CN116178933B - 一种高阻燃高耐磨电缆材料及电缆 - Google Patents

一种高阻燃高耐磨电缆材料及电缆 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电缆绝缘材料技术领域，提出了一种高阻燃高耐磨电缆材料及电缆。所述一种高阻燃高耐磨电缆材料，包括以下质量份数的组分：热塑性聚氨酯弹性体90份、聚氯乙烯10份、填料15~25份、抗氧剂0.3~0.5份、润滑剂0.3~0.5份、氧化石墨烯‑稀土氧化物复合材料15~25份；所述电缆，从外到内依次包括护套层、绝缘层和导电线芯，所述护套层由所述的高阻燃高耐磨电缆材料制得。通过上述技术方案，解决了现有技术中的聚氨酯电缆材料阻燃性差或力学强度低的问题。

Description

一种高阻燃高耐磨电缆材料及电缆
技术领域
本发明涉及电缆绝缘材料技术领域，具体的，涉及一种高阻燃高耐磨电缆材料及电缆。
背景技术
在科技、经济迅速发展的今天，随着电器产品的大量使用、电缆的大负荷传输，电气问题引发的火灾越来越常见。如果电缆材料阻燃性能差的话，更是会带来二次火灾，给人民群众带来巨大的经济损失，甚至会危害到人身安全。因此，人们对于电缆材料的阻燃性能愈发重视，对电缆行业提出了更高的阻燃性能要求。此外，由于电缆材料的耐磨性直接决定了电缆的使用寿命，因此人们更倾向于选择阻燃性好、耐磨性好的电缆材料制备的电缆。
聚氨酯类热塑性弹性体具有优异的耐磨性能，被广泛应用于电缆材料，但是聚氨酯属易燃聚合物，而且燃烧时会释放出剧毒烟气，阻燃性差是聚氨酯材料最致命的缺陷。目前为了提高聚氨酯材料的阻燃性往往会添加大量的阻燃剂，虽然阻燃剂的添加能够赋予优异的阻燃性能，但只有添加大量的无机阻燃剂才能达到材料阻燃要求，而由于阻燃剂的大量添加会导致无机物与基材之间的相容性差，使材料的力学性能大幅度下降。因此，如何优化聚氨酯电缆材料的燃烧性能与力学性能一直是研究的重点。
发明内容
本发明提出一种高阻燃高耐磨电缆材料及电缆，解决了相关技术中的聚氨酯电缆材料阻燃性差或力学强度低的问题。
本发明的技术方案如下：
一种高阻燃高耐磨电缆材料，包括以下质量份数的组分：热塑性聚氨酯弹性体90份、聚氯乙烯10份、填料15~25份、抗氧剂0.3~0.5份、润滑剂0.3~0.5份、氧化石墨烯-稀土氧化物复合材料15~25份。
作为进一步的技术方案，所述氧化石墨烯-稀土氧化物复合材料的制备方法，包括以下步骤：先用硅烷偶联剂对稀土氧化物改性，得到功能化稀土氧化物，再将功能化稀土氧化物与氧化石墨烯水溶液混合焙烧，得到氧化石墨烯-稀土氧化物复合材料。
作为进一步的技术方案，所述稀土氧化物与硅烷偶联剂的质量比为1.5:5。
作为进一步的技术方案，所述氧化石墨烯水溶液的浓度为0.5mg/mL；
所述功能化稀土氧化物与氧化石墨烯水溶液的质量比为1.5:15。
作为进一步的技术方案，所述焙烧温度为450~550℃，焙烧时间为3~5h。
作为进一步的技术方案，所述稀土氧化物包括氧化铈、氧化镧、氧化钇中的一种或几种。
作为进一步的技术方案，所述硅烷偶联剂包括3-氨丙基三乙氧基硅烷、N-（β-氨乙基）-γ-氨丙基三甲氧基硅烷中的一种或几种。
作为进一步的技术方案，还包括聚环氧丙烷二缩水甘油醚5~15份或三羟甲基丙烷三缩水甘油醚5~15份。
作为进一步的技术方案，还包括聚环氧丙烷二缩水甘油醚5~15份。
本发明通过加入聚环氧丙烷二缩水甘油醚提高了电缆材料的力学强度，主要是由于聚环氧丙烷二缩水甘油醚分子结构中含有两个环氧基团，在制备电缆材料的过程中一端的环氧基团与热塑性聚氨酯弹性体作用，另一端的环氧基团与氧化石墨烯-稀土氧化物复合材料作用，从而提高了电缆材料的力学强度。
作为进一步的技术方案，所述热塑性聚氨酯弹性体与聚环氧丙烷二缩水甘油醚的质量比为9:1。
本发明将热塑性聚氨酯弹性体与聚环氧丙烷二缩水甘油醚的质量比优化为9:1，进一步提高了电缆材料的力学强度。
作为进一步的技术方案，所述填料包括硅酸锆、二氧化硅、炭黑中的一种或几种；
所述抗氧剂包括抗氧剂168、抗氧剂2246中的一种或几种；
所述润滑剂包括硬脂酸、聚乙烯蜡中的一种或几种。
一种电缆，从外到内依次包括护套层、绝缘层和导电线芯，所述护套层由所述的高阻燃高耐磨电缆材料制得。
本发明的工作原理及有益效果为：
本发明提供了一种高阻燃高耐磨电缆材料及电缆，选择热塑性聚氨酯弹性体和聚氯乙烯作为电缆材料的基材，一方面利用聚氯乙烯改善聚氨酯电缆材料阻燃性，另一方面通过添加氧化石墨烯-稀土氧化物复合材料提高了聚氨酯电缆材料的阻燃性和力学强度，解决了现有技术中存在的阻燃剂的大量添加导致材料的力学性能大幅度下降的问题，达到了同时提高聚氨酯电缆材料的阻燃性和力学强度的效果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都涉及本发明保护的范围。
以下实施例及对比例中氧化石墨烯水溶液的浓度为0.5mg/mL，购自南京先丰纳米材料科技有限公司；热塑性聚氨酯弹性体为热塑性聚氨酯弹性体192X；聚氯乙烯为工业级，购自郑州汇聚化工有限公司。
实施例1
S1、制备氧化石墨烯-氧化镧复合材料：将30份氧化镧超声分散在4000份水中，加入100份N-（β-氨乙基）-γ-氨丙基三甲氧基硅烷，搅拌40min后，用乙醇洗涤3次、干燥，得到功能化氧化镧，取30份功能化氧化镧、300份氧化石墨烯水溶液分散在4000份水中，搅拌2h后，用乙醇洗涤3次，在500℃保温4h，得到氧化石墨烯-氧化镧复合材料；
S2、将热塑性聚氨酯弹性体90份、聚氯乙烯10份混合均匀后，加入氧化石墨烯-氧化镧复合材料20份、硅酸锆20份、抗氧剂2246 0.4份、聚乙烯蜡0.4份、在160℃熔融共混后，挤出成型，得到电缆材料。
实施例2
S1、与实施例1中S1相同；
S2、将热塑性聚氨酯弹性体90份、聚氯乙烯10份混合均匀后，加入氧化石墨烯-氧化镧复合材料15份、硅酸锆20份、抗氧剂2246 0.4份、聚乙烯蜡0.4份、在160℃熔融共混后，挤出成型，得到电缆材料。
实施例3
S1、与实施例1中S1相同；
S2、将热塑性聚氨酯弹性体90份、聚氯乙烯10份混合均匀后，加入氧化石墨烯-氧化镧复合材料25份、硅酸锆20份、抗氧剂2246 0.4份、聚乙烯蜡0.4份、在160℃熔融共混后，挤出成型，得到电缆材料。
实施例4
S1、与实施例1中S1相同；
S2、将热塑性聚氨酯弹性体90份、聚氯乙烯10份混合均匀后，加入氧化石墨烯-氧化镧复合材料25份、聚环氧丙烷二缩水甘油醚10份、硅酸锆20份、抗氧剂2246 0.4份、聚乙烯蜡0.4份、在160℃熔融共混后，挤出成型，得到电缆材料。
实施例5
S1、与实施例1中S1相同；
S2、将热塑性聚氨酯弹性体90份、聚氯乙烯10份混合均匀后，加入氧化石墨烯-氧化镧复合材料25份、聚环氧丙烷二缩水甘油醚5份、硅酸锆20份、抗氧剂2246 0.4份、聚乙烯蜡0.4份、在160℃熔融共混后，挤出成型，得到电缆材料。
实施例6
S1、与实施例1中S1相同；
S2、将热塑性聚氨酯弹性体90份、聚氯乙烯10份混合均匀后，加入氧化石墨烯-氧化镧复合材料25份、聚环氧丙烷二缩水甘油醚15份、硅酸锆20份、抗氧剂2246 0.4份、聚乙烯蜡0.4份、在160℃熔融共混后，挤出成型，得到电缆材料。
实施例7
S1、与实施例1中S1相同；
S2、将热塑性聚氨酯弹性体90份、聚氯乙烯10份混合均匀后，加入氧化石墨烯-氧化镧复合材料25份、三羟甲基丙烷三缩水甘油醚10份、硅酸锆20份、抗氧剂2246 0.4份、聚乙烯蜡0.4份、在160℃熔融共混后，挤出成型，得到电缆材料。
实施例8
S1、制备氧化石墨烯-氧化铈复合材料：将30份氧化铈超声分散在3000份水中，加入100份N-（β-氨乙基）-γ-氨丙基三甲氧基硅烷，搅拌40min后，用乙醇洗涤3次、干燥，得到功能化氧化铈，取30份功能化氧化铈、300份氧化石墨烯水溶液分散在3000份水中，搅拌2h后，用乙醇洗涤3次，在450℃保温5h，得到氧化石墨烯-氧化铈复合材料；
S2、将热塑性聚氨酯弹性体90份、聚氯乙烯10份混合均匀后，加入氧化石墨烯-氧化铈复合材料25份、聚环氧丙烷二缩水甘油醚10份、二氧化硅15份、抗氧剂2246 0.3份、聚乙烯蜡0.3份、在160℃熔融共混后，挤出成型，得到电缆材料。
实施例9
S1、制备氧化石墨烯-氧化钇复合材料：将30份氧化钇超声分散在5000份水中，加入100份3-氨丙基三乙氧基硅烷，搅拌40min后，用乙醇洗涤3次、干燥，得到功能化氧化钇，取30份功能化氧化钇、300份氧化石墨烯水溶液分散在5000份水中，搅拌2h后，用乙醇洗涤3次，在550℃保温3h，得到氧化石墨烯-氧化钇复合材料；
S2、将热塑性聚氨酯弹性体90份、聚氯乙烯10份混合均匀后，加入氧化石墨烯-氧化钇复合材料25份、聚环氧丙烷二缩水甘油醚10份、炭黑25份、抗氧剂168 0.5份、硬脂酸0.5份、在160℃熔融共混后，挤出成型，得到电缆材料。
对比例1
将热塑性聚氨酯弹性体90份、聚氯乙烯10份混合均匀后，加入氧化镧20份、硅酸锆20份、抗氧剂2246 0.4份、聚乙烯蜡0.4份、在160℃熔融共混后，挤出成型，得到电缆材料。
对比例2
将热塑性聚氨酯弹性体90份、聚氯乙烯10份混合均匀后，加入氧化镧20份、氧化石墨烯1份、硅酸锆20份、抗氧剂2246 0.4份、聚乙烯蜡0.4份、在160℃熔融共混后，挤出成型，得到电缆材料。
将实施例1~9及对比例1~2得到的电缆材料参考GB/T 2406.2-2009《塑料 用氧指数法测定燃烧行为 第2部分：室温试验》的方法进行氧指数的测试；参考GB/T 2951.11-2008《电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法 第11部分：通用试验方法 厚度和外形尺寸测量 机械性能试验》的方法进行拉伸强度的测试，测试结果记录在表1。
表1 电缆材料的氧指数和拉伸强度
由表1可以看出，本发明提供的电缆材料氧指数在28.1%以上，拉伸强度在34.3MPa以上，具有良好的阻燃性能和力学强度。
对比例1~2与实施例1相比，对比例1中添加的是氧化镧，对比例2中直接添加的氧化镧和氧化石墨烯，实施例1中添加的是氧化石墨烯-氧化镧复合材料，实施例1得到的电缆材料的拉伸强度高于对比例1~2。说明使用氧化石墨烯修饰氧化镧后，可以改善氧化镧与电缆材料间的相容性，从而提高电缆材料的力学强度。
实施例1与实施例3相比，实施例1中氧化石墨烯-氧化镧复合材料20份，实施例3中氧化石墨烯-氧化镧复合材料25份，虽然实施例3得到的电缆材料的氧指数高于实施例1，但是拉伸强度低于实施例1。说明氧化石墨烯-稀土氧化物复合材料的大量添加也存在与基材之间的相容性差，导致材料的力学性能大幅度下降的问题。
与实施例3相比，实施例4~6中添加了聚环氧丙烷二缩水甘油醚，实施例7中添加了三羟甲基丙烷三缩水甘油醚，实施例4~7得到的电缆材料的拉伸强度显著高于实施例3。说明添加聚环氧丙烷二缩水甘油醚或三羟甲基丙烷三缩水甘油醚可以改善氧化石墨烯-稀土氧化物复合材料与电缆材料间的相容性，进一步提高电缆材料的力学强度。
以上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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高阻燃高耐磨电缆材料，其特征在于，包括以下质量份数的组分：热塑性聚氨酯弹性体90份、聚氯乙烯10份、填料15~25份、抗氧剂0.3~0.5份、润滑剂0.3~0.5份、氧化石墨烯-稀土氧化物复合材料15~25份；
还包括聚环氧丙烷二缩水甘油醚5~15份或三羟甲基丙烷三缩水甘油醚5~15份；
所述氧化石墨烯-稀土氧化物复合材料的制备方法，包括以下步骤：先用硅烷偶联剂对稀土氧化物改性，得到功能化稀土氧化物，再将功能化稀土氧化物与氧化石墨烯水溶液混合焙烧，得到氧化石墨烯-稀土氧化物复合材料；
所述稀土氧化物与硅烷偶联剂的质量比为1.5:5；
所述氧化石墨烯水溶液的浓度为0.5mg/mL；
所述功能化稀土氧化物与氧化石墨烯水溶液的质量比为1.5:15；
所述焙烧温度为450~550℃，焙烧时间为3~5h。
2.根据权利要求1所述的一种高阻燃高耐磨电缆材料，其特征在于，还包括聚环氧丙烷二缩水甘油醚5~15份。
3.根据权利要求2所述的一种高阻燃高耐磨电缆材料，其特征在于，所述热塑性聚氨酯弹性体与聚环氧丙烷二缩水甘油醚的质量比为9:1。
4.根据权利要求1所述的一种高阻燃高耐磨电缆材料，其特征在于，所述填料包括硅酸锆、二氧化硅、炭黑中的一种或几种；
所述抗氧剂包括抗氧剂168、抗氧剂2246中的一种或几种；
所述润滑剂包括硬脂酸、聚乙烯蜡中的一种或几种。
5.一种电缆，从外到内依次包括护套层、绝缘层和导电线芯，其特征在于，所述护套层由权利要求1~4任意一项所述的高阻燃高耐磨电缆材料制得。
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