CN115181352A - 一种电缆护套用阻燃材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电缆护套用阻燃材料及其制备方法，涉及阻燃材料处理领域。本发明利用聚磷酸铵和生物质材料木质素构成膨胀阻燃剂，并使用膨胀石墨和二乙基次膦酸铝作为阻燃协效剂，以及使用聚乙烯辛烯共弹性体作为增韧剂。将上述材料按照一定的比例与聚乙烯熔融共混制备出成型的电缆材料。得到的阻燃电缆护套材料具备阻燃性能优异(氧指数大于30.0％，垂直燃烧等级达到V‑0)，同时获得能够保持良好的力学性能(拉伸强度大于10.0MPa,断裂伸长率大于160.0％)，以上指标均能达到国标“32129‑2015电线电缆用无卤低烟阻燃电缆料”中关于电缆护套材料对于阻燃和力学性能的使用要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种电缆护套用阻燃材料及其制备方法，涉及阻燃材料处理领域。
背景技术
目前，用作电线电缆护套的基体材料主要是聚氯乙烯和聚乙烯等高分子材料。其中以聚氯乙烯作为基体材料的电线电缆护套材料虽然具备成本低廉、机械性能好，耐化学腐蚀、电绝缘性能及加工性能良好等优点。但是其受热分解会释放出HCl等有毒气体，因而逐渐被聚乙烯材料替换。目前工厂生产聚乙烯护套材料用到的阻燃剂主要是卤素类阻燃剂和金属氢氧化物阻燃剂(如氢氧化铝和氢氧化镁)，其中卤素阻燃剂燃烧时会释放大量的烟、腐蚀性和有毒气体，对环境和生命健康都会造成严重的损害，因而逐渐被金属氢氧化物取代。然而，金属氢氧化物阻燃剂极性较大，与聚乙烯电缆材料的相容性较差，且需要较大的添加量才能实现较好的阻燃性能，这将导致在加工过程中两者难以均匀分散，严重降低电缆护套材料的力学性能，影响了电缆的使用性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电缆护套用阻燃材料及其制备方法，具备阻燃性能优异(氧指数大于30.0％，垂直燃烧等级达到V-0)，同时获得能够保持良好的力学性能(拉伸强度大于10.0MPa,断裂伸长率大于160.0％)，以上指标均能达到国标“32129-2015电线电缆用无卤低烟阻燃电缆料”中关于电缆护套材料对于阻燃和力学性能的使用要求。
一种电缆护套用阻燃材料，按照重量份数计算，包括以下原料：
高密度聚乙烯50～70份、聚乙烯辛烯共弹性体20～30份、聚磷酸铵10～25份、碱性木质素3～8份、膨胀石墨8～9份、二乙基次膦酸铝4～8份、抗氧剂1010与抗氧剂168共0.5份。
其中，高密度聚乙烯的特性为：其熔融指数为0.75g/10min(190℃/2.16KG)，拉伸强度≥20MPa，伸长率≥500％，熔点为218～260℃。聚乙烯辛烯共弹性体的特性为：熔融指数为1.2g/10min(190℃/2.16KG)，拉伸强度≥10MPa，伸长率≥1000％，熔点为60℃。聚磷酸铵：聚合度≥1000，磷含量为29％～31％，平均粒径：15μm，且表面经过三聚氰胺处理。碱性木质素：PH值为8.0～10.0，甲氧基含量10.0％～12.0％。膨胀石墨：粒径150目，膨胀倍率≥150％。二乙基次膦酸铝：磷含量23.0％～25.0％，堆密度：0.25g/cm3，平均粒径＜5μm。
阻燃聚乙烯制备流程：
将高密度聚乙烯50～70份、聚乙烯辛烯共弹性体20～30份、聚磷酸铵10～25份、碱性木质素3～8份、膨胀石墨8～9份、二乙基次膦酸铝4～8份、抗氧剂1010与抗氧剂168共0.5份加入到匀速搅拌机中混合20分钟，然后将得到的混合物在双滚筒开炼机中以160℃和每分钟50转的速度进行熔融共混25分钟。之后等待滚筒冷却一小时后可将样片取下，然后进行裁剪，再放入金属模具中，在平板硫化机下热压，温度为170℃，保压时间300秒，然后进行冷却，最终得到厚度分别为1毫米和3毫米的阻燃聚乙烯样片。
本发明利用聚磷酸铵和生物质材料木质素构成膨胀阻燃剂，并使用膨胀石墨和二乙基次膦酸铝作为阻燃协效剂，以及使用聚乙烯辛烯共弹性体作为增韧剂。将上述材料按照一定的比例与聚乙烯熔融共混制备出成型的电缆材料。得到的阻燃电缆护套材料具备阻燃性能优异(氧指数大于30.0％，垂直燃烧等级达到V-0)，同时获得能够保持良好的力学性能(拉伸强度大于10.0MPa,断裂伸长率大于160.0％)，以上指标均能达到国标“32129-2015电线电缆用无卤低烟阻燃电缆料”中关于电缆护套材料对于阻燃和力学性能的使用要求。
本发明利用了膨胀阻燃剂的膨胀炭层包覆作用机理，其中木质素作为膨胀阻燃剂的炭源，聚磷酸铵作为酸源，受热之后，两者会分解成包裹在聚乙烯基体表面的膨胀碳层，起到隔离热量、可燃挥发性气体和氧气的作用，从而阻断燃烧过程。同时利用了膨胀石墨和二乙基次膦酸铝之间的协效作用进一步加强了膨胀炭层的致密性和稳固性，受热之后，膨胀石墨会发生膨胀反应，在材料表面形成一层蠕虫状的碳层，同时二乙基次膦酸铝分解生成焦磷酸盐，焦磷酸盐可能覆盖“蠕虫状”煤焦的表面，从而形成致密的炭层，膨胀阻燃剂产生的膨胀炭层起到互相增强的效果。最后，加入聚乙烯辛烯共弹性体作为增韧剂，原理主要是辛烯的柔软链和结晶的乙烯链作为物理交联点，使其极具有优异的韧性又有良好的加工性。
附图说明
图1为实施例1得到的样品燃烧后生成残碳的数码照片(左)以及扫描电镜照片(中)，样条原长115mm的材料进行拉伸测试之后(拉伸后长度190mm)的照片(右)；
图2为实施例2得到的样品燃烧后生成残碳的数码照片(左)以及扫描电镜照片(中)，样条原长115mm的材料进行拉伸测试之后(拉伸后长度147mm)的照片(右)；
图3为是实施例3得到的样品燃烧后生成残碳的数码照片(左)以及扫描电镜照片(中)，样条原长115mm的材料进行拉伸测试之后(拉伸后长度166mm)的照片(右)。
具体实施方式:
实施例1
(1)称取高密度聚乙烯50份、聚乙烯辛烯共弹性体20份、聚磷酸铵12份、碱木质素4份、膨胀石墨8份、二乙基次膦酸铝4份、抗氧剂1010与抗氧剂168共0.5份，混合均匀；(2)将上述组分，先加入匀速搅拌机中混合20分钟，然后将得到的混合物在双滚筒开炼机中以160℃和每分钟50转的速度进行熔融共混25分钟。之后等待滚筒冷却一小时后可将样片取下，然后进行裁剪，再放入金属模具中，在平板硫化机下热压，温度为170℃，保压时间300秒，然后进行冷却，最终得到厚度分别为1毫米和3毫米的阻燃聚乙烯样片。
将实施例1的产品进行性能测试，测试结果为：按照国标GB/T 2406.2-2009方法测得极限氧指数为31.6％；按照GB/T 2408-2008测试得到垂直燃烧等级为V-0；按照国标GB/T1040.2-2006测得拉伸强度为13.0MPa，断裂伸长率为488.7％。
将得到的样品燃烧后生成残碳的数码照片以及扫描电镜照片如图1中左和中所示，右为材料进行拉伸测试之后的照片(测试样条原长115mm，拉伸后长度190mm)。
实施例2
(1)称取高密度聚乙烯50份、聚乙烯辛烯共弹性体20份、聚磷酸铵11份、碱木质素3.7份、膨胀石墨8份、二乙基次膦酸铝6份、抗氧剂1010与抗氧剂168共0.5份，混合均匀；
(2)将上述组分，先加入匀速搅拌机中混合20分钟，然后将得到的混合物在双滚筒开炼机中以160℃和每分钟50转的速度进行熔融共混25分钟。之后等待滚筒冷却一小时后可将样片取下，然后进行裁剪，再放入金属模具中，在平板硫化机下热压，温度为170℃，保压时间300秒，然后进行冷却，最终得到厚度分别为1毫米和3毫米的阻燃聚乙烯样片。
将实施例1的产品进行性能测试，测试结果为：按照国标GB/T 2406.2-2009方法测得极限氧指数为30.4％；按照GB/T 2408-2008测试得到垂直燃烧等级为V-0；按照国标GB/T1040.2-2006测得拉伸强度为15.5MPa，断裂伸长率为204.7％。
将得到的样品燃烧后生成残碳的数码照片以及扫描电镜照片如图2中左和中所示，右为材料进行拉伸测试之后的照片(测试样条原长115mm，拉伸后长度147mm)。
实施例3
(1)称取高密度聚乙烯50份、聚乙烯辛烯共弹性体20份、聚磷酸铵10份、碱木质素3.3份、膨胀石墨8份、二乙基次膦酸铝8份、抗氧剂1010与抗氧剂168共0.5份，混合均匀；(2)将上述组分，先加入匀速搅拌机中混合20分钟，然后将得到的混合物在双滚筒开炼机中以160℃和每分钟50转的速度进行熔融共混25分钟。之后等待滚筒冷却一小时后可将样片取下，然后进行裁剪，再放入金属模具中，在平板硫化机下热压，温度为170℃，保压时间300秒，然后进行冷却，最终得到厚度分别为1毫米和3毫米的阻燃聚乙烯样片。
将实施例1的产品进行性能测试，测试结果为：按照国标GB/T 2406.2-2009方法测得极限氧指数为32.4％；按照GB/T 2408-2008测试得到垂直燃烧等级为V-0；按照国标GB/T1040.2-2006测得拉伸强度为14.2MPa，断裂伸长率为331.8％。
将得到的样品燃烧后生成残碳的数码照片以及扫描电镜照片如图3中左和中所示，右为材料进行拉伸测试之后的照片(测试样条原长115mm，拉伸后长度166mm)。
比较例1
(1)称取高密度聚乙烯70份、聚磷酸铵22.5份、碱木质素7.5份、抗氧剂1010与抗氧剂168共0.5份，混合均匀；(2)将上述组分，先加入匀速搅拌机中混合20分钟，然后将得到的混合物在双滚筒开炼机中以160℃和每分钟50转的速度进行熔融共混25分钟。之后等待滚筒冷却一小时后可将样片取下，然后进行裁剪，再放入金属模具中，在平板硫化机下热压，温度为170℃，保压时间300秒，然后进行冷却，最终得到厚度分别为1毫米和3毫米的阻燃聚乙烯样片。
将比较例1的产品进行性能测试，测试结果为：按照国标GB/T 2406.2-2009方法测得极限氧指数为23.8％；按照GB/T 2408-2008测试得到垂直燃烧等级为无等级；按照国标GB/T1040.2-2006测得拉伸强度为14.7MPa，断裂伸长率为21.5％。
比较例2
(1)称取高密度聚乙烯70份、聚磷酸铵16.2份、碱木质素5.4份、膨胀石墨8.4份、抗氧剂1010与抗氧剂168共0.5份，混合均匀；(2)将上述组分，先加入匀速搅拌机中混合20分钟，然后将得到的混合物在双滚筒开炼机中以160℃和每分钟50转的速度进行熔融共混25分钟。之后等待滚筒冷却一小时后可将样片取下，然后进行裁剪，再放入金属模具中，在平板硫化机下热压，温度为170℃，保压时间300秒，然后进行冷却，最终得到厚度分别为1毫米和3毫米的阻燃聚乙烯样片。
将比较例2的产品进行性能测试，测试结果为：按照国标GB/T 2406.2-2009方法测得极限氧指数为28.5％；按照GB/T 2408-2008测试得到垂直燃烧等级为V-0；按照国标GB/T1040.2-2006测得拉伸强度为15.3MPa，断裂伸长率为16.7％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种电缆护套用阻燃材料，按照重量份数计算，包括以下制备原料：高密度聚乙烯50～70份、聚乙烯辛烯共弹性体20～30份、聚磷酸铵10～25份、碱性木质素3～8份、膨胀石墨8～9份、二乙基次膦酸铝4～8份、抗氧剂0.5份。
2.根据权利要求1所述阻燃材料，其特征在于，所述高密度聚乙烯的熔融指数为0.75g/10min(190℃/2.16KG)，拉伸强度≥20MPa，伸长率≥500％，熔点为218～260℃。
3.根据权利要求1所述阻燃材料，其特征在于，所述聚乙烯辛烯共弹性体的熔融指数为1.2g/10min(190℃/2.16KG)，拉伸强度≥10MPa，伸长率≥1000％，熔点为60℃。
4.根据权利要求1所述阻燃材料，其特征在于，所述聚磷酸铵的聚合度≥1000，磷含量为29％～31％，平均粒径：15μm，且表面经过三聚氰胺处理。
5.根据权利要求1所述阻燃材料，其特征在于，所述碱性木质素的pH值为8.0～10.0，甲氧基含量10.0％～12.0％。
6.根据权利要求1所述阻燃材料，其特征在于，所述膨胀石墨的粒径150目，膨胀倍率≥150％。
7.根据权利要求1所述阻燃材料，其特征在于，所述二乙基次膦酸铝的磷含量23.0％～25.0％，堆密度：0.25g/cm3，平均粒径＜5μm。
8.根据权利要求1所述阻燃材料，其特征在于，所述抗氧剂包括抗氧剂1010与抗氧剂168。
9.权利要求1～8任一项所述阻燃材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将高密度聚乙烯、聚乙烯辛烯共弹性体、聚磷酸铵、碱性木质素、膨胀石墨、二乙基次膦酸铝和抗氧剂混合，然后将得到的混合物熔融共混，冷却得所述阻燃材料。
10.根据权利要求9所述制备方法，其特征在于，还包括对所述阻燃材料进行裁剪、热压和冷却，得阻燃聚乙烯片。
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