容性；通过步骤2中各组分的共混挤出造粒后，得到的粒料中能够均匀分布经过改性的碳纤维，再与聚合度为3000-3500的聚丙烯共混，通过管材挤出机制得电缆保护管，由于高聚合度的聚丙烯本身具有优良的刚性和韧性，步骤3中通过步骤2得到粒料共混，不仅保证了改性碳纤维在管材中分布的均匀性，还能提高电缆保护管的机械性能，在保证绝缘性的情况下是电缆保护管具有优异的导热性能。
进一步的，上述碳纤维增强聚丙烯电缆保护管的制备方法中，所述填料由玫瑰晶型纳米碳酸钙、椰壳纤维、麻纤维和凹凸棒土按照2∶1∶1∶1的比例混合而成。
上述椰壳纤维的制备方法如下：
将椰壳破碎，得到椰壳碎块，在缸内加入去离子水和占去离子水质量0.1-0.3％的脂肪酶，混合均匀后，加热到45℃保持恒温，将椰壳碎块放入缸内浸泡2-3h后过滤，在蒸煮罐内加入占椰壳碎块0.15-0.2％的氢氧化钠溶液，放入过滤后的椰壳，于105-120℃、12.1-12.5MPa蒸煮1-1.5h，冷却至40℃以下后，用成丝机将椰壳剖析成粗纤维，将粗纤维浸泡于含3-4％的碳酸钠和5.5％的二氧化氯溶液中50-60min后，将其粉碎，制得椰壳纤维。
上述麻纤维的制备方法如下：
将麻纤维洗涤、烘干，研磨成粉状，加热至500℃，保温3h后，冷却至40℃以下；
上述凹凸棒土的处理方法如下：
将凹凸棒土在500-520℃下煅烧3-4小时，取出后，加入3-4％的氢氧化钠溶液中研磨2.5-3小时，调节pH值至中性，过滤，烘干得到粉末；
凹凸棒土为晶质水合镁铝硅酸盐矿物，晶体中含有不定量的钠离子、钙离子、三价铁离子和铝离子，其中的金属离子也具有一定的导热性能，经过上述方法加工后的凹凸棒土能够与特定聚合度下的聚丙烯更好地结合，椰壳纤维也具有较好的导热性能，将椰壳进行酶解脱脂、高温高压碱液浸渍，使椰壳内的脂肪与氢氧化钠生成溶于水的脂肪酸钠、多糖类而被溶解，半纤维素得到分级，减少椰壳内的羟基、木质素和胶质，粗纤维经过碳酸钠和二氧化氯溶液进行二次脱脂，杂质少，使其能够与聚丙烯共混时具有更好的相容性，麻纤维也具有较好的导热性能，经过低温炭化后的麻纤维形成炭化的纤维网络，将玫瑰晶型纳米碳酸钙、椰壳纤维、麻纤维和凹凸棒土按照2∶1∶1∶1的比例混合制得的填料具有与聚丙烯更均匀地共融，可以进一步增强聚丙烯电缆保护管的结构性能。
进一步的，上述碳纤维增强聚丙烯电缆保护管的制备方法中，所述增韧剂为苯乙烯系热塑性弹性体。
进一步的，上述碳纤维增强聚丙烯电缆保护管的制备方法中，所述步骤1中，过氧化氢的浓度为12-15wt％。
进一步的，上述碳纤维增强聚丙烯电缆保护管的制备方法中，所述过氧化物交联剂具体为过氧化二异丙苯、过氧苯甲酸叔丁酯、过氧化二苯甲酰中的一种或至少两种组合。
进一步的，上述碳纤维增强聚丙烯电缆保护管的制备方法中，所述碳纤维具体为聚丙烯腈系碳纤维。
进一步的，上述碳纤维增强聚丙烯电缆保护管的制备方法中，所述溶剂为四氢呋喃、乙二醇单乙醚和丙二醇叔丁醚中的任意一种或至少两种组合。
实施例1
一种碳纤维增强聚丙烯电缆保护管的制备方法，包括以下步骤：
步骤1:2-3碳纤维投入过氧化氢溶液中，进行氧化处理，将经过氧化处理的碳纤维与0.1-0.2份笼型聚倍半硅氧烷、0.1-0.2份过氧化二异丙苯过氧化二苯甲酰和溶剂混合，得到导热助剂；过氧化氢的浓度为12-15wt％；所述碳纤维具体为聚丙烯腈系碳纤维；
步骤2：将步骤1制得的导热助剂与80-90份聚合度为2000-2500的聚丙烯、3-5份甲基丙烯酸、3-4份苯乙烯系热塑性弹性体、10-15份丙烯酸缩水甘油酯和15-17份填料共混，于双螺杆挤出机挤出造粒；
所述填料由玫瑰晶型纳米碳酸钙、椰壳纤维、麻纤维和凹凸棒土按照2∶1∶1∶1的比例混合而成；
上述椰壳纤维的制备方法如下：
将椰壳破碎，得到椰壳碎块，在缸内加入去离子水和占去离子水质量0.1-0.3％的脂肪酶，混合均匀后，加热到45℃保持恒温，将椰壳碎块放入缸内浸泡2-3h后过滤，在蒸煮罐内加入占椰壳碎块0.15-0.2％的氢氧化钠溶液，放入过滤后的椰壳，于105-120℃、12.1-12.5MPa蒸煮1-1.5h，冷却至40℃以下后，用成丝机将椰壳剖析成粗纤维，将粗纤维浸泡于含3-4％的碳酸钠和5.5％的二氧化氯溶液中50-60min后，将其粉碎，制得椰壳纤维。
上述麻纤维的制备方法如下：
将麻纤维洗涤、烘干，研磨成粉状，加热至500℃，保温3h后，冷却至40℃以下；
上述凹凸棒土的处理方法如下：
将凹凸棒土在500-520℃下煅烧3-4小时，取出后，加入3-4％的氢氧化钠溶液中研磨2.5-3小时，调节pH值至中性，过滤，烘干得到粉末；
凹凸棒土为晶质水合镁铝硅酸盐矿物，晶体中含有不定量的钠离子、钙离子、三价铁离子和铝离子，其中的金属离子也具有一定的导热性能，经过上述方法加工后的凹凸棒土能够与特定聚合度下的聚丙烯更好地结合，椰壳纤维也具有较好的导热性能，将椰壳进行酶解脱脂、高温高压碱液浸渍，使椰壳内的脂肪与氢氧化钠生成溶于水的脂肪酸钠、多糖类而被溶解，半纤维素得到分级，减少椰壳内的羟基、木质素和胶质，粗纤维经过碳酸钠和二氧化氯溶液进行二次脱脂，杂质少，使其能够与聚丙烯共混时具有更好的相容性，麻纤维也具有较好的导热性能，经过低温炭化后的麻纤维形成炭化的纤维网络，将玫瑰晶型纳米碳酸钙、椰壳纤维、麻纤维和凹凸棒土按照2∶1∶1∶1的比例混合制得的填料具有与聚丙烯更均匀地共融，可以进一步增强聚丙烯电缆保护管的结构性能。
步骤3：将步骤2制得的粒料与20-30份聚合度为3000-3500的聚丙烯共混，与管材挤出机中，通过管材挤出机挤出制得电缆保护管。
实施例2
一种碳纤维增强聚丙烯电缆保护管的制备方法，包括以下步骤：
步骤1:2-3碳纤维投入过氧化氢溶液中，进行氧化处理，将经过氧化处理的碳纤维与0.1-0.2份笼型聚倍半硅氧烷、0.1-0.2份过氧苯甲酸叔丁酯和四氢呋喃混合，得到导热助剂；过氧化氢的浓度为12-15wt％；所述碳纤维具体为聚丙烯腈系碳纤维；
步骤2：将步骤1制得的导热助剂与80-90份聚合度为2000-2500的聚丙烯、3-5份甲基丙烯酸、3-4份苯乙烯系热塑性弹性体、10-15份丙烯酸缩水甘油酯和15-17份填料共混，于双螺杆挤出机挤出造粒；
所述填料由玫瑰晶型纳米碳酸钙、椰壳纤维、麻纤维和凹凸棒土按照2∶1∶1∶1的比例混合而成；
上述椰壳纤维的制备方法如下：
将椰壳破碎，得到椰壳碎块，在缸内加入去离子水和占去离子水质量0.1-0.3％的脂肪酶，混合均匀后，加热到45℃保持恒温，将椰壳碎块放入缸内浸泡2-3h后过滤，在蒸煮罐内加入占椰壳碎块0.15-0.2％的氢氧化钠溶液，放入过滤后的椰壳，于105-120℃、12.1-12.5MPa蒸煮1-1.5h，冷却至40℃以下后，用成丝机将椰壳剖析成粗纤维，将粗纤维浸泡于含3-4％的碳酸钠和5.5％的二氧化氯溶液中50-60min后，将其粉碎，制得椰壳纤维。
上述麻纤维的制备方法如下：
将麻纤维洗涤、烘干，研磨成粉状，加热至500℃，保温3h后，冷却至40℃以下；
上述凹凸棒土的处理方法如下：
将凹凸棒土在500-520℃下煅烧3-4小时，取出后，加入3-4％的氢氧化钠溶液中研磨2.5-3小时，调节pH值至中性，过滤，烘干得到粉末；
凹凸棒土为晶质水合镁铝硅酸盐矿物，晶体中含有不定量的钠离子、钙离子、三价铁离子和铝离子，其中的金属离子也具有一定的导热性能，经过上述方法加工后的凹凸棒土能够与特定聚合度下的聚丙烯更好地结合，椰壳纤维也具有较好的导热性能，将椰壳进行酶解脱脂、高温高压碱液浸渍，使椰壳内的脂肪与氢氧化钠生成溶于水的脂肪酸钠、多糖类而被溶解，半纤维素得到分级，减少椰壳内的羟基、木质素和胶质，粗纤维经过碳酸钠和二氧化氯溶液进行二次脱脂，杂质少，使其能够与聚丙烯共混时具有更好的相容性，麻纤维也具有较好的导热性能，经过低温炭化后的麻纤维形成炭化的纤维网络，将玫瑰晶型纳米碳酸钙、椰壳纤维、麻纤维和凹凸棒土按照2∶1∶1∶1的比例混合制得的填料具有与聚丙烯更均匀地共融，可以进一步增强聚丙烯电缆保护管的结构性能。
步骤3：将步骤2制得的粒料与20-30份聚合度为3000-3500的聚丙烯共混，与管材挤出机中，通过管材挤出机挤出制得电缆保护管。
实施例3
一种碳纤维增强聚丙烯电缆保护管的制备方法，包括以下步骤：
步骤1:2-3碳纤维投入过氧化氢溶液中，进行氧化处理，将经过氧化处理的碳纤维与0.1-0.2份笼型聚倍半硅氧烷、0.1-0.2份过氧化二苯甲酰和乙二醇单乙醚混合，得到导热助剂；过氧化氢的浓度为12-15wt％；所述碳纤维具体为聚丙烯腈系碳纤维；
步骤2：将步骤1制得的导热助剂与80-90份聚合度为2000-2500的聚丙烯、3-5份甲基丙烯酸、3-4份苯乙烯系热塑性弹性体、10-15份丙烯酸缩水甘油酯和15-17份填料共混，于双螺杆挤出机挤出造粒；
所述填料为碳酸钙；
步骤3：将步骤2制得的粒料与20-30份聚合度为3000-3500的聚丙烯共混，与管材挤出机中，通过管材挤出机挤出制得电缆保护管。
将上述实施例1-3制得的电缆保护管进行性能检测；用于检测的电缆保护管的直径均为30cm，厚度为1cm。
其中落锤冲击试验的条件为(20℃、1.5kg、1.5m)，其中按照GB/T18742.1-2002的标准进行静液压试验，按照GB/T 1040.1-2018标准进行拉伸强度测试，按照GB/T9341-2008测试弯曲弹性模量，按照GB/T1043-2008标准进行缺口冲击强度试验，结果如表1所示：
表1：机械性能测试结果
Figure BDA0002683081740000081
由表1可知，实施例1-实施例3制得的电缆保护管都具有优良的刚性和韧性，其中实施例1和实施例2中采用的填料为将玫瑰晶型纳米碳酸钙、椰壳纤维、麻纤维和凹凸棒土按照2∶1∶1∶1的比例混合制得的填料，相比实施例3中仅使用碳酸钙作为填料，制得的电缆保护管具有更好的机械性能。
将上述实施例1-3制得的电缆保护管进行介电常数检测，使用keysight E5063A(265)介电常数测试仪器，在5GHz、25℃条件下测试电缆保护管的介电常数，其中实施例1制得的电缆保护管的介电常数为5.4，实施例2制得的电缆保护管的介电常数为5.7，实施例3制得的电缆保护管的介电常数为6.2，由上可知，实施例1-实施例3制得的电缆保护管都具有优良的绝缘性。
将上述实施例1-3制得的电缆保护管进行导热系数检测，其中实施例1制得的电缆保护管的导热系数为0.76W/m·℃，实施例1制得的电缆保护管的导热系数为0.73W/m·℃，实施例1制得的电缆保护管的导热系数为0.70W/m·℃；由上可知，实施例1-实施例3制得的电缆保护管都具有优良的导热性，其中实施例1-2制得的电缆保护管的导热性能优于实施例3制得的电缆保护管。
综上所述，碳纤维的改性中，通过将笼型聚倍半硅氧烷结合在碳纤维皮层上，从而改变碳纤维皮层的空间形态，提高碳纤维电阻率，降低碳纤维的介电常数，从而降低其导电能力，通过在碳纤维外表面上引入和树脂相匹配的单一官能团，碳纤维自身的强度不变，但表面的粗糙度增大，大大提高其与聚丙烯的界面粘接性能，通过在配方中加入丙烯酸缩水甘油酯和甲基丙烯酸，使聚丙烯进行接枝改性，使改性碳纤维与聚合度为2000-2500的聚丙烯具有更好的相容性；通过步骤2中各组分的共混挤出造粒后，得到的粒料中能够均匀分布经过改性的碳纤维，再与聚合度为3000-3500的聚丙烯共混，通过管材挤出机制得电缆保护管，由于高聚合度的聚丙烯本身具有优良的刚性和韧性，步骤3中通过步骤2得到粒料共混，不仅保证了改性碳纤维在管材中分布的均匀性，还能提高电缆保护管的机械性能，在保证绝缘性的情况下是电缆保护管具有优异的导热性能。将玫瑰晶型纳米碳酸钙、椰壳纤维、麻纤维和凹凸棒土按照2∶1∶1∶1的比例混合制得的填料具有与聚丙烯更均匀地共融，可以进一步增强聚丙烯电缆保护管的结构性能和导热性能。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种碳纤维增强聚丙烯电缆保护管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1:2-3碳纤维投入过氧化氢溶液中，进行氧化处理，将经过氧化处理的碳纤维与0.1-0.2份笼型聚倍半硅氧烷、0.1-0.2份过氧化物交联剂和溶剂混合，得到导热助剂；
步骤2：将步骤1制得的导热助剂与80-90份聚合度为2000-2500的聚丙烯、3-5份甲基丙烯酸、3-4份增韧剂、10-15份丙烯酸缩水甘油酯和15-17份填料共混，于双螺杆挤出机挤出造粒；
步骤3：将步骤2制得的粒料与20-30份聚合度为3000-3500的聚丙烯共混，与管材挤出机中，通过管材挤出机挤出制得电缆保护管。
2.根据权利要求1所述的碳纤维增强聚丙烯电缆保护管的制备方法，其特征在于，所述填料由玫瑰晶型纳米碳酸钙、椰壳纤维、麻纤维和凹凸棒土按照2∶1∶1∶1的比例混合而成。
3.根据权利要求1所述的碳纤维增强聚丙烯电缆保护管的制备方法，其特征在于，所述增韧剂为苯乙烯系热塑性弹性体。
4.根据权利要求1所述的碳纤维增强聚丙烯电缆保护管的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，过氧化氢的浓度为12-15wt％。
5.根据权利要求1所述的碳纤维增强聚丙烯电缆保护管的制备方法，其特征在于，所述过氧化物交联剂具体为过氧化二异丙苯、过氧苯甲酸叔丁酯、过氧化二苯甲酰中的一种或至少两种组合。
6.根据权利要求1所述的碳纤维增强聚丙烯电缆保护管的制备方法，其特征在于，所述碳纤维具体为聚丙烯腈系碳纤维。
7.根据权利要求1所述的碳纤维增强聚丙烯电缆保护管的制备方法，其特征在于，所述溶剂为四氢呋喃、乙二醇单乙醚和丙二醇叔丁醚中的任意一种或至少两种组合。
8.根据权利要求1-7任一项所述的碳纤维增强聚丙烯电缆保护管的制备方法制得的电缆保护管。
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