CN112538200A - 一种耐油高阻燃电缆材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种耐油高阻燃电缆材料及其制备方法和应用，所述耐油高阻燃电缆材料的制备原料包括高密度聚乙烯、热塑性弹性体、三元乙丙橡胶、氢氧化铝、镁铝水滑石、芳纶纤维和乙烯基三乙氧基硅烷的组合；所述耐油高阻燃电缆材料通过对材料的选择和搭配使用，具有较好的机械性能、阻燃性能的基础上，同时还具有优异的耐油性能和抗撕拉性能，进而提高了所述耐油高阻燃电缆材料在使用过程中的安全性，可满足建筑电缆对高拉伸强度和高阻隔性能的要求。

Description

一种耐油高阻燃电缆材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于光伏发电技术领域，具体涉及一种耐油高阻燃电缆材料及其制备方法和应用。
背景技术
光伏发电是一种新型的绿色能源获得途径，具有无污染、可持续、简单易得的特点。随着现代科学技术的发展，人们对电缆的质量要求越来越高，高密度聚乙烯具有良好的耐热性和耐寒性，化学稳定性好，还具有较高的刚性和韧性，机械强度好。介电性能，耐环境应力开裂性亦较好，化学稳定性好，在室温条件下，不溶于任何有机溶剂，耐酸、碱和各种盐类的腐蚀；薄膜对水蒸气和空气的渗透性小、吸水性低，作为低压电力电缆的绝缘材料目前在我国电线电缆行业中已成为低压交联电缆用绝缘的主导材料。
目前，将高密度聚乙烯应用到光伏发电系统中的报道有很多。CN110016172A公开了一种电缆护套料用高密度聚乙烯组合物及高密度聚乙烯电缆护套料的制备方法，该组合物含有基础树脂，所述基础树脂包括高密度聚乙烯，所述高密度聚乙烯的熔体流动速率为0.2～0.8g/10min，密度为0.94～0.96g/cm3；通过将基础树脂高密度聚乙烯的熔体流动速率和密度控制在特定范围内能够制备出具有优异性能的电缆护套料，优选将上述高密度聚乙烯与炭黑母粒配合使用，能够降低助剂的使用量，产品稳定性好。CN105131406A公开了一种耐低温高密度聚乙烯电力电缆保护管，所述耐低温高密度聚乙烯电力电缆保护管由高密度聚乙烯、增韧剂、填充剂、偶联剂、增塑剂以及架桥剂，所述增韧剂为液体丙烯酸酯橡胶，所述填充剂为云母粉，所述偶联剂为γ-巯丙基三乙氧基硅烷，所述增塑剂为马来酸二辛酯，所述架桥剂为三甲基六亚甲基二胺。由高密度聚乙烯、增韧剂、填充剂、偶联剂、增塑剂以及架桥剂，具有韧性高、耐磨性好、强度大、质量稳定、加工生产方便、耐低温性好、使用寿命长的特点。CN105623043A公开了一种改性高密度聚乙烯阻燃电缆护套料，其原料包括改性高密度聚乙烯、氯丁橡胶、丁基橡胶、过氧化二异丙苯、高耐磨碳黑、三氧化二锑、纳米碳酸钙、碳酸镁、滑石粉、炉渣粉、明矾粉、氯化石蜡、偏苯三酸三辛酯、三聚磷酸铝、硬脂酸铝、防老剂ODA、促进剂TMTM、硫化剂DCBP、抗氧剂和苯并三氮唑。该电缆护套料通过采用改性后的高密度聚乙烯作为主料，并通过添加填料和助剂制备得到，具有优异的阻燃性能，韧性好，硬度高。
虽然高密度聚乙烯虽然具有价格低廉，质轻等优点，但是高密度聚乙烯为非极性聚合物，虽对水等极性溶剂具有良好阻隔性，但对二甲苯等有机溶剂具有较高的透过性，气体阻隔性也不好。因此，上述电缆材料耐在阻隔性方面还有待提升。
因此，开发一种阻隔性能优异的耐油高阻燃电缆材料，十分有必要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种耐油高阻燃电缆材料及其制备方法和应用，所述耐油高阻燃电缆材料通过在高密度聚乙烯基体中添加芳纶纤维和乙烯基三乙氧基硅烷，成功提高了所述耐油高阻燃线缆材料的拉伸强度和耐油性能；同时还添加其他有效助剂，使得制备得到的电缆材料具有耐磨、耐油、耐寒、绝缘电气、柔软等特性，解决了电缆材料不能满足恶劣环境下工作的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种耐油高阻燃电缆材料，所述耐油高阻燃电缆材料的制备原料按照重量份包括如下组分：高密度聚乙烯40～50重量份、热塑性弹性体5～20重量份、三元乙丙橡胶0.5～10重量份、氧化铝30～40重量份、镁铝水滑石2～10重量份、芳纶纤维10～20重量份和乙烯基三乙氧基硅烷15～21重量份。
所述高密度聚乙烯可以为41重量份、42重量份、43重量份、44重量份、45重量份、46重量份、47重量份、48重量份或49重量份等。
所述热塑性弹性体可以为6重量份、8重量份、10重量份、12重量份、14重量份、16重量份或18重量份等。
所述三元乙丙橡胶可以为1重量份、2重量份、3重量份、4重量份、5重量份、6重量份、7重量份、8重量份或9重量份等。
所述氧化铝可以为31重量份、32重量份、33重量份、34重量份、35重量份、36重量份、37重量份、38重量份或39重量份等。
所述镁铝水滑石可以为3重量份、4重量份、5重量份、6重量份、7重量份、8重量份或9重量份等。
所述芳纶纤维可以为11重量份、12重量份、13重量份、14重量份、15重量份、16重量份、17重量份、18重量份或19重量份等。
所述乙烯基三乙氧基硅烷可以为15.5重量份、16重量份、16.5重量份、17重量份、17.5重量份、18重量份、18.5重量份、19重量份、19.5重量份、20重量份或20.5重量份等。
本发明提供的耐油高阻燃电缆材料通过选择高密度聚乙烯和热塑性弹性体作为基材，添加三元乙丙橡胶，使得所述耐油高阻燃电缆材料具有较好的稳定性和弹性。
其次，添加镁铝水滑石和氢氧化铝配合作为阻燃剂，镁铝水滑石起始分解温度既有高温段又有低温段，可以拓宽阻燃的温度范围，同时还具有阻燃、消烟功能，与氢氧化铝配合使用可提高材料的阻燃性。
最后，添加芳纶纤维可以提高所述耐油高阻燃电缆材料的抗撕拉性能，添加乙烯基三乙氧基硅烷与高密度聚乙烯基体交联后形成的网状结构能有效阻止油类物质向共混材料分子内的渗透扩散，从而表现出良好的阻隔性能，使得最后制备得到的耐油高阻燃电缆材料可以满足在恶劣的环境下的工作要求。
优选地，所述热塑性弹性体为乙烯-辛烯共聚物。
优选地，所述氢氧化铝的粒径为1～2μm，例如1μm、1.2μm、1.4μm、1.5μm、1.6μm、1.8μm、1.9μm或2μm，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
优选地，所述氢氧化铝和镁铝水滑石的质量比为1:(0.05～0.25)，例如1:0.07、1:0.1、1:0.13、1:0.16、1:0.19、1:0.2、1:0.23或1:0.24等。
优选地，所述芳纶纤维的单丝直径为5～10μm，例如5.5μm、6μm、6.5μm、7μm、7.5μm、8μm、8.5μm、9μm或9.5μm，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
优选地，所述耐油高阻燃电缆材料还包括安定剂、硅酮母粒或抗氧剂中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述耐油高阻燃电缆材料中安定剂的含量为1～3重量份，例如1.2重量份、1.4重量份、1.6重量份、1.8重量份、2重量份、2.2重量份、2.4重量份、2.6重量份或2.8重量份，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
优选地，所述安定剂包括硬脂酸钙、硬脂酸锌或四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯]季戊四醇酯中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述耐油高阻燃电缆材料中硅酮母粒的含量为1～3重量份，例如1.2重量份、1.4重量份、1.6重量份、1.8重量份、2重量份、2.2重量份、2.4重量份、2.6重量份或2.8重量份，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
优选地，所述耐油高阻燃电缆材料中抗氧剂的含量为1～2重量份，例如1.1重量份、1.2重量份、1.3重量份、1.4重量份、1.5重量份、1.6重量份、1.7重量份、1.8重量份或1.9重量份，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
第二方面，本发明提供一种如第一方面所述耐油高阻燃电缆材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将芳纶纤维和乙烯基三乙氧基硅烷研磨，得到硅烷纤维复合物；
(2)将高密度聚乙烯、热塑性弹性体、三元乙丙橡胶、氢氧化铝、镁铝水滑石、步骤(1)得到的硅烷纤维复合物、任选地安定剂、任选地硅酮母粒和任选地抗氧剂进行混炼、挤出，得到共混颗粒；
(3)将步骤(1)得到的共混颗粒制成线材，再对所述线材进行辐照交联，得到所述耐油高阻燃电缆材料。
优选地，步骤(1)所述研磨的时间为20～30min，例如21min、22min、23min、24min、25min、26min、27min、28min或29min，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
优选地，步骤(1)所述硅烷纤维复合物的目数为100～200目，110目、120目、130目、140目、150目、160目、170目、180目或190目，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
优选地，步骤(2)所述混炼的方法为密炼。
优选地，所述密炼的温度为160～175℃，例如可以是160℃、162℃、165℃、170℃、172℃或175℃，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
优选地，步骤(2)所述混炼的时间为15～25min，例如15min、16min、17min、20min、21min、22min、24min或25min，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
优选地，步骤(2)所述挤出的方法为单螺杆挤出机挤出。
优选地，步骤(3)所述制成线材通过线材挤出机进行。
优选地，所述线材挤出机包括依次连接的A区、B区、C区和D区；
优选地，所述A区的温度为110～120℃(例如可以是110℃、112℃、114℃、116℃、118℃或120℃等)，B区的温度为135～145℃(例如可以是135℃、137℃、139℃、140℃、142℃或145℃等)，C区的温度为145～155℃(例如可以是145℃、147℃、150℃、151℃、152℃或155℃等)，D区的温度为150～160℃(例如可以是150℃、152℃、154℃、156℃、158℃或160℃等)。
第三方面，本发明提供一种如第一方面所述的耐油高阻燃电缆材料在光伏发电系统中的应用。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供的耐油高阻燃电缆材料通过材料的选择和搭配使用，使得到的耐油高阻燃电缆材料具有较好的机械性能、阻燃性能的基础上，同时还具有优异的耐油性能和抗撕拉性能，提高了所述耐油高阻燃电缆材料在使用过程中的安全性，可满足建筑线电缆对高拉伸强度和高阻隔性能能的要求。
(2)本发明提供的耐油高阻燃电缆材料均能通过单根垂直燃烧测试，且拉伸强度为20.09～21.32MPa，吸油率仅为8.3～8.9％，氧指数为33～39％。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
以下实施例中所用试剂或材料均可购于常规生产厂商，具体生产厂商及型号如表1所示：
表1
Figure BDA0002816451130000071
Figure BDA0002816451130000081
实施例1～5
一种耐油高阻燃电缆材料，具体组分如表2所示，各组分的用量单位为“重量份”。
表2
名称 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
高密度聚乙烯 45 40 50 45 45
热塑性弹性体 12 5 20 12 12
三元乙丙橡胶 5 0.5 10 5 5
粒径为2μm氢氧化铝 35 30 40 30 40
镁铝水滑石 6 2 10 11 1
芳纶纤维 15 10 20 15 15
乙烯基三乙氧基硅烷 18 15 21 18 18
安定剂 2 1 3 2 2
硅酮母粒 2 1 3 2 2
抗氧剂 1.5 1 2 1.5 1.5
制备方法包括如下步骤：
(1)将芳纶纤维和乙烯基三乙氧基硅烷研磨25min，得到目数为150目的硅烷纤维复合物；
(2)将高密度聚乙烯、热塑性弹性体、三元乙丙橡胶、氢氧化铝、镁铝水滑石、步骤(1)得到的硅烷纤维复合物、安定剂、硅酮母粒和抗氧剂使用密炼机160℃熔融共混25min，再通过单螺杆挤出机制成颗粒，得到共混颗粒；单螺杆挤出机包括依次连接的第一区、第二区、第三区、第四区、第五区、第六区和第七区，物料依次通过各区，设置第一区的工作温度为110℃，第二区的工作温度为115℃，第三区的工作温度为115℃，第四区的工作温度为120℃，第五区的工作温度为120℃，第六区的工作温度为120℃，第七区的工作温度为125℃；
(3)将步骤(2)得到的共混颗粒，所述线材挤出机包括依次连接的A区、B区、C区以及D区，所述颗粒依次通过各区，设置A区的工作温度为110℃，B区的工作温度为135℃，C区的工作温度为145℃，D区的工作温度为150℃，得到线材之后使用电子加速器进行辐照交联，辐照剂量为12Mrad，得到所述耐油高阻燃电缆材料。
实施例6
一种耐油高阻燃电缆材料，其与实施例1的区别仅在于，采用粒径为1μm的氢氧化铝代替粒径为2μm的氢氧化铝，其他组分、用量和制备方法均和实施例1相同。
对比例1
一种耐油高阻燃电缆材料，其与实施例1的区别仅在于，不添加芳纶纤维，其他组分、用量和制备方法均和实施例1相同。
对比例2
一种耐油高阻燃电缆材料，其与实施例1的区别仅在于，不添加乙烯基三乙氧基硅烷，其他组分、用量和制备方法均和实施例1相同。
对比例3
一种耐油高阻燃电缆材料，其与实施例1的区别仅在于，不添加氢氧化铝，镁铝水滑石的添加量为21重量份，其他组分、用量和制备方法均和实施例1相同。
对比例4
一种耐油高阻燃辐照交联材料，其与实施例1的区别仅在于，不添加镁铝水滑石，氢氧化铝的添加量为21重量份，其他组分、用量和制备方法均和实施例1相同。
性能测试：
(1)氧指数：按照ISO 4586《装饰用高压叠层板材热固性树脂制薄板》进行测试。
(2)单根垂直燃烧：按照GB/T18380-2008《电缆和光缆火焰条件下的燃烧试验》进行测试。
(3)吸油率：按照HG2-146-65《塑料耐油性试验方法》进行测试。
(4)拉伸强度：按照GB/T 1040-1992《塑料拉伸性能试验方法》进行测试。
按照上述测试方法对实施例1～6和对比例1～4得到的耐油高阻燃电缆材料进行测试，测试结果如表3所示：
表3
Figure BDA0002816451130000101
Figure BDA0002816451130000111
根据表3数据可以看出，本发明提供的耐油高阻燃电缆材料具有优异阻燃性能的同时具有较高的耐油性以及较高的拉伸强度。
具体而言，实施例1～6得到的耐油高阻燃电缆材料的拉伸强度为20.09～21.32MPa，相较于对比例1没有添加芳纶纤维得到的耐油高阻燃线缆材料拉伸强度提高了54～57％。
通过对比实施例1和对比例2可以看出，对比例2得到的耐油高阻燃电缆材料的吸油率很高，说明本发明通过在基体添加乙烯基三乙氧基硅烷，产生交联，大幅度降低了材料的吸油率，证明添加乙烯基三乙氧基硅烷有利于提高材料的耐油性。
进一步对比通过实施例1、4、5和对比例3、4可知，如果不添加氢氧化铝(对比例3)或不添加镁铝水滑石(对比例4)，得到的耐油高阻燃电缆材料均无法通过单根垂直燃烧测试，且氧指数较低，即阻燃性较差，证明氢氧化铝和镁铝水滑石配合使用，才能够得到阻燃效果优异的材料。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明一种耐油高阻燃电缆材料及其制备方法和应用，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种耐油高阻燃电缆材料，其特征在于，所述耐油高阻燃电缆材料的制备原料按照重量份包括如下组分：高密度聚乙烯40～50重量份、热塑性弹性体5～20重量份、三元乙丙橡胶0.5～10重量份、氢氧化铝30～40重量份、镁铝水滑石2～10重量份、芳纶纤维10～20重量份和乙烯基三乙氧基硅烷15～21重量份。
2.根据权利要求1所述的耐油高阻燃电缆材料，其特征在于，所述热塑性弹性体为乙烯-辛烯共聚物。
3.根据权利要求1或2所述的耐油高阻燃电缆材料，其特征在于，所述氢氧化铝的粒径为1～2μm；
优选地，所述氢氧化铝和镁铝水滑石的质量比为1:(0.05～0.25)。
4.根据权利要求1～3任一项所述的耐油高阻燃电缆材料，其特征在于，所述芳纶纤维的单丝直径为5～10μm。
5.根据权利要求1～4任一项所述的耐油高阻燃电缆材料，其特征在于，所述耐油高阻燃电缆材料还包括安定剂、硅酮母粒或抗氧剂中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述耐油高阻燃电缆材料中安定剂的含量为1～3重量份；
优选地，所述安定剂包括硬脂酸钙、硬脂酸锌或四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯]季戊四醇酯中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述耐油高阻燃电缆材料中硅酮母粒的含量为1～3重量份；
优选地，所述耐油高阻燃电缆材料中抗氧剂的含量为1～2重量份。
6.一种如权利要求1～5任一项所述耐油高阻燃电缆材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将芳纶纤维和乙烯基三乙氧基硅烷研磨，得到硅烷纤维复合物；
(2)将高密度聚乙烯、热塑性弹性体、三元乙丙橡胶、氢氧化铝、镁铝水滑石、步骤(1)得到的硅烷纤维复合物、任选地安定剂、任选地硅酮母粒和任选地抗氧剂进行混炼、挤出，得到共混颗粒；
(3)将步骤(1)得到的共混颗粒制成线材，再对所述线材进行辐照交联，得到所述耐油高阻燃电缆材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述研磨的时间为20～30min；
优选地，步骤(1)所述硅烷纤维复合物的目数为100～200目。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述混炼的方法为密炼；
优选地，所述密炼的温度为160～175℃；
优选地，步骤(2)所述混炼的时间为15～25min；
优选地，步骤(2)所述挤出的方法为单螺杆挤出机挤出。
9.根据权利要求6～8任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述制成线材通过线材挤出机进行；
优选地，所述线材挤出机包括依次连接的A区、B区、C区和D区；
优选地，所述A区的温度为110～120℃，B区的温度为135～145℃，C区的温度为145～155℃，D区的温度为150～160℃。
10.一种如权利要求1～5任一项所述的耐油高阻燃电缆材料在光伏发电系统中的应用。
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