CN114276642B - 一种耐环境应力开裂的硅芯管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及硅芯管技术领域，尤其涉及一种耐环境应力开裂的硅芯管及其制备方法，本发明的一种耐环境应力开裂的硅芯管，所述硅芯管包括同步挤压复合的硅芯层和外保护层，所述外保护层包括以下重量份原料：改性高密度聚乙烯75‑90份、色母粒2‑5份、功能性填料10‑15份、抗氧化剂1‑3份、防老剂1‑3份、稳定剂1‑2份，所述改性高密度聚乙烯为烯丙基丙二酸二乙酯熔融接枝改性的高密度聚乙烯。本发明制备得到的耐环境应力开裂的硅芯管，制备得到的硅芯管，通过对基体材料高密度聚乙烯进行改性，同时加入功能性填料，具有更好的耐环境应力开裂性能。
Description
技术领域
本发明涉及硅芯管技术领域，尤其涉及一种耐环境应力开裂的硅芯管及其制备方法。
背景技术
硅芯管为一类先进的通讯用光电缆护套管，主要由色带层、硅芯层、HDPE层构成，因其具有摩擦因素较小，管接头少、施工快捷、不需外加大管保护，内壁硅芯层为永久的固体润滑剂层，摩擦性能保持不变等优点，作为光缆穿线管广泛应用于高速公路及城市敷缆等。
而随着城市化建设的飞速发展，线路经过市政建设不允许架设电杆，因此发展了地下敷设的方式，地下敷设时，硅芯管对光缆进行保护，使光缆免受外力影响，但是硅芯管则会长期受到上方土层等外力挤压，容易导致硅芯管的高密度聚乙烯的晶片之间发生滑脱，从而诱发裂纹，最终导致硅芯管断裂。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种耐环境应力开裂的硅芯管及其制备方法，制备得到的硅芯管，通过对基体材料高密度聚乙烯进行改性，同时加入功能性填料，具有更好的耐环境应力开裂性能。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：
一种耐环境应力开裂的硅芯管，所述硅芯管包括同步挤压复合的硅芯层和外保护层，所述外保护层包括以下重量份原料：改性高密度聚乙烯75-90份、色母粒2-5份、功能性填料10-15份、抗氧化剂1-3份、防老剂1-3份、稳定剂1-2份，所述改性高密度聚乙烯为烯丙基丙二酸二乙酯熔融接枝改性的高密度聚乙烯。
进一步，所述功能性填料是以白炭黑为核心，核心外包裹了聚苯乙烯外层，在苯乙烯外层和核心之间还设置了纤维层，所述纤维层是由聚乙烯纳米纤维包裹形成，厚度为0.1-0.12mm。
本发明的硅芯管，利用烯丙基丙二酸二乙酯对高密度聚乙烯进行接枝改性，将高密度聚乙烯从线性的结构转变为支化结构，而引入的烯丙基丙二酸二乙酯可以增加高密度聚乙烯之间分子链的缠结，使得分子链间的移动增加，晶片之间不易滑脱，从而能够在一定程度上减少制备得到的外保护层内的缺陷，使得制备得到的硅芯管在应力作用下更稳固，同时加入的功能性填料，首先其能够增强基体材料的力学性能，其次功能填料核心外的纤维层具有一定的可压缩性能，能够在一定程度上吸收外界产生的应力，同时功能填料的苯乙烯外层为弹性材料，结合内部的纤维层能够更好的起到缓冲、吸收应力的效果，进而提高制备得到硅芯管的耐环境应力的能力。
另外，在基体材料中加入功能填料，当外保护层内部因为应力作用而产生银纹时，当其遇到功能填料后会被阻断，从而在一定程度上减少了开裂的几率。
进一步，所述外保护层包括以下重量份原料：改性高密度聚乙烯80份、色母粒2份、功能性填料12份、抗氧化剂2份、防老剂2份、稳定剂1份。
进一步，所述硅芯层包括以下重量份的原料：载体树脂20-30份、硅酮树脂45-55份、油酸酰胺5-10份、润滑剂1-2份、阻燃剂FR-302C 2-5份、相容剂1-3份、抗氧化剂1010 1-3份。
进一步，所述硅芯层包括以下重量份的原料：载体树脂30份、硅酮树脂50份、油酸酰胺8份、润滑剂2份、阻燃剂FR-302C 5份、相容剂3份、抗氧化剂1010 2份。
进一步，所述稳定剂为二巯基乙酸异辛酯二正辛基锡，所述润滑剂为聚乙烯蜡，所述抗氧化剂为三(2,4-二叔丁基)亚磷酸苯酯，所述防老剂为2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉。
进一步，所述硅芯层的厚度为0.2-0.3mm，所述外保护层的厚度为2-3mm。
此外，本发明还公开了上述的一种耐环境应力开裂的硅芯管的制备方法，所述硅芯管的制备方法包括以下步骤：
S1：按照配比，取1/2质量的载体树脂置于高速搅拌机中，加入硅酮树脂和油酸酰胺，升温至90-100℃搅拌混匀后，升温至115-120℃，加入相容剂、润滑剂，保温高速搅拌10-20min，加入阻燃剂、抗氧化剂和剩下的载体树脂继续搅拌20-30min，停止加热，持续搅拌至混合料冷却至45-50℃放料，得到硅芯层混合料备用；
S2：按照配比，取改性高密度聚乙烯、功能填料搅拌混合均匀后，加入色母粒、抗氧化剂、防老剂、稳定剂置于高速搅拌机中，于120-130℃温度下搅拌混合40-50min，冷却至45-50℃放料，得到外保护层混合料备用；
S3：将S1、S2步骤制备得到的硅芯层混合料和外保护层混合料分别置于两台单螺杆挤出机中，采用双机共挤机头，同步挤压得到硅芯管。
进一步，所述改性高密度聚乙烯的制备方法为：将过氧化二异丙苯溶于丙酮中，加入烯丙基丙二酸二乙酯、抗氧化剂、二甲基二硫代氨基甲酸锌、高密度聚乙烯搅拌混合均匀后，加热至50-60℃，保温至丙酮完全挥发，升温至170-185℃，保温熔融加工15-20min，得到产物破碎造粒得到改性高密度聚乙烯。
进一步，所述功能性填料的制备方法为：取聚乙烯纳米纤维聚集成束得到纳米纤维束，将得到的纳米纤维束缠绕包裹于白炭黑表面，得到复合颗粒，将复合颗粒搅拌分散于乙醇溶液中，加入硅烷偶联剂，搅拌反应20-24h，升温至80℃，在搅拌条件下滴加加入苯乙烯，再加入偶氮二异丁腈作为引发剂，在氮气气氛下保温反应5-8h，反应完成后离心，滤饼用无水乙醇洗涤三次，干燥得到功能性填料。
本发明的有益效果：
本发明的一种耐环境应力开裂的硅芯管，对高密度聚乙烯进行改性，同时加入功能性填料进行协同作用，能够提高制备得到的硅芯管的耐应力开裂性能，使用寿命更长。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明进行详细说明：
实施例一
功能性填料的制备
取聚乙烯纳米纤维聚集成束得到纳米纤维束，将得到的纳米纤维束缠绕包裹于白炭黑表面，得到复合颗粒，将复合颗粒按照15g/L的固液比搅拌分散于95wt％乙醇溶液中，加入1/10白炭黑摩尔质量的硅烷偶联剂，搅拌反应24h，升温至80℃，在搅拌条件下滴加加入4倍白炭黑质量的苯乙烯，再加入1/10白炭黑质量的偶氮二异丁腈作为引发剂，在氮气气氛下保温反应6h，反应完成后离心，滤饼用无水乙醇洗涤三次，干燥得到功能性填料。
改性高密度聚乙烯的制备
将0.1重量份过氧化二异丙苯溶于10倍过氧化二异丙苯质量的丙酮中，加入0.5重量份烯丙基丙二酸二乙酯、0.2重量份抗氧化剂、0.1重量份二甲基二硫代氨基甲酸锌、100重量份高密度聚乙烯搅拌混合均匀后，加热至60℃，保温至丙酮完全挥发，升温至185℃，保温熔融加工20min，得到产物破碎造粒得到改性高密度聚乙烯。
硅芯管的制备
S1：按照配比，总共取30重量份的载体树脂高密度聚乙烯，先取15重量份置于高速搅拌机中，加入50重量份硅酮树脂和8重量份油酸酰胺，升温至100℃搅拌混匀后，升温至120℃，加入3重量份相容剂、2重量份润滑剂聚乙烯蜡，保温高速搅拌20min，加入5重量份阻燃剂FR-302C、2重量份抗氧化剂1010和剩下的载体树脂继续搅拌30min，停止加热，持续搅拌至混合料冷却至50℃放料，得到硅芯层混合料备用；
A2：按照配比，取90份高密度聚乙烯、15份功能填料搅拌混合均匀后，加入5份色母粒、3份抗氧化剂三(2,4-二叔丁基)亚磷酸苯酯、3份防老剂2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉、2份稳定剂二巯基乙酸异辛酯二正辛基锡置于高速搅拌机中，于130℃温度下搅拌混合50min，冷却至50℃放料，得到外保护层混合料备用；
S3：将S1、S2步骤制备得到的硅芯层混合料和外保护层混合料分别置于两台单螺杆挤出机中，采用双机共挤机头，在硅芯层单螺杆挤出机的工艺参数为：在口模温度198℃，螺杆转速63r/min，牵引速度6m/min，外保护层单螺杆挤出机的工艺参数为：口模温度198℃，螺杆转速76r/min，牵引速度6m/min的条件下，同步挤压得到硅芯层的厚度为0.2mm，外保护层的厚度为2mm的硅芯管。
实施例二
功能性填料的制备
取聚乙烯纳米纤维聚集成束得到纳米纤维束，将得到的纳米纤维束缠绕包裹于白炭黑表面，得到复合颗粒，将复合颗粒按照12g/L的固液比搅拌分散于95wt％乙醇溶液中，加入1/10白炭黑摩尔质量的硅烷偶联剂，搅拌反应22h，升温至80℃，在搅拌条件下滴加加入5倍白炭黑质量的苯乙烯，再加入1/10白炭黑质量的偶氮二异丁腈作为引发剂，在氮气气氛下保温反应8h，反应完成后离心，滤饼用无水乙醇洗涤三次，干燥得到功能性填料。
改性高密度聚乙烯的制备
将0.14重量份过氧化二异丙苯溶于10倍过氧化二异丙苯质量的丙酮中，加入0.8重量份烯丙基丙二酸二乙酯、0.1重量份抗氧化剂、0.1重量份二甲基二硫代氨基甲酸锌、100重量份高密度聚乙烯搅拌混合均匀后，加热至55℃，保温至丙酮完全挥发，升温至175℃，保温熔融加工15min，得到产物破碎造粒得到改性高密度聚乙烯。
硅芯管的制备
S1：按照配比，总共取25重量份的载体树脂高密度聚乙烯，先取12重量份置于高速搅拌机中，加入55重量份硅酮树脂和10重量份油酸酰胺，升温至95℃搅拌混匀后，升温至115℃，加入2重量份相容剂、2重量份润滑剂聚乙烯蜡，保温高速搅拌15min，加入2重量份阻燃剂FR-302C、3重量份抗氧化剂1010和剩下的载体树脂继续搅拌25min，停止加热，持续搅拌至混合料冷却至50℃放料，得到硅芯层混合料备用；
A2：按照配比，取80份高密度聚乙烯、12份功能填料搅拌混合均匀后，加入2份色母粒、2份抗氧化剂三(2,4-二叔丁基)亚磷酸苯酯、2份防老剂2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉、1份稳定剂二巯基乙酸异辛酯二正辛基锡置于高速搅拌机中，于125℃温度下搅拌混合40min，冷却至45℃放料，得到外保护层混合料备用；
S3：将S1、S2步骤制备得到的硅芯层混合料和外保护层混合料分别置于两台单螺杆挤出机中，采用双机共挤机头，在硅芯层单螺杆挤出机的工艺参数为：口模温度195℃，螺杆转速60r/min，牵引速度5m/min，外保护层单螺杆挤出机的工艺参数为：口模温度195℃，螺杆转速75r/min，牵引速度5m/min的条件下，同步挤压得到硅芯层的厚度为0.3mm，外保护层的厚度为3mm的硅芯管。
实施例三
功能性填料的制备
取聚乙烯纳米纤维聚集成束得到纳米纤维束，将得到的纳米纤维束缠绕包裹于白炭黑表面，得到复合颗粒，将复合颗粒按照10g/L的固液比搅拌分散于95wt％乙醇溶液中，加入1/10白炭黑摩尔质量的硅烷偶联剂，搅拌反应20h，升温至80℃，在搅拌条件下滴加加入4倍白炭黑质量的苯乙烯，再加入1/10白炭黑质量的偶氮二异丁腈作为引发剂，在氮气气氛下保温反应5h，反应完成后离心，滤饼用无水乙醇洗涤三次，干燥得到功能性填料。
改性高密度聚乙烯的制备
将0.12重量份过氧化二异丙苯溶于10倍过氧化二异丙苯质量的丙酮中，加入0.6重量份烯丙基丙二酸二乙酯、0.1重量份抗氧化剂、0.1重量份二甲基二硫代氨基甲酸锌、100重量份高密度聚乙烯搅拌混合均匀后，加热至60℃，保温至丙酮完全挥发，升温至170℃，保温熔融加工20min，得到产物破碎造粒得到改性高密度聚乙烯。
硅芯管的制备
S1：按照配比，总共取20重量份的载体树脂高密度聚乙烯，先取10重量份置于高速搅拌机中，加入45重量份硅酮树脂和5重量份油酸酰胺，升温至90℃搅拌混匀后，升温至115℃，加入1重量份相容剂、1重量份润滑剂聚乙烯蜡，保温高速搅拌10min，加入3重量份阻燃剂FR-302C、1重量份抗氧化剂1010和剩下的载体树脂继续搅拌20min，停止加热，持续搅拌至混合料冷却至45℃放料，得到硅芯层混合料备用；
A2：按照配比，取75份高密度聚乙烯、10份功能填料搅拌混合均匀后，加入3份色母粒、1份抗氧化剂三(2,4-二叔丁基)亚磷酸苯酯、1份防老剂2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉、1份稳定剂二巯基乙酸异辛酯二正辛基锡置于高速搅拌机中，于120℃温度下搅拌混合45min，冷却至50℃放料，得到外保护层混合料备用；
S3：将S1、S2步骤制备得到的硅芯层混合料和外保护层混合料分别置于两台单螺杆挤出机中，采用双机共挤机头，在硅芯层单螺杆挤出机的工艺参数为：口模温度200℃，螺杆转速65r/min，牵引速度7m/min，外保护层单螺杆挤出机的工艺参数为：口模温度200℃，螺杆转速80r/min，牵引速度7m/min的条件下，同步挤压得到硅芯层的厚度为0.2mm，外保护层的厚度为3mm的硅芯管。
对比例一
本实施例和实施例一相比，其不同之处在于本对比例使用常规的高密度聚乙烯替换改性高密度聚乙烯。
对比例二
本实施例和实施例一相比，其不同之处在于，本对比例直接加入白炭黑以替换功能性填料。
将实施例一～实施例三，对比例一、对比例二制备得到的硅芯管进行力学性能测试以及耐环境应力开裂性能测试，测试结果如下表所示：
| 测试性能 | 实施例一 | 实施例二 | 实施例三 | 对比例一 | 对比例二 |
| 断裂伸长率/％ | 398 | 394 | 395 | 374 | 382 |
| 拉伸强度/MPa | 28.36 | 29.11 | 27.98 | 22.34 | 23.18 |
| 弯曲强度/MPa | 20.15 | 21.87 | 20.54 | 16.21 | 17.18 |
| 缺口冲击强度(KJ·m2) | 65.42 | 66.39 | 64.17 | 54.29 | 57.58 |
| 耐环境应力开裂时间/h | 321 | 296 | 317 | 87 | 95 |
通过上表可以看出，本发明硅芯管外保护层中加入的改性高密度聚乙烯和功能性填料，能够有效提高硅芯管的力学性能和耐环境应力开裂性能，且在二者进行共同使用时，效果最好。
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 (8)
1.一种耐环境应力开裂的硅芯管，其特征在于，所述硅芯管包括同步挤压复合的硅芯层和外保护层，所述外保护层包括以下重量份原料：改性高密度聚乙烯75-90份、色母粒2-5份、功能性填料10-15份、抗氧化剂1-3份、防老剂1-3份、稳定剂1-2份，所述改性高密度聚乙烯为烯丙基丙二酸二乙酯熔融接枝改性的高密度聚乙烯；
所述功能性填料是以白炭黑为核心，核心外包裹了苯乙烯外层，在聚苯乙烯外层和核心之间还设置了纤维层，所述纤维层是由聚乙烯纳米纤维包裹形成，厚度为0.1-0.12mm；
所述功能性填料的制备方法为：取聚乙烯纳米纤维聚集成束得到纳米纤维束，将得到的纳米纤维束缠绕包裹于白炭黑表面，得到复合颗粒，将复合颗粒搅拌分散于乙醇溶液中，加入硅烷偶联剂，搅拌反应20-24h，升温至80℃，在搅拌条件下滴加加入苯乙烯，再加入偶氮二异丁腈作为引发剂，在氮气气氛下保温反应5-8h，反应完成后离心，滤饼用无水乙醇洗涤三次，干燥得到功能性填料。
2.根据权利要求1所述的一种耐环境应力开裂的硅芯管，其特征在于，所述外保护层包括以下重量份原料：改性高密度聚乙烯80份、色母粒2份、功能性填料12份、抗氧化剂2份、防老剂2份、稳定剂1份。
3.根据权利要求1所述的一种耐环境应力开裂的硅芯管，其特征在于，所述硅芯层包括以下重量份的原料：载体树脂20-30份、硅酮树脂45-55份、油酸酰胺5-10份、润滑剂1-2份、阻燃剂FR-302C 2-5份、相容剂1-3份、抗氧化剂10101-3份。
4.根据权利要求3所述的一种耐环境应力开裂的硅芯管，其特征在于，所述硅芯层包括以下重量份的原料：载体树脂30份、硅酮树脂50份、油酸酰胺8份、润滑剂2份、阻燃剂FR-302C 5份、相容剂3份、抗氧化剂10102份。
5.根据权利要求4所述的一种耐环境应力开裂的硅芯管，其特征在于，所述稳定剂为二巯基乙酸异辛酯二正辛基锡，所述润滑剂为聚乙烯蜡，所述抗氧化剂为三(2,4-二叔丁基)亚磷酸苯酯，所述防老剂为2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉。
6.根据权利要求5所述的一种耐环境应力开裂的硅芯管，其特征在于，所述硅芯层的厚度为0.2-0.3mm，所述外保护层的厚度为2-3mm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种耐环境应力开裂的硅芯管的制备方法，其特征在于，所述硅芯管的制备方法包括以下步骤：
S1：按照配比，取1/2质量的载体树脂置于高速搅拌机中，加入硅酮树脂和油酸酰胺，升温至90-100℃搅拌混匀后，升温至115-120℃，加入相容剂、润滑剂，保温高速搅拌10-20min，加入阻燃剂、抗氧化剂1010和剩下的载体树脂继续搅拌20-30min，停止加热，持续搅拌至混合料冷却至45-50℃放料，得到硅芯层混合料备用；
S2：按照配比，取改性高密度聚乙烯、功能填料搅拌混合均匀后，加入色母粒、抗氧化剂、防老剂、稳定剂置于高速搅拌机中，于120-130℃温度下搅拌混合40-50min，冷却至45-50℃放料，得到外保护层混合料备用；
S3：将S1、S2步骤制备得到的硅芯层混合料和外保护层混合料分别置于两台单螺杆挤出机中，采用双机共挤机头，同步挤压得到硅芯管。
8.根据权利要求7所述的一种耐环境应力开裂的硅芯管的制备方法，其特征在于，所述改性高密度聚乙烯的制备方法为：将过氧化二异丙苯溶于丙酮中，加入烯丙基丙二酸二乙酯、抗氧化剂、二甲基二硫代氨基甲酸锌、高密度聚乙烯搅拌混合均匀后，加热至50-60℃，保温至丙酮完全挥发，升温至170-185℃，保温熔融加工15-20min，得到产物破碎造粒得到改性高密度聚乙烯。
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