CN114656731B - 一种高刚度pvc电力导管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及电力管材技术领域，具体公开了一种高刚度PVC电力导管及其制备方法。一种高刚度PVC电力导管，以重量分数计，包括如下原料：PVC树脂100份、纳米多孔碳酸钙20‑30份、改性蒙脱土4‑6份、稳定剂1‑3份、抗冲击改性剂0.5‑1份以及润滑剂0.2‑1份；所述改性蒙脱土由阳离子改性剂和聚乙烯吡咯烷酮对蒙脱土进行插层处理制得。本申请的电力导管可用于电缆保护，其具有刚性大以及韧性高的优点。

Description

一种高刚度PVC电力导管及其制备方法

技术领域

本申请涉及电力管材技术领域，更具体地说，它涉及一种高刚度PVC电力导管及其制备方法。

背景技术

电力导管又称电力管，主要作用是保护电力系统的电缆不受外界环境的干扰破坏，以保护线路的安全运行。电力导管的材质主要有PE、PP、PVC等；对于PVC电力导管来说，其是由硬质PVC与稳定剂、润滑剂等配合后，经过挤压成型制得，其具有很好的化学稳定性、较高的拉伸强度与硬度以及难燃的特点。

电力导管需要具有较高的结构强度，这就需要其具有很高的抗压强度、刚性以及硬度；但是对于传统的PVC材料来说，刚性增大时通常会导致材料的韧性下降；当电力导管处于低温环境时，塑料中的分子再次紧密结合，不能自由转动，导致塑性硬化，从而出现变脆、开裂等缺陷。因此，需要一种能够同时满足高刚性以及高韧性的材料。

发明内容

为了能在提高PVC电力导管刚性的同时，改善其韧性，本申请提供一种高刚度PVC电力导管及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种高刚度PVC电力导管，采用如下的技术方案：

一种高刚度PVC电力导管，以重量分数计，包括如下原料：PVC树脂100份、纳米多孔碳酸钙20-30份、改性蒙脱土4-6份、稳定剂1-3份、抗冲击改性剂0.5-1份以及润滑剂0.2-1份；

所述改性蒙脱土由阳离子改性剂和聚乙烯吡咯烷酮对蒙脱土进行插层处理制得。

纳米多孔碳酸钙作为无机刚性粒子，可以明显提高电力导管的刚性以及力学强度，但是纳米化的碳酸钙的粒径小，比表面能大，容易发生团聚现象，影响其在塑料中的分散性，限制了其对材料力学性能的改善效果。通过采用上述技术方案，本申请采用纳米多孔碳酸钙，其具有贯通的网络微孔结构，不仅增大了其比表面积，使材料在受到冲击时可以吸收更多的冲击能，以提高增韧效果；而且，通过改性蒙脱土的配合，可以增大其对改性蒙脱土的吸附性，利用亲油性的改性蒙脱土，可以提高纳米微孔碳酸钙在树脂中的分散性，从而提高材料的力学强度、刚性以及韧性等综合性能。

优选的，所述阳离子改性剂、聚乙烯吡咯烷酮、蒙脱土的重量比为3-6:2-4:100。

蒙脱土可以改善材料的抗冲击性能、抗疲劳性能以及尺寸稳定性，起到增强材料综合物理性能的作用，但是未经改性处理的蒙脱土的由于其层间的大量无机离子而表现出的疏油性，不利于其在树脂中的分散。通过采用上述技术方案，本申请以阳离子改性剂和聚乙烯吡咯烷酮作为蒙脱土的插层改性剂，以增大其层间间距，可以得到有机化的蒙脱土，使其亲油性提高，有利于其在树脂中的分散；并且经过改性处理后的蒙脱土具有很好的吸附性，用于树脂中还可以充当相容剂，提高纳米多孔碳酸钙在树脂中的分散性；通过纳米多孔碳酸钙和改性蒙脱土的配合，可以同时提高电力导管的刚性以及韧性，从而改善电力导管的综合性能。

优选的，所述阳离子改性剂为十二烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵、双十二烷基二甲基氯化铵、双十六烷基二甲基氯化铵双十八烷基二甲基氯化铵种的一种或多种的混合物。

优选的，所述改性蒙脱土采用如下方法制备：

将阳离子改性剂以及聚乙烯吡咯烷酮溶于酸液中，得到酸化溶液；

将蒙脱土分散于水中，得到蒙脱土分散液；

在50-80℃的温度下，将酸化溶液加入到蒙脱土分散液中，保温搅拌4-8h后，经过抽滤、洗涤、干燥后，得到改性蒙脱土。

优选的，所述纳米多孔碳酸钙采用如下方法制备：

将聚乙烯吡咯烷酮溶于水后，加入碳酸钠，搅拌均匀，得到混合液A；

将氯化钙溶于水后，加入十二烷基硫酸钠，搅拌均匀，调节pH为8-10，得到混合液B；

向混合液B中加入混合液A，搅拌均匀后，得到悬浊液；将悬浊液经过静置、抽滤，得到滤饼；

将滤饼经过洗涤、干燥、研磨后，得到纳米多孔碳酸钙。

优选的，所述聚乙烯吡咯烷酮、碳酸钠、氯化钙、十二烷基硫酸钠的重量比为3-6:15-25:8-12:1-3。

通过采用上述技术方案，本申请以聚乙烯吡咯烷酮、碳酸钙、氯化钙、十二烷基硫酸钠为原料，通过共沉淀反应，可以形成超细多孔碳酸钙微球，该多孔碳酸钙作为一种刚性无机粒子，可以提高材料的硬度、刚性以及力学强度，由于其具有贯通的网络微孔结构，可以增大其与改性蒙脱土的相互吸引结合力，利用改性蒙脱土的亲油性的特点，可以提高其在树脂中的分散性，又因其多孔结构，可以增加其与树脂材料的结合力；在受到外界冲击时，位于树脂之间的纳米多孔碳酸钙粒子可以形成支撑网络，以吸收更多的冲击能，抑制因冲击导致的微细裂纹的发展，从而改善材料的韧性。

优选的，所述稳定剂为钙锌稳定剂、有机锡稳定剂中的一种。

通过采用上述技术方案，由于聚氯乙烯在高温分解会产生有毒的氯，影响环境以及人员的安全，因此本申请通过添加热稳定剂，可以改善PVC树脂的加工稳定性，其中钙锌稳定剂和有机锡稳定剂的热稳定性效果好，且与PVC树脂的相容性比较好，产品安全性比较高。

优选的，所述抗冲击改性剂为ABS、MBS、ACR中的一种或多种的混合物。

通过采用上述技术方案，抗冲击改性剂的加入可以提高制品的抗冲击强度，明显改善其韧性。

优选的，所述润滑剂为硬脂酸、石蜡、聚乙烯蜡中的一种或多种的混合物。

第二方面，本申请提供一种高刚度PVC电力导管的制备方法，采用如下的技术方案：

一种高刚度PVC电力导管的制备方法，包括以下步骤：

(1)将PVC树脂、纳米多孔碳酸钙、改性蒙脱土、稳定剂、抗冲击改性剂以及润滑剂混合均匀后，得到混合料；

(2)将混合料置于螺杆挤出机中，经过熔融、挤出、造粒后，得到混合粒料；

(3)将混合粒料经过挤出成型后，得到电力导管。

优选的，所述步骤(2)中的螺杆挤出机中的各区温度为：一区温度140-145℃、二区温度155-165℃、三区温度165-175℃，模头温度为160-170℃。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

本申请采用纳米多孔碳酸钙，其具有贯通的网络微孔结构，不仅增大了其比表面积，使材料在受到冲击时可以吸收更多的冲击能，以提高增韧效果；而且，通过改性蒙脱土的配合，可以增大其对改性蒙脱土的吸附性，利用亲油性的改性蒙脱土，可以提高纳米微孔碳酸钙在树脂中的分散性，通过二者的协同配合，可以提高材料的力学强度、刚性以及韧性等综合性能。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

纳米多孔碳酸钙的制备例

除特别说明外，制备例中的原料均可通过市售获得。

纳米多孔碳酸钙的制备例1

纳米多孔碳酸钙的制备方法包括如下步骤：

①将0.3kg聚乙烯吡咯烷酮溶于5kg水后，加入1.5kg碳酸钠，搅拌均匀，得到混合液A；

②将0.8kg氯化钙溶于5kg水后，加入0.1kg十二烷基硫酸钠，搅拌均匀，调节pH为9，得到混合液B；

③向混合液B中加入混合液A，搅拌均匀后，得到悬浊液；将悬浊液经过静置8h后，经过抽滤，得到滤饼；

④将滤饼用去离子水清洗3次后，在80℃的温度下干燥6h后，研磨至平均粒径为100nm后，得到纳米多孔碳酸钙。

纳米多孔碳酸钙的制备例2

本制备例与纳米多孔碳酸钙的制备例1的不同之处在于，聚乙烯吡咯烷酮的用量为0.6kg，碳酸钠的用量为2.5kg，氯化钙的用量为1.2kg，十二烷基硫酸钠的用量为0.3kg。

纳米多孔碳酸钙的制备例3

本制备例与纳米多孔碳酸钙的制备例1的不同之处在于，步骤①中的混合液A仅由1.5kg的碳酸钠和5kg的水混合而成。

改性蒙脱土的制备例

除特别说明外，制备例中的原料均可通过市售获得。阳离子改性剂可以为十二烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵、双十二烷基二甲基氯化铵、双十六烷基二甲基氯化铵双十八烷基二甲基氯化铵种的一种或多种的混合物，以下制备例的阳离子改性剂均选择十八烷基三甲基溴化铵；聚乙烯吡咯烷酮为聚乙烯吡咯烷酮K90；蒙脱土为天然蒙脱土，细度为100目。

改性蒙脱土的制备例1

改性蒙脱土的制备方法包括如下步骤：

①将0.3kg阳离子改性剂以及0.2kg聚乙烯吡咯烷酮溶于10kg、2wt％的乙酸溶液中，得到酸化溶液；

②将10kg蒙脱土分散于20kg水中，得到蒙脱土分散液；

③在70℃的温度下，将酸化溶液加入到蒙脱土分散液中，以1000r/min的速度搅拌5h后，经过抽滤后，得到滤饼；将滤饼用去离子水清洗3次后，在80℃的温度下干燥6h，得到改性蒙脱土。

制备例2

本制备例与改性蒙脱土的制备例1的不同之处在于，阳离子改性剂的用量为0.6kg，聚乙烯吡咯烷酮的用量为0.4kg。

制备例3

本制备例与改性蒙脱土的制备例1的不同之处在于，将聚乙烯吡咯烷酮替换为等量的阳离子改性剂。

实施例

除特别说明外，实施例中的原料均可通过市售获得。其中，PVC树脂购自茌平信发聚氯乙烯有限公司，型号为SG-5。稳定剂可以为钙锌稳定剂、有机锡稳定剂中的一种，制备例中的稳定剂均选择钙锌稳定剂，购自德国熊牌，型号为BAEROPAN MC 91660KA；抗冲击改性剂可以为ABS、MBS、ACR中的一种或多种的混合物，制备例中的抗冲击改性剂均选择ACR(丙烯酸酯类共聚物)，购自美国杜邦，牌号为1209AC；润滑剂可以为硬脂酸、石蜡、聚乙烯蜡中的一种或多种的混合物，制备例中的润滑剂均选择聚乙烯蜡。

实施例1-3

如表1所示，实施例1-3的不同之处在于原料的用量，以下以实施例1为例进行说明。

实施例1提供的一种高刚度PVC电力导管的制备方法，包括如下步骤：

(1)将PVC树脂、纳米多孔碳酸钙、改性蒙脱土、稳定剂、抗冲击改性剂以及润滑剂混合均匀后，得到混合料；

(2)将混合料置于螺杆挤出机中，一区温度142℃、二区温度160℃、三区温度170℃，模头温度为165℃，经过熔融、挤出、造粒后，得到混合粒料；

(3)将混合粒料经过挤出成型后，得到电力导管。

其中，纳米多孔碳酸钙由纳米多孔碳酸钙的制备例1制备而得；改性蒙脱土由改性蒙脱土的制备例1制备而得。

表1实施例1-3的原料用量表(单位：kg)

实施例4

本实施例与实施例1的不同之处在于，纳米多孔碳酸钙由纳米多孔碳酸钙的制备例2制备而得。

实施例5

本实施例与实施例1的不同之处在于，纳米多孔碳酸钙由纳米多孔碳酸钙的制备例3制备而得。

实施例6

本实施例与实施例1的不同之处在于，改性蒙脱土由改性蒙脱土的制备例2制备而得。

对比例

对比例1

本对比例与对比例1的不同之处在于，将纳米多孔碳酸钙替换为等量的未经过处理的纳米碳酸钙，该纳米碳酸钙的粒径为100nm。

对比例2

本对比例与对比例1的不同之处在于，将纳米多孔碳酸钙替换为等量的经过硅烷偶联剂的表面处理得到的纳米碳酸钙，该纳米碳酸钙的粒径为100nm。

该纳米碳酸钙采用如下方法制备：取10kg碳酸钙，加入1kg、10wt％硅烷偶联剂KH550的水溶液，以200r/min的速度搅拌1h；然后在80℃的温度下干燥6h，得到纳米碳酸钙。

对比例3

本对比例与对比例1的不同之处在于，改性蒙脱土由改性蒙脱土的制备例3制备而得。

性能检测试验

按照如实施例1-6以及对比例1-3的方法制备样品，按照如下方法，对其性能进行测试，将测试结果记录于表2。

拉伸强度以及断裂伸长率：按照GB/T8804.2-2016《热塑性塑料管材拉伸性能测定第2部分：硬聚氯乙烯(PVC-U)、氯化聚氯乙烯(PVC-C)和高抗冲聚氯乙烯(PVC-HI)管材》中的规定进行测试。

弯曲弹性模量：弯曲弹性模量又称弯曲模量，是指材料在弹性极限内抵抗弯曲变形的能力，可以用来表征材料的刚性。按照GB/T 9341-2008《塑料弯曲性能的测定》中的规定进行测试。

悬臂梁冲击强度：冲击强度是指试样在冲击将载荷的作用下折断或折裂时，单位截面积所吸收的能量，可以用来表征材料的韧性。按照GB/T1843-2008《塑料悬臂梁冲击强度的测定》中的规定，对在室温以及在-20℃下放置7天的样品的性能进行测试。

表2实施例以及对比例的产品性能测试表

结合实施例1和对比例1并结合表2可以看出，本申请实施例1的材料的拉伸强度、断裂伸长率、弯曲弹性模量、悬臂梁冲击强度明显高于对比例1，说明实施例1的材料的刚性以及韧性明显优于对比例1。这是因为普通未经改性处理的纳米碳酸钙粒子虽然在一定程度上可以改善材料的刚性以及韧性，但是纳米化的碳酸钙的粒径小，比表面能大，容易发生团聚现象，影响其在塑料中的分散性，限制了其对材料力学性能的改善效果。而本申请的纳米碳酸钙采用的是纳米多孔碳酸钙，其具有贯通的网络微孔结构，这不仅增大了其比表面积，使材料在受到冲击时可以吸收更多的冲击能，以提高增韧效果；而且，改性蒙脱土可作为纳米碳酸钙和树脂之间的相容剂，利用改性蒙脱土与纳米多孔碳酸钙的相互吸附结合力，使得纳米多孔碳酸钙可随亲油性的改性蒙脱土均匀分散于树脂中，提高了体系中原料混合的均匀性，从而提高材料的力学强度、刚性以及韧性等综合性能。

结合实施例1、对比例1、对比例2可以看出，本申请实施例1的材料的拉伸强度、断裂伸长率、弯曲弹性模量、悬臂梁冲击强度明显高于对比例1和对比例2，而对比例2的各项性能也优于对比例1。这是因为，纳米碳酸钙经过硅烷偶联剂的表面处理，可以改善其表面性能，在一定程度上可以提高其在树脂中的分散性，但是由于碳酸钙颗粒与偶联剂之间的结合力较弱，当碳酸钙的添加量较大时，碳酸钙在树脂中仍然难以分散；而本申请的纳米多孔碳酸钙由于改变了碳酸钙的结构，通过改性蒙脱土的配合，可以使得大量的纳米多孔碳酸钙均匀分散于树脂中，明显改善材料的刚性、韧性等综合性能。

结合实施例1、对比例3可以看出，本申请实施例1的材料的拉伸强度、断裂伸长率、弯曲弹性模量、悬臂梁冲击强度明显高于对比例3，这说明在制备改性蒙脱土时，以阳离子改性剂和聚乙烯吡咯烷酮共同作为插层改性剂，不仅可以提高蒙脱土的亲油性，而且得到的改性蒙脱土可作为相容剂，提高纳米多孔碳酸钙在树脂中的分散性，从而提高材料的刚性、韧性等综合性能。

结合实施例1、实施例5可以看出，本申请实施例1的材料的拉伸强度、断裂伸长率、弯曲弹性模量、悬臂梁冲击强度明显高于实施例5。这是因为，在制备纳米改性碳酸钙时，混合液A中添加聚乙烯吡咯烷酮可以改善碳酸钙的孔隙结构，从而提高其对树脂的增强以及增韧效果。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (7)

1.一种高刚度PVC电力导管，其特征在于，以重量分数计，包括如下原料：PVC树脂100份、纳米多孔碳酸钙20-30份、改性蒙脱土4-6份、稳定剂1-3份、抗冲击改性剂0.5-1份以及润滑剂0.2-1份；

所述改性蒙脱土由阳离子改性剂和聚乙烯吡咯烷酮对蒙脱土进行插层处理制得；

所述阳离子改性剂为十二烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵、双十二烷基二甲基氯化铵、双十六烷基二甲基氯化铵双十八烷基二甲基氯化铵种的一种或多种的混合物；

所述改性蒙脱土采用如下方法制备：

将阳离子改性剂以及聚乙烯吡咯烷酮溶于酸液中，得到酸化溶液；

将蒙脱土分散于水中，得到蒙脱土分散液；

在50-80℃的温度下，将酸化溶液加入到蒙脱土分散液中，保温搅拌4-8h后，经过抽滤、洗涤、干燥后，得到改性蒙脱土；

所述纳米多孔碳酸钙采用如下方法制备：

将聚乙烯吡咯烷酮溶于水后，加入碳酸钠，搅拌均匀，得到混合液A；

将氯化钙溶于水后，加入十二烷基硫酸钠，搅拌均匀，调节pH为8-10，得到混合液B；

向混合液B中加入混合液A，搅拌均匀后，得到悬浊液；将悬浊液经过静置、抽滤，得到滤饼；

将滤饼经过洗涤、干燥、研磨后，得到纳米多孔碳酸钙。

2.根据权利要求1所述的一种高刚度PVC电力导管，其特征在于，所述阳离子改性剂、聚乙烯吡咯烷酮、蒙脱土的重量比为3-6:2-4:100。

3.根据权利要求1所述的一种高刚度PVC电力导管，其特征在于，所述聚乙烯吡咯烷酮、碳酸钠、氯化钙、十二烷基硫酸钠的重量比为3-6:15-25:8-12:1-3。

4.根据权利要求1所述的一种高刚度PVC电力导管，其特征在于，所述稳定剂为钙锌稳定剂、有机锡稳定剂中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种高刚度PVC电力导管，其特征在于，所述抗冲击改性剂为ABS、MBS、ACR中的一种或多种的混合物。

6.权利要求1所述的一种高刚度PVC电力导管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将PVC树脂、纳米多孔碳酸钙、改性蒙脱土、稳定剂、抗冲击改性剂以及润滑剂混合均匀后，得到混合料；

（2）将混合料置于螺杆挤出机中，经过熔融、挤出、造粒后，得到混合粒料；

（3）将混合粒料经过挤出成型后，得到电力导管。

7.根据权利要求6所述的一种高刚度PVC电力导管的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中的螺杆挤出机中的各区温度为：一区温度140-145℃、二区温度155-165℃、三区温度165-175℃，模头温度为160-170℃。