CN112646266A - 非交联聚丙烯材料及电缆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了非交联聚丙烯材料及电缆，属于电缆技术领域，非交联聚丙烯材料，按照原料重量份数比，包括以下组分：20‑30份等规聚丙烯、40‑50份间规聚丙烯、5‑10份低密度聚乙烯、1‑5份滑石粉、3‑6份纳米粒子、0.5‑1份四(2，4‑二叔丁基苯基‑4，4‑联苯基)双膦酸酯、0.5‑1份三‑(3，5‑二叔丁基‑4‑羟基苯基)异氰尿酸酯、0.5‑2份2，2‑草酰胺基双‑[乙基‑3‑(3，5‑二叔丁基‑4‑羟基苯基)]丙酸酯，电缆材料在‑30℃及更低的温度下仍具有超高柔性和韧性，从而提高电缆材料耐寒耐候性和低温抗冲击性能，适用范围广，实用性强，多种抗氧化剂的使用则提高了电缆材料的抗氧化性。

Description

非交联聚丙烯材料及电缆
【技术领域】
本发明涉及电缆技术领域，具体涉及非交联聚丙烯材料及电缆。
【背景技术】
目前最为常用的塑料电缆的绝缘材料为交联聚乙烯，该材料不仅保持了聚乙烯良好的电气绝缘性能，还在高温下具有优异的机械特性。然而，化学交联过程使得聚乙烯失去热塑性特性，电缆寿命到期后很难回收再利用。且聚乙烯在交联过程中需要进行高温高压处理，产生的副产物如甲烷、枯基醇、苯乙酮和水等低沸点的小分子物质也会对电缆绝缘性能产生持久的影响。这些缺陷将不可避免地产生大量的能源、资源浪费与环境问题。因此，寻找可以替代交联聚乙烯绝缘电缆体系的新型非交联聚丙烯材料，制备出加工工艺简化、环境友好型的非交联聚丙烯材料，实现非交联聚丙烯材料的创新，可以打破现如今电缆工业的局限，为电力电缆的大规模应用解决环保问题。在对环保友好非交联电缆绝缘材料研究中，具有高熔点和优异的电气绝缘性能的聚丙烯材料逐渐受到电缆界的青睐，但聚丙烯材料作为非交联聚丙烯材料使用时仍存在较多缺点，如耐寒性能差、低温时抗冲击强度低、易脆断，遇火易燃烧，易受光、热和氧的作用而老化，韧性不好、静电度高等，这些缺点使其用作非交联聚丙烯材料时，受环境局限较大。
【发明内容】
本发明的目的在于设计一种非交联聚丙烯材料，至少可以部分地解决上述技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
非交联聚丙烯材料，其特征在于，按照原料重量份数包括以下组分：
Figure RE-GDA0002949552510000011
Figure RE-GDA0002949552510000021
作为优选，所述纳米粒子包括AlN纳米粒子、TiO2纳米粒子和SiO2纳米粒子。
作为优选，所述AlN纳米粒子、TiO2纳米粒子和SiO2纳米粒子的重量比为 1:1:1。
作为优选，所述AlN纳米粒子的平均粒径为60nm，所述TiO2纳米粒子的平均粒径为50nm，所述SiO2纳米粒子的平均粒径为50nm。
作为优选，其制备包括如下步骤：
步骤S1：将纳米粒子和硅烷偶联剂加入甲苯溶剂中，超声处理，使纳米粒子和硅烷偶联剂均匀分散在甲苯溶剂中，得到混合液；
步骤S2：将步骤S1的混合液在70℃的恒温箱中静置5h后，过滤，得到滤渣；
步骤S3：将滤渣用45℃～55℃的去离子水洗涤3～5次，60℃下真空干燥24h，得到物料1；
步骤S4：将等规聚丙烯、间规聚丙烯、低密度聚乙烯、滑石粉、四(2，4- 二叔丁基苯基-4，4-联苯基)双膦酸酯、三-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)异氰尿酸酯、三-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)异氰尿酸酯和2，2-草酰胺基双-[乙基-3-(3， 5-二叔丁基-4-羟基苯基)]丙酸酯在60℃下真空干燥24h，得到物料2；
步骤S5：将物料1和物料2混合，以200～250r/min的搅拌速度搅拌15～25min，在双螺杆挤出机中熔融塑化，自模头挤出成型。
作为优选，步骤S1中硅烷偶联剂包括乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷和乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷。
作为优选，所述乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷和乙烯基三(β- 甲氧乙氧基)硅烷的重量比为(0.7～1):(0.7～1):(1～1.5)。
作为优选，步骤S1中硅烷偶联剂和纳米粒子的重量比为(0.5～1):(0.7～1.5)。
作为优选，步骤S5中双螺杆挤出机的料筒温度为110℃～150℃，所述模头温度为120℃～130℃，所述双螺杆转速为50～80r/min。
采用本方案的有益效果：
1、本材料采用共混与参杂纳米改性粒子技术，合理配比原料，纳米粒子先通过硅烷偶联剂进行改性，采用超声分散，分散更均匀和细致，防止纳米粒子团聚，避免应力集中，抗弯折性能好，各种纳米粒子均匀接枝在硅烷偶联剂上，从而与物料2搅拌混合后，各种纳米粒子均匀分散在非交联聚丙烯材料中，并增强了与其他原料之间的相容性，从而形成均相体系，提高了非交联聚丙烯材料的玻璃化转化温度，使得该非交联聚丙烯材料可在100～115℃以上工作温度服役，提高传输效率，具有出色的耐热变形性和耐热老化性能，通过硅烷偶联剂对纳米粒子的改性，形成长链分子桥，提高其柔韧性能，进而提高了非交联聚丙烯材料的拉伸强度、断裂伸长率，并使非交联聚丙烯材料在-30℃及更低的温度下仍具有超高柔性和韧性，从而提高非交联聚丙烯材料耐寒耐候性和低温抗冲击性能，适用范围广，实用性强，多种抗氧化剂的使用则提高了非交联聚丙烯材料的抗氧化性。
2、在材料中同时引入AlN纳米粒子、TiO2纳米粒子和SiO2纳米粒子混合纳米粒子，可以进一步提高聚丙烯材料的耐磨性和和抗紫外线辐射，降低其静电性，延长材料使用寿命，更满足长期服役的电缆绝缘和护套材料的性能要求。
3、绝缘材料在强场内部的电场分布极大的影响材料的绝缘性能，而材料内部的空间电荷会严重影响材料内部的电场分布，多种纳米改性粒子可以有效改善低纳米复合材料绝缘的空间电荷积聚特性，从而进一步提高非交联聚丙烯材料的绝缘性能、抗电压、耐电弧性等；
4、采用聚丙烯基共混体作为基体，各种聚丙烯之间性能互补，从而提高聚丙烯材料机械性能以及综合性能，使原料之间具有更优异的相容性，提高了成品材料的柔软度。
5、采用上述非交联制备工艺，制备出的非交联聚丙烯材料综合性能更优异，更符合非交联聚丙烯材料的使用要求，同时本制备工艺对工艺简单，对反应温度和反应条件要求较低，避免了传统电缆交联工艺的高温高压工艺要求和复杂的工艺程序，减少了工艺消耗，节约制备成本，同时，不产生副产物，避免对环境产生的危害，更符合环保要求。
本发明采用的另一个技术方案如下：
电缆，采用上述任一技术方案中所述的非交联聚丙烯材料。
发明的这些特点和优点将会在下面的具体实施方式中详细的揭露。
【具体实施方式】
下面结合本发明实施例的具体技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例：
电缆，采用非交联聚丙烯材料，非交联聚丙烯材料按照原料重量比，包括以下组分：20-30份等规聚丙烯、40-50份间规聚丙烯、 5-10份低密度聚乙烯、1-5份滑石粉、3-6份纳米粒子、0.5-1份四(2，4-二叔丁基苯基-4，4-联苯基)双膦酸酯、0.5-1份三-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)异氰尿酸酯、 0.5-2份2，2-草酰胺基双-[乙基-3-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)]丙酸酯。
其中，纳米粒子包括平均粒径为60nm的AlN纳米粒子、平均粒径为50nm 的TiO2纳米粒子和平均粒径为50nm的SiO2纳米粒子，且AlN纳米粒子、TiO2纳米粒子和SiO2纳米粒子的重量比为1:1:1。
上述非交联聚丙烯材料的制备包括如下步骤：
步骤S1:将纳米粒子和硅烷偶联剂加入甲苯溶剂中，超声处理，使纳米粒子和硅烷偶联剂均匀分散在甲苯溶剂中，得到混合液；
步骤S2:将步骤S1的混合液在70℃的恒温箱中静置5h后，过滤，得到滤渣；
步骤S3:将滤渣用45℃～55℃的去离子水洗涤3～5次，60℃下真空干燥24h，得到物料1；
步骤S4:将等规聚丙烯、间规聚丙烯、低密度聚乙烯、滑石粉、四(2，4-二叔丁基苯基-4，4-联苯基)双膦酸酯、三-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)异氰尿酸酯和2，2-草酰胺基双-[乙基-3-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)]丙酸酯在60℃下真空干燥24h，得到物料2；
步骤S5:将物料1和物料2混合，以200～250r/min的搅拌速度搅拌15～25min，在双螺杆挤出机中熔融塑化，自模头挤出成型。
其中，步骤S1中硅烷偶联剂和纳米粒子的重量比为(0.5～1):(0.7～1.5)。
其中，步骤S1中硅烷偶联剂包括乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷和乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷，乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷和乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷的重量比为(0.7～1):(0.7～1):(1～1.5)。
其中，步骤S5中双螺杆挤出机的料筒温度为110℃～150℃，所述模头温度为120℃～130℃，所述双螺杆转速为50～80r/min。
各实施例中制备非交联聚丙烯材料的原料用量如表一所示：
表一：
Figure RE-GDA0002949552510000051
各实施例中制备非交联聚丙烯材料步骤S1中硅烷偶联剂和纳米粒子的重量比、硅烷偶联剂各组分的重量比如表二所示：
表二：
Figure RE-GDA0002949552510000061
各实施例中制备非交联聚丙烯材料步骤S3中洗涤滤渣所用去离子水的温度及洗涤次数如下表三所示：
表三：
Figure RE-GDA0002949552510000062
各实施例中制备非交联聚丙烯材料步骤S5中料筒温度、模头温度和双螺杆转速如下表四所示：
表四：
Figure RE-GDA0002949552510000063
对各实施例中制备的非交联聚丙烯材料进行了玻璃化转化温度、常温下断裂伸长率、拉伸屈服强度的性能检测，检测结果如表五所示：
表五：
Figure RE-GDA0002949552510000071
从上表可以看出，本发明中制备的非交联聚丙烯材料的玻璃化转化温度较高，具有出色的耐热变形性和耐热老化性能，适合在高温环境中使用，并具有优良的断裂伸长率和拉伸屈服强度，柔韧性好，特别是实施例二的材料各方面性能最优。
在-30℃条件下对各实施例中制备的非交联聚丙烯材料的抗冲击性进行了检测，检测结果如下表六所示：
表六：
Figure RE-GDA0002949552510000072
从上表可以看出，非交联聚丙烯材料在-30℃时仍具有优良的抗冲击性能，特别是实施例二的材料低温冲击强度最优，可达到5.5KJ/m2。
以上所述，仅为发明的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (10)

1.非交联聚丙烯材料，其特征在于，按照原料重量份数包括以下组分：
Figure FDA0002804525920000011
2.根据权利要求1所述的非交联聚丙烯材料，其特征在于，所述纳米粒子包括AlN纳米粒子、TiO2纳米粒子和SiO2纳米粒子。
3.根据权利要求2述的非交联聚丙烯材料，其特征在于，所述AlN纳米粒子、TiO2纳米粒子和SiO2纳米粒子的重量比为1:1:1。
4.根据权利要求2述的非交联聚丙烯材料，其特征在于，所述AlN纳米粒子的平均粒径为60nm，所述TiO2纳米粒子的平均粒径为50nm，所述SiO2纳米粒子的平均粒径为50nm。
5.根据权利要求1所述的非交联聚丙烯材料，其特征在于，其制备包括如下步骤：
步骤S1:将纳米粒子和硅烷偶联剂加入甲苯溶剂中，超声处理，使纳米粒子和硅烷偶联剂均匀分散在甲苯溶剂中，得到混合液；
步骤S2:将步骤S1的混合液在70℃的恒温箱中静置5h后，过滤，得到滤渣；
步骤S3:将滤渣用45℃～55℃的去离子水洗涤3～5次，60℃下真空干燥24h，得到物料1；
步骤S4:将等规聚丙烯、间规聚丙烯、低密度聚乙烯、滑石粉、四(2，4-二叔丁基苯基-4，4-联苯基)双膦酸酯、三-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)异氰尿酸酯和2，2-草酰胺基双-[乙基-3-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)]丙酸酯在60℃下真空干燥24h，得到物料2；
步骤S5:将物料1和物料2混合，以200～250r/min的搅拌速度搅拌15～25min，在双螺杆挤出机中熔融塑化，自模头挤出成型。
6.根据权利要求5所述的非交联聚丙烯材料，其特征在于，步骤S1中硅烷偶联剂包括乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷和乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷。
7.根据权利要求6所述的非交联聚丙烯材料，其特征在于，所述乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷和乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷的重量比为(0.7～1):(0.7～1):(1～1.5)。
8.根据权利要求5所述的非交联聚丙烯材料，其特征在于，步骤S1中硅烷偶联剂和纳米粒子的重量比为(0.5～1):(0.7～1.5)。
9.根据权利要求5所述的非交联聚丙烯材料，其特征在于，步骤S5中双螺杆挤出机的料筒温度为110℃～150℃，所述模头温度为120℃～130℃，所述双螺杆转速为50～80r/min。
10.电缆，其特征在于，采用权利要求1～9任一项中所述的非交联聚丙烯材料。
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