CN114057431A - 一种低温成瓷无机矿物质电缆用防火材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电线电缆生产原材料技术领域，公开了一种低温成瓷无机矿物质电缆用防火材料及其制备方法，原材料包括氢氧化镁、煅烧级陶土、硅酸钙、低熔点玻璃粉、云母粉、碳化硅粉、氧化锌、硅烷偶联剂、硼酸和PVC‑磷酸酯共聚物，制备时入PVC‑磷酸酯共聚物，待熔融后加入氧化锌、硅烷偶联剂和硼酸，搅拌混合；再加入氢氧化镁、煅烧级陶土、硅酸钙、低熔点玻璃粉和云母粉，搅拌；将碳化硅加热混入臭氧，形成混合气体通到第一混熔液中高速搅拌，得到第二混熔液；使用捏合机进行捏合，冷却，使用挤出机挤出，切粒，得到防火材料。本发明既能满足电缆的绝缘和电气性能，又能长期使用不开裂，且在低温条件下成瓷速度快、热值量少，在更低温度即可成瓷。

Description

一种低温成瓷无机矿物质电缆用防火材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及电线电缆生产原材料技术领域，尤其涉及一种低温成瓷无机矿物质电缆用防火材料及其制备方法。
背景技术
无机矿物质电缆用防火材料是一种新型的防火阻燃材料，其在常温下具有普通橡胶的弹性和电绝缘性，然而在明火或高温条件下，能够转变成为坚硬的陶瓷体。目前，无机矿物质电缆用防火材料主要用作电线电缆行业的防火材料，当火灾发生时，无机矿物质电缆用防火材料可保持电线电缆的内部导线在180分钟内不发生熔断，使电路在火灾中依然保持畅通。
目前市场上普遍在使用的无机矿物质电缆用防火材料有三种：一种是采用云母带或玻璃纤维带的绕包工艺，这项工艺有明显的缺点就是所用材料工艺绕包间在弯曲条件下容易产生间隙裂开，频繁使用会造成漏电等不安全因素。第二种是近5年来开发运用的防火隔氧泥，其成本较低，每公斤材料3-5元左右，为防火电缆普遍得到采用；该材料虽然防火特性好，但是其材料本身不绝缘，材料可导电，无法做预分支电缆，或者电缆绝缘稍有故障容易引起击穿，使这样的事故经常发生；且电缆在经过存放1个月后防火泥自然干燥后开裂不便于敷设，弯曲后电缆护套引起开裂普遍存在。第三种是采用聚烯烃EVA或POE做基材或利用硅橡胶材料做基材，将矿物材料配方设计做成陶瓷化聚烃烯或陶瓷化硅橡胶，该材料具有绝缘和电气性能，材料优点是绝缘性能较好，生产1KV及以下电缆没有问题，且材料加工工艺通过挤出后具有柔软性，便于弯曲敷设方便；但其缺点是由于其基材是有机材料，所以在燃烧时会产生大量的热量和热值，材料成瓷的硬度相对于防火隔氧料不够，一般性火灾温度750℃以下尚不能完全成瓷；而且该材料本身的成本较高，每公斤材料在20-40元不等，市场接受度相对较低，因此其采用范围受到了限制。
鉴于以上情况，研发一款新型的无机矿物质电缆用防火材料，对于每年具有200亿以上防火电缆需求的中国市场，甚至于国际市场的推广应用具有极强的价值。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种低温成瓷无机矿物质电缆用防火材料及其制备方法，既能满足电缆的绝缘和电气性能，又能长期使用不开裂，且在低温条件下成瓷速度快、热值量少，在更低温度即可成瓷。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：
一种低温成瓷无机矿物质电缆用防火材料，包括以下原材料：氢氧化镁、煅烧级陶土、硅酸钙、低熔点玻璃粉、云母粉、碳化硅粉、氧化锌、硅烷偶联剂、硼酸和PVC-磷酸酯共聚物。
进一步，按质量份数，所述氢氧化镁为15-20份、煅烧级陶土为18-22份、硅酸钙为8-12份、低熔点玻璃粉为3-5份、云母粉为3-5份、碳化硅粉1-2份、氧化锌为1-3份、硅烷偶联剂为1-2份、硼酸为1-2份和PVC-磷酸酯共聚物为12-16份。
进一步，按质量份数，所述氢氧化镁为17.5份、煅烧级陶土为20份、硅酸钙为10份、低熔点玻璃粉为4份、云母粉为4份、碳化硅粉1.5份、氧化锌为2份、硅烷偶联剂为1.5份、硼酸为1.5份和PVC-磷酸酯共聚物为14份。
进一步，所述氢氧化镁为矿物法得到的氢氧化镁，所述氢氧化镁的Mg(OH)2含量大于95％，目数为1250-2500目；所述煅烧级陶土中Al2O3和SiO2的合计含量大于97％，目数为大于等于1250目；所述云母为白云母或者金云母，目数大于等于1250目。
进一步，所述低熔点玻璃粉的平均粒径为6-13微米，比表面积为0.6-0.8m2/g，目数为大于等于3000目，熔点为390～600℃；所述碳化硅粉为800-1500目；所述硅烷偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷。
上述的低温成瓷无机矿物质电缆用防火材料的原材料中，氧氧化镁(Mg(OH)2)具有很好的阻燃和燃烧后结壳效果，但如果选择不当其成瓷效果不会理想，因此在选择时采用矿物法氢氧化镁比化学法的效果更好，细度对于与其他材料混合分子结合好，1250-2500目的氢氧化镁在受热分化后释放出结合水，吸收大量潜热，以降低其它填充组分在火焰中的表面温度。氢氧化镁燃烧过程中产生的氧化镁是一种高强耐热材料，可形成一层保护层，阻隔火源及有毒有害气体，氢氧化镁相对氢氧化铝的价格要低得多，填充量大，可以大幅度降低成本。氢氧化镁要选用含量Mg(OH)2>95％，选择目数1250-2500目效果更好。
煅烧级陶土是一种无机非金属的混合物，煅烧陶土是将陶土在煅烧炉中烧结到2000℃以上和足够的时间后，使其的物理化学性能产生一定的变化，以满足成为陶瓷的要求。煅烧陶土大量应用于陶瓷和防火材料原料，煅烧级陶土选用Al2O3和SiO2合计含量大于97％，1250目以上的产品，该材料粘性强成瓷细腻。
硅酸钙是一种在燃烧后硬度很高，而且灼烧减量很小的瓷化材料，硅酸钙是一种无机物，化学式为CaSiO3，多为针状结晶，白色粉末。无味、无毒，溶于强酸，不溶于水、醇及碱。在加热至680～700℃时脱出结晶水，结晶外形无变化。
低熔点玻璃粉在低温400℃条件下即熔化，低熔点玻璃粉在原材料中起到坚固和增加强度的作用功效，对成瓷的硬度和陶瓷产生清脆响声具有作用。低熔点玻璃粉主要元素：硅、铝、锌、钙，是由非金属矿经严格选矿、清洗、磨粉、浮选、提纯、高纯水处理、特殊干燥、熔融结晶及造粉分级等多道工艺加工而成的微粉。低熔点玻璃粉是一种无毒、无味、无污染的。由于它具备低温熔融、高透明度(或乳白色)、耐温性好、耐酸碱腐蚀、高绝缘、低膨胀、化学性能稳定、硬度优良的性能。低熔点玻璃粉为稳定的结晶硅铝氧化物为主；对于研发的本发明的材料而言，选用低熔点玻璃粉作为透明、白色或功能填充是较为稳妥的，其在390～600℃时产生熔化，与其他成瓷材料自然混为一体。选择低熔点玻璃粉的细度要高：平均粒径在6～13微米，比表面积为：0.6～0.8m2/g，细度目数在3000目以上，因为其用量相对其他材料较少，其有充分的混合性。
云母是一种防火阻燃性能特别优秀的材料，也有很种类，云母化学式为KAl2(AlSi3O10)(OH)2，其中SiO2：45.2％、Al2O3：38.5％、K2O：11.8％、H2O：4.5％，属于铝硅酸盐矿物，具有连续层状硅氧四面体构造。云母具有很好的绝缘和耐高温性能，选用是应选择1250目以上的白云母或金云母。
氧化锌在该新材料配方中起到与硼酸氧化反应后吸收硼酸根离子的作用，同时生成的硼酸锌还是一种起阻燃作用的材料，氧化锌是一种无机物，化学式为ZnO，是锌的一种氧化物，难溶于水，可溶于酸和强碱。
因为配方中存在大量的无机矿物填充物质，其分子之间的结合力学不一定很好，容易产生分子断链，所以适当添加硅烷处理剂后使分子之间结合力更好，A-171硅烷处理剂为乙烯基三甲氧硅烷，分子式：C5H12O3Si，同时能使材料在使用过程中得到更好的工艺性能，采用无色透明液体含量≥98.0％的乙烯基三甲氧基硅烷171对粉体进行表面处理。
碳化硅粉具有良好的防火和导热性能，其在原材料中，当电缆遇到明火或者高温后，其热量可以更快更均匀的传递到整个原料中，使得防火材料能够快速的成瓷，对电缆导线形成保护。
为了使上述的无机矿物材料能够粘合在一起，经过大量试验，选用PVC-磷酸酯共聚物不但具有粘合阻燃，还具有非常好的电气绝缘性能，绝缘电阻大于100兆欧，使得本发明的防火材料能够经受2500V/5min电压试验检测通过，完全满足防火矿物材料的绝缘要求。
本发明还公开了一种低温成瓷无机矿物质电缆用防火材料的制备方法，包括以下步骤：
A1、在加热容器中加入PVC-磷酸酯共聚物，加热至150-180℃，待完全熔融之后再加入氧化锌、硅烷偶联剂和硼酸，在150-160℃下搅拌混合15-25min；
A2、然后继续在150-160℃的搅拌状态下，再加入氢氧化镁、煅烧级陶土、硅酸钙、低熔点玻璃粉和云母粉，保持150-160℃继续搅拌20-30min，得到第一混熔液；
A3、将碳化硅加热至2700-2900℃，待碳化硅完全气化之后混入臭氧，形成混合气体；
A4、对第一混合熔液高速搅拌，搅拌的过程中将混合气体通入到第一混熔液中，通入完毕之后，再高速搅拌2-3min，得到第二混熔液；
A5、将第二混熔液使用捏合机进行捏合30-40min，冷却，使用挤出机挤出，切粒，得到防火材料。
进一步，所述PVC-磷酸酯共聚物的制备方法，具体为：按质量比例磷酸酯：PVC＝1:2.2-3.0，溶解于四氢呋喃溶剂中，搅拌均匀后将其倒入模具中，于40-50℃干燥挥发溶剂得到PVC-磷酸酯共聚物。
进一步，所述步骤A5中还对第二混熔液进行硫化，具体为：将第二混熔液抽真空30min，真空度为-0.07至-0.09MPa，待第二混熔液冷却至180-220℃时，在开炼机上加入硫化剂混炼15-20min。
进一步，所述硫化剂采用的是过氧化二(2,4-二氯苯甲酰)。
进一步，所述步骤A4中的搅拌速度为300-500r/min。
本发明的有益效果：
本发明的无机矿物质电缆用防火材料通过配方中的低温成瓷材料体系降低熔点，氢氧化镁受热形成MgO，并与煅烧级陶土、硅酸钙、低熔点玻璃粉、云母粉、碳化硅粉、氧化锌、硅烷偶联剂、硼酸等无机矿物材料形成一个体系，相互配合，形成协同效应，实现多种材料的性能增效增强作用，在625℃时材料即可在5分钟内形成较佳硬度和强度的陶瓷体，当温度进一步升高后，以表面能的减少为驱动力，颗粒间由点接触逐渐扩大为面接触，粒界进一步发育扩大，气孔则缩小，陶瓷体变得坚硬、致密，可以更好地保护内包覆物，从而达到极佳的阻燃和防火效果。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明进行详细说明：
实施例1、
本实施例进行PVC-磷酸酯共聚物的制备，具体为：按质量比例磷酸酯：PVC＝1:2.2，溶解于四氢呋喃溶剂中，搅拌均匀后将其倒入模具中，于40℃干燥挥发溶剂得到PVC-磷酸酯共聚物。
实施例2、
本实施例进行PVC-磷酸酯共聚物的制备，具体为：按质量比例磷酸酯：PVC＝1:2.6，溶解于四氢呋喃溶剂中，搅拌均匀后将其倒入模具中，于45℃干燥挥发溶剂得到PVC-磷酸酯共聚物。
实施例3、
本实施例进行PVC-磷酸酯共聚物的制备，具体为：按质量比例磷酸酯：PVC＝1:3.0，溶解于四氢呋喃溶剂中，搅拌均匀后将其倒入模具中，于50℃干燥挥发溶剂得到PVC-磷酸酯共聚物。
实施例4、
本实施例进行低温成瓷无机矿物质电缆用防火材料的制备方法，包括以下步骤：
A1、在加热容器中加入12kg的实施例1制备的PVC-磷酸酯共聚物，加热至150℃，待完全熔融之后再加入氧化锌1kg、硅烷偶联剂乙烯基三甲氧基硅烷1kg和硼酸1kg，在150℃下搅拌混合15min；
A2、然后继续在150℃的搅拌状态下，再加入氢氧化镁15kg、煅烧级陶土18kg、硅酸钙8kg、低熔点玻璃粉3kg和云母粉3kg，保持150℃继续搅拌20min，得到第一混熔液；
A3、将1kg的碳化硅加热至2700℃，待碳化硅完全气化之后混入臭氧，形成混合气体；
A4、对第一混合熔液高速搅拌，搅拌的过程中将混合气体通入到第一混熔液中，通入完毕之后，再高速搅拌2min，搅拌速度为300r/min，得到第二混熔液；
A5、将第二混熔液抽真空30min，真空度为-0.07MPa，待第二混熔液冷却至180℃时，在开炼机上加入硫化剂过氧化二(2,4-二氯苯甲酰)混炼15min；
A6、将第二混熔液使用捏合机进行捏合30min，冷却，使用挤出机挤出，切粒，得到防火材料。
其中，上述的氢氧化镁为矿物法得到的氢氧化镁，氢氧化镁的Mg(OH)2含量大于95％，目数为1250-2500目；煅烧级陶土中Al2O3和SiO2的合计含量大于97％，目数为大于等于1250目；云母为白云母或者金云母，目数大于等于1250目；低熔点玻璃粉的平均粒径为6-13微米，比表面积为0.6-0.8m2/g，目数为大于等于3000目，熔点为390～600℃；碳化硅粉为800-1500目。
实施例5、
本实施例进行低温成瓷无机矿物质电缆用防火材料的制备方法，包括以下步骤：
A1、在加热容器中加入14kg实施例2制备的PVC-磷酸酯共聚物，加热至165℃，待完全熔融之后再加入氧化锌2kg、硅烷偶联剂乙烯基三甲氧基硅烷1.5kg和硼酸1.5kg，在155℃下搅拌混合20min；
A2、然后继续在155℃的搅拌状态下，再加入氢氧化镁17.5kg、煅烧级陶土20kg、硅酸钙10kg、低熔点玻璃粉4kg和云母粉4kg，保持155℃继续搅拌25min，得到第一混熔液；
A3、将1.5kg的碳化硅加热至2800℃，待碳化硅完全气化之后混入臭氧，形成混合气体；
A4、对第一混合熔液高速搅拌，搅拌的过程中将混合气体通入到第一混熔液中，通入完毕之后，再高速搅拌2.5min，搅拌速度为400r/min，得到第二混熔液；
A5、将第二混熔液抽真空30min，真空度为-0.08MPa，待第二混熔液冷却至200℃时，在开炼机上加入硫化剂过氧化二(2,4-二氯苯甲酰)混炼17min；
A6、将第二混熔液使用捏合机进行捏合35min，冷却，使用挤出机挤出，切粒，得到防火材料。
其中，上述的氢氧化镁为矿物法得到的氢氧化镁，氢氧化镁的Mg(OH)2含量大于95％，目数为1250-2500目；煅烧级陶土中Al2O3和SiO2的合计含量大于97％，目数为大于等于1250目；云母为白云母或者金云母，目数大于等于1250目；低熔点玻璃粉的平均粒径为6-13微米，比表面积为0.6-0.8m2/g，目数为大于等于3000目，熔点为390～600℃；碳化硅粉为800-1500目。
实施例6、
本实施例进行低温成瓷无机矿物质电缆用防火材料的制备方法，包括以下步骤：
A1、在加热容器中加入16kg实施例3制备的PVC-磷酸酯共聚物，加热至180℃，待完全熔融之后再加入氧化锌3kg、硅烷偶联剂乙烯基三甲氧基硅烷2kg和硼酸2kg，在160℃下搅拌混合25min；
A2、然后继续在160℃的搅拌状态下，再加入氢氧化镁20kg、煅烧级陶土22kg、硅酸钙12kg、低熔点玻璃粉5kg和云母粉5kg，保持160℃继续搅拌30min，得到第一混熔液；
A3、将2kg的碳化硅加热至2900℃，待碳化硅完全气化之后混入臭氧，形成混合气体；
A4、对第一混合熔液高速搅拌，搅拌的过程中将混合气体通入到第一混熔液中，通入完毕之后，再高速搅拌3min，搅拌速度为500r/min，得到第二混熔液；
A5、将第二混熔液抽真空30min，真空度为-0.09MPa，待第二混熔液冷却至220℃时，在开炼机上加入硫化剂过氧化二(2,4-二氯苯甲酰)混炼20min；
A6、将第二混熔液使用捏合机进行捏合40min，冷却，使用挤出机挤出，切粒，得到防火材料。
其中，上述的氢氧化镁为矿物法得到的氢氧化镁，氢氧化镁的Mg(OH)2含量大于95％，目数为1250-2500目；煅烧级陶土中Al2O3和SiO2的合计含量大于97％，目数为大于等于1250目；云母为白云母或者金云母，目数大于等于1250目；低熔点玻璃粉的平均粒径为6-13微米，比表面积为0.6-0.8m2/g，目数为大于等于3000目，熔点为390～600℃；碳化硅粉为800-1500目。
下面将实施例4-实施例6制备得到的防火材料，通过挤出工艺挤包在电缆的绝缘或成缆线芯上，并对电缆的成瓷温度和时间进行测试，结果如下：
实施例 实施例4 实施例5 实施例6 现有电缆
成瓷温度(℃) 632 625 628 720
成瓷时间(min) 6 5 8 20
从上述结果可以看出，本发明在625℃时材料即可在5分钟内形成较佳硬度和强度的陶瓷体，当电缆在遇到火灾或者高温时，可以快速成瓷，对电缆的导体形成有效的保护。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (10)

1.一种低温成瓷无机矿物质电缆用防火材料，其特征在于，包括以下原材料：氢氧化镁、煅烧级陶土、硅酸钙、低熔点玻璃粉、云母粉、碳化硅粉、氧化锌、硅烷偶联剂、硼酸和PVC-磷酸酯共聚物。
2.根据权利要求1所述的一种低温成瓷无机矿物质电缆用防火材料，其特征在于：按质量份数，所述氢氧化镁为15-20份、煅烧级陶土为18-22份、硅酸钙为8-12份、低熔点玻璃粉为3-5份、云母粉为3-5份、碳化硅粉1-2份、氧化锌为1-3份、硅烷偶联剂为1-2份、硼酸为1-2份和PVC-磷酸酯共聚物为12-16份。
3.根据权利要求2所述的一种低温成瓷无机矿物质电缆用防火材料，其特征在于：按质量份数，所述氢氧化镁为17.5份、煅烧级陶土为20份、硅酸钙为10份、低熔点玻璃粉为4份、云母粉为4份、碳化硅粉1.5份、氧化锌为2份、硅烷偶联剂为1.5份、硼酸为1.5份和PVC-磷酸酯共聚物为14份。
4.根据权利要求3所述的一种低温成瓷无机矿物质电缆用防火材料，其特征在于：所述氢氧化镁为矿物法得到的氢氧化镁，所述氢氧化镁的Mg(OH)2含量大于95％，目数为1250-2500目；所述煅烧级陶土中Al2O3和SiO2的合计含量大于97％，目数为大于等于1250目；所述云母为白云母或者金云母，目数大于等于1250目。
5.根据权利要求4所述的一种低温成瓷无机矿物质电缆用防火材料，其特征在于：所述低熔点玻璃粉的平均粒径为6-13微米，比表面积为0.6-0.8m2/g，目数为大于等于3000目，熔点为390～600℃；所述碳化硅粉为800-1500目；所述硅烷偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷。
6.一种低温成瓷无机矿物质电缆用防火材料的制备方法，其特征在于：使用权利要求1-5任一所述的防火材料，制备方法包括以下步骤：
A1、在加热容器中加入PVC-磷酸酯共聚物，加热至150-180℃，待完全熔融之后再加入氧化锌、硅烷偶联剂和硼酸，在150-160℃下搅拌混合15-25min；
A2、然后继续在150-160℃的搅拌状态下，再加入氢氧化镁、煅烧级陶土、硅酸钙、低熔点玻璃粉和云母粉，保持150-160℃继续搅拌20-30min，得到第一混熔液；
A3、将碳化硅加热至2700-2900℃，待碳化硅完全气化之后混入臭氧，形成混合气体；
A4、对第一混合熔液高速搅拌，搅拌的过程中将混合气体通入到第一混熔液中，通入完毕之后，再高速搅拌2-3min，得到第二混熔液；
A5、将第二混熔液使用捏合机进行捏合30-40min，冷却，使用挤出机挤出，切粒，得到防火材料。
7.根据权利要求6所述的一种低温成瓷无机矿物质电缆用防火材料的制备方法，其特征在于：所述PVC-磷酸酯共聚物的制备方法，具体为：按质量比例磷酸酯：PVC＝1:2.2-3.0，溶解于四氢呋喃溶剂中，搅拌均匀后将其倒入模具中，于40-50℃干燥挥发溶剂得到PVC-磷酸酯共聚物。
8.根据权利要求6所述的一种低温成瓷无机矿物质电缆用防火材料的制备方法，其特征在于：所述步骤A5中还对第二混熔液进行硫化，具体为：将第二混熔液抽真空30min，真空度为-0.07至-0.09MPa，待第二混熔液冷却至180-220℃时，在开炼机上加入硫化剂混炼15-20min。
9.根据权利要求8所述的一种低温成瓷无机矿物质电缆用防火材料的制备方法，其特征在于：所述硫化剂采用的是过氧化二(2,4-二氯苯甲酰)。
10.根据权利要求6所述的一种低温成瓷无机矿物质电缆用防火材料的制备方法，其特征在于：所述步骤A4中的搅拌速度为300-500r/min。
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