CN115678150B - 一种高性能阻燃聚乙烯护套料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高分子复合材料技术领域，尤其涉及一种高性能阻燃聚乙烯护套料及其制备方法。本发明提供的高性能阻燃聚乙烯护套料，通过向组成配方中加入负载型阻燃成炭剂及分步加入原料的方法，所得的护套料不仅具有良好的阻燃性，同时还具有优异的力学性能和电气性能，可以满足不同客户的使用要求和性能要求。该护套料可用于电线电缆的生产加工领域，尤其适于制备30kV及以上的中高压电线电缆的护套。
Description
技术领域
本发明涉及高分子复合材料技术领域，尤其涉及一种高性能阻燃聚乙烯护套料及其制备方法。
背景技术
电线电缆作为人们生活中的必需品，其使用寿命及能否安全使用将直接影响人们的生活，为了加强对电线电缆的保护，延长其使用寿命并提高其安全系数，人们经常对铺设的电线电缆外加一层“护套”，生产“护套”的材料为“护套料”。普通的低烟无卤类护套料虽然阻燃性好、氧指数高，但其力学性能、电气性能较差，且具有较强的吸湿性，在潮湿环境中电气性能容易大幅降低，不能满足不同工作环境下的使用要求，尤其是不能满足现在的国网电力施工过程中，中高压电缆所处的地下潮湿的环境（埋地施工）以及地下管道施工（敷设）环境对所用护套性能的要求，因此仅适用于部分低压电缆。而力学性能、加工性能、电气绝缘性能等均较优异的传统非阻燃聚乙烯护套料却因不具有阻燃性能而在使用过程中存在较高的安全隐患，从而使其使用受到限制。
阻燃聚乙烯护套料，不仅能适应新的施工工艺和工作环境，同时还可以发挥阻燃的作用，从而保证电线电缆正常的工作与运行。但是根据对已有的对阻燃聚乙烯护套料的研究发现，目前的阻燃聚乙烯护套料的力学性能、电气性能与阻燃性能很难同时具备，无法满足不同工作环境下的使用要求，使其应用受到限制。
发明内容
针对以上技术问题，本发明提供一种高性能阻燃聚乙烯护套料及其制备方法，该高性能阻燃聚乙烯护套料具有优异的阻燃性和力学性能，既可以保证由其生产得到的护套料具有理想的阻燃性，又能使其基础的力学性能和电气性能不受影响。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供一种高性能阻燃聚乙烯护套料，以质量份数计，包括以下组成：
高密度聚乙烯 40-70份；
双峰聚乙烯 5-15份；
低密度聚乙烯 10-30份；
马来酸酐接枝聚乙烯 10-20份；
负载型阻燃成炭剂 30-50份；
无机阻燃剂 20-40份；
有机杂化硅聚合物 4-10份；
抗氧剂 0.8-1.2份；
加工助剂 0.8-2.0份；
其中，负载型阻燃成炭剂的成分包括层状硅酸盐、介孔二氧化硅、硅灰石纤维、粉体P-N系列阻燃剂和液体磷酸酯类阻燃剂，所述粉体P-N系列阻燃剂和液体磷酸酯类阻燃剂的质量总和在所述负载型阻燃成炭剂的质量中所占百分比为28%-45%。
本发明提供的高性能阻燃聚乙烯护套料，组分中含有高密度聚乙烯、双峰聚乙烯、低密度聚乙烯和马来酸酐接枝聚乙烯，可以保证所得阻燃聚乙烯护套料具有优异的力学性能；该护套料的组分中还引入了包括层状硅酸盐、介孔二氧化硅、硅灰石纤维、粉体P-N系列阻燃剂和液体磷酸酯类阻燃剂在内的负载型阻燃成炭剂，该负载型阻燃成炭剂的加入可以进一步提高所得阻燃聚乙烯护套料的力学性能和电气性能并同时使其具有优异的阻燃性。
结合第一方面，所述高密度聚乙烯的熔融指数在2.0g/10min以下，所述双峰聚乙烯的熔融指数在4.0g/10min以下，所述低密度聚乙烯的熔融指数为2.0-4.0g/10min，选择具有不同熔融指数的聚乙烯可以有效平衡所得护套料的加工挤出工艺和电气性能，保证所得护套的耐热变形性能，保证加工过程中熔融温度范围的广泛适应性以及具有适当的熔融粘度。
结合第一方面，所述马来酸酐接枝聚乙烯的接枝率为0.8%-1.2%，优选为1.0%。
结合第一方面，所述无机阻燃剂为表面经过有机硅烷处理的氢氧化镁，目数在5000目以上，经过有机硅烷处理的氢氧化镁具有更好的阻燃性，而使用5000目以上的无机阻燃剂则能够使其在护套料及制备所得护套中分散更加均匀。
结合第一方面，所述有机杂化硅聚合物为有机硅烷的羟基改性产品，包括乙氧基改性聚硅氧烷、氨基改性聚硅氧烷或环氧改性聚硅氧烷中的至少一种，有机杂化硅聚合物除可以提高所得阻燃聚乙烯护套料的阻燃性外，还可以起到分散剂的作用，有效地降低护套材料成品在微观结构上的相分离。
结合第一方面，所述抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168中的至少一种。
结合第一方面，所述加工助剂包括聚乙烯蜡和硅酮母粒，所述聚乙烯蜡在所述加工助剂中的含量为0wt%~40wt%。
本发明的第二方面提供一种高性能阻燃聚乙烯护套料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将所述负载型阻燃成炭剂和无机阻燃剂混合均匀后，加入所述有机杂化硅聚合物并混合均匀，加入剩余物料，混匀；
S2、将S1中混匀的物料通过挤出造粒法制得护套料颗粒。
本发明提供的制备方法采用先将所述负载型阻燃成炭剂和无机阻燃剂与有机杂化硅聚合物混合一定时间后再加入其余组分，此操作可以使有机杂化硅聚合物预先对上述2种阻燃剂进行表面处理，提高其阻燃性。
S2中的挤出造粒法可采用双阶双螺杆-单螺杆挤出机，熔融挤出后依次经造粒、风冷和筛分，即得护套料颗粒。
结合第二方面，S1中混合均匀的物料的温度不高于40℃，此温度下可保证物料能够混合均匀，并防止部分物料因温度升高出现粘连。
结合第二方面，S2中所述熔融挤出的温度为120℃-180℃，其中，所述双阶双螺杆挤出机的温度分段为：进料段120℃-140℃，压缩段140℃-180℃，均化段140℃-160℃，单螺杆挤出机的温度范围为120℃-140℃，此温度范围的设定可以实现原料正常的加工挤出过程。
本发明提供的高性能阻燃聚乙烯护套料，通过对组成配方及制备方法的改进，所得的护套料不仅具有良好的阻燃性，并且阻燃性的提高并未使护套料的力学性能和电气性能受到负面影响，可以满足不同客户的使用要求和性能要求。该护套料可用于电线电缆的生产加工领域，尤其适于制备30kV及以上的中高压电线电缆的护套，而且，该护套料的组分中未使用传统的聚烯烃弹性体和乙烯-醋酸乙烯共聚物，因此具有更低的吸水性和更高的耐热变形性等附加性能，降低了电线电缆在使用过程中出现安全事故的风险。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面分多个实施例对本发明实施例进行进一步的说明。
本发明实施例及对比例中含有的负载型阻燃成炭剂可按照如下方法制备得到：
以100g载体为基准，将层状硅酸盐、介孔二氧化硅和硅灰石纤维依次按照一定的质量百分比进行混合，之后将混合物温度升高至140℃-200℃，加入一定质量百分比（指占载体质量的百分比）的粉状P-N系列阻燃剂，进行阻燃剂的负载，保持此温度并搅拌40min后，调整保温温度为60℃，待温度降至（60±2）℃时，加入一定质量百分比（指占载体质量的百分比）的液体磷酸酯类阻燃剂，继续搅拌，即得负载型阻燃成炭剂。其中，各实施例和对比例所用层状硅酸盐、介孔二氧化硅、硅灰石纤维、粉状P-N系列阻燃剂（聚磷酸三聚氰胺MPP、多聚磷酸盐APP、次膦酸铝ADP、氰尿酸三聚氰胺MCA等中的一种或多种）和液体磷酸酯类阻燃剂（磷酸甲苯二苯酯CDP、磷酸三（二甲苯）酯TXP、异丙基化磷酸三苯酯IPPP等中的一种或多种）的具体组分及添加量见表1。
表1 实施例1-10和对比例1、对比例3中所用负载型阻燃成炭剂的组分及添加量
本发明实施例中所用有机杂化硅聚合物为乙氧基改性聚硅氧烷，所用抗氧剂为抗氧剂1010，所用加工助剂中聚乙烯蜡的含量为20wt%，所用马来酸酐接枝聚乙烯的接枝率为1.0%。
实施例1
本发明实施例提供一种高性能阻燃聚乙烯护套料，其各组分的质量份数如表1所示，具体制备方法如下：
S1、将负载型阻燃成炭剂和无机阻燃剂加入高速混合机内，混合2min，加入有机杂化硅聚合物，继续混合4min后，加入剩余物料并混合均匀，并保证混合过程中的物料温度不高于40℃；
S2、将经S1混合均匀的物料通过双阶双螺杆-单螺杆挤出机，熔融挤出，再经过模面热切造粒机造粒后风冷成型，经振动筛筛分后即得护套料颗粒，包装即可。
其中，熔融挤出步骤的温度设置为：双阶双螺杆挤出机的进料段温度120℃-140℃，压缩段140℃-180℃，均化段140℃-160℃，单螺杆挤出机的温度范围为120℃-140℃。
实施例2-4
本发明实施例2-4均提供一种高性能阻燃聚乙烯护套料，其制备方法与实施例1相同，但护套料的组分中聚乙烯树脂的添加比例与实施例1均不相同，具体如表2所示。
实施例5
本发明实施例提供一种高性能阻燃聚乙烯护套料，其制备方法与实施例1相同，但护套料的组分中负载型阻燃成炭剂和无机阻燃剂的添加比例与实施例2不同，具体如表2所示。
实施例6
本发明实施例提供一种高性能阻燃聚乙烯护套料，其制备方法与实施例1相同，但护套料的组分中无机阻燃剂和有机杂化硅聚合物的添加比例与实施例5不同，具体如表2所示。
实施例7
本发明实施例提供一种高性能阻燃聚乙烯护套料，其制备方法与实施例1相同，但护套料的组分中负载型阻燃成炭剂和无机阻燃剂的添加比例与实施例6不同，具体如表2所示。
实施例8-10
本发明实施例8-10均提供一种高性能阻燃聚乙烯护套料，其制备方法与实施例1相同，但护套料的组分中所用负载型阻燃成炭剂的具体组分均不相同，具体如表1、表2所示。
对比例1
本发明对比例提供一种高性能阻燃聚乙烯护套料，其制备方法与实施例1相同，但护套料的组分中负载型阻燃成炭剂的添加比例与实施例1不同，添加市售产品红磷阻燃剂的同时，不加入有机杂化硅聚合物，具体如表2所示。
对比例2
本发明对比例提供一种高性能阻燃聚乙烯护套料，其制备方法与实施例1相同，但护套料的组分中无机阻燃剂的添加比例与实施例1不同，添加市售产品二乙基次膦酸铝的同时，不加入负载型阻燃成炭剂，具体如表2所示。
对比例3
本发明对比例提供一种高性能阻燃聚乙烯护套料的制备方法，其组分配比与实施例1相同但制备方法有所不同，其制备方法与实施例1的区别在于S1步骤中，本对比例将所有组分同时加入高速混合机内，混合6min，其余步骤与实施例1相同。
表2 实施例1-10和对比例1-3的组分及其质量份数
检验例
对实施例1-10以及对比例1-3所得的护套料产品颗粒按照团体标准《T/SHPTA023.1-2022 电线电缆用阻燃聚乙烯电缆料第1部分：护套料》进行压片，再根据表3所示的测试标准进行力学性能、阻燃性及电气性能的测试，各项性能测试结果如表4所示。
表3 各项性能的测试标准
表4 实施例1-10及对比例1-3所得护套料的各项测试结果
通过表4的测试结果可以看出，本发明提供的高性能阻燃聚乙烯的组成配方，在引入负载型阻燃成炭剂后得到的护套料的阻燃性明显提高，且20℃时的体积电阻率均在3.0*1013（Ω•m）及以上，拉伸强度均在15MPa以上，断裂伸长率均在400%以上，均满足团体标准《T/SHPTA 023.1-2022 电线电缆用阻燃聚乙烯电缆料第1部分：护套料》中的最高要求的标准值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高性能阻燃聚乙烯护套料，其特征在于，以质量份数计，包括以下组成：
高密度聚乙烯 40-70份；
双峰聚乙烯 5-15份；
低密度聚乙烯 10-30份；
马来酸酐接枝聚乙烯 10-20份；
负载型阻燃成炭剂 30-50份；
无机阻燃剂 20-40份；
有机杂化硅聚合物 4-10份；
抗氧剂 0.8-1.2份；
加工助剂 0.8-2.0份；
其中，负载型阻燃成炭剂的成分包括层状硅酸盐、介孔二氧化硅、硅灰石纤维、粉体P-N系列阻燃剂和液体磷酸酯类阻燃剂，所述粉体P-N系列阻燃剂和液体磷酸酯类阻燃剂的质量总和在所述负载型阻燃成炭剂的质量中所占百分比为28%-45%；所述无机阻燃剂为表面经过有机硅烷处理的氢氧化镁，目数在5000目以上；所述有机杂化硅聚合物为有机硅烷的羟基改性产品，包括乙氧基改性聚硅氧烷、氨基改性聚硅氧烷或环氧改性聚硅氧烷中的至少一种；所述高性能阻燃聚乙烯护套料的制备方法包括以下步骤：
S1、将所述负载型阻燃成炭剂和无机阻燃剂混合均匀后，加入所述有机杂化硅聚合物并混合均匀，加入剩余物料，混匀；
S2、将S1中混匀的物料通过挤出造粒法制得护套料颗粒。
2.如权利要求1所述的高性能阻燃聚乙烯护套料，其特征在于，所述高密度聚乙烯的熔融指数在2.0g/10min以下；和/或
所述双峰聚乙烯的熔融指数在4.0g/10min以下；和/或
所述低密度聚乙烯的熔融指数为2.0-4.0g/10min。
3.如权利要求1所述的高性能阻燃聚乙烯护套料，其特征在于，所述马来酸酐接枝聚乙烯的接枝率为0.8%-1.2%。
4.如权利要求1所述的高性能阻燃聚乙烯护套料，其特征在于，所述抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168中的至少一种。
5.如权利要求1所述的高性能阻燃聚乙烯护套料，其特征在于，所述加工助剂包括聚乙烯蜡和硅酮母粒，所述聚乙烯蜡在所述加工助剂中的含量为0wt%~40wt%。
6.如权利要求1所述的高性能阻燃聚乙烯护套料，其特征在于，S1中混合均匀的物料的温度不高于40℃。
7.如权利要求1所述的高性能阻燃聚乙烯护套料，其特征在于，S2中熔融挤出的温度为120℃-180℃。
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