CN116199994B - 一种阻燃型铝合金电缆及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及电缆制造技术领域，具体公开了一种阻燃型铝合金电缆及其制备方法。一种阻燃型铝合金电缆，其包括导体和护套，所述护套包裹在导体表面；以护套的总重计，所述护套包括如下原料：改性线性低密度聚乙烯、复合阻燃剂、硅烷偶联剂、锡酸锌、硬脂酸钇、增塑剂和抗氧化剂；所述改性线性低密度聚乙烯通过硅烷接枝改性制得；以纳米复合阻燃剂的总重计，所述纳米复合阻燃剂包括如下原料：氢氧化镁、甲基聚硅氧烷、硅酮粉、可膨胀石墨和有机蒙脱土。本申请得到的阻燃型铝合金电缆的极限氧指数最高可达到57%，无焰和有焰的烟密度最低分别为95kg•m^‑3和45kg•m^‑3，UL94垂直燃烧等级达到了V‑0，提高了铝合金电缆的阻燃性。

Description

一种阻燃型铝合金电缆及其制备方法

技术领域

本申请涉及电缆制造技术领域，更具体地说，它涉及一种阻燃型铝合金电缆及其制备方法。

背景技术

铝合金电缆是以AA8030系列铝合金材料为导体，采用特殊辊压成型型线绞合生产工艺和退火处理等先进技术的新型材料电力电缆。由于铝合金电缆的弯曲性、抗蠕变性和耐腐蚀性较纯铝电缆均有所提高，可保证电缆在长时间过载和过热时保持连续性能稳定，大大提高了电缆的导电率和耐高温性，且采用铝合金电缆取代铜缆，可减轻电缆重量，降低安装成本，减少设备和电缆的磨损，使铝合金电缆被广泛应用于普通民宅、高层建筑、地铁、机场、医院、公共娱乐场所、隧道、地下建筑、仓库等众多领域。随着人们生活环境日益高层化和密集化，人们对于火灾的防范 也越来越重视，性能良好的阻燃型铝合金电缆成为了人们的迫切需求。

相关技术中，阻燃型铝合金电缆通常在电缆护套原料中加入卤系和磷系阻燃剂以改善电缆的阻燃性，但卤系和磷系阻燃剂在燃烧过程中会产生大量有毒气体，危害人体健康和生态环境，且在护套原料中加入卤系和磷系阻燃剂后铝合金电缆的阻燃性依旧较差。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种阻燃型铝合金电缆及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种阻燃型铝合金电缆，其采用如下技术方案：

一种阻燃型铝合金电缆，其包括导体和护套，所述护套包裹在导体表面；以护套的总重计，所述护套包括如下重量份的原料：改性线性低密度聚乙烯90-110份、纳米复合阻燃剂30-50份、硅烷偶联剂1-3份、锡酸锌5-10份、硬脂酸钇1-3份、增塑剂1-2份和抗氧化剂1-3份；所述改性线性低密度聚乙烯通过硅烷接枝改性制得；

以纳米复合阻燃剂的总重计，所述纳米复合阻燃剂包括如下重量份的原料：氢氧化镁50-70份、甲基聚硅氧烷10-30份、硅酮粉10-15份、可膨胀石墨10-15份和有机蒙脱土1-3份。

本申请护套原料可选用改性线性低密度聚乙烯90-110份、纳米复合阻燃剂30-50份、硅烷偶联剂1-3份、锡酸锌5-10份、硬脂酸钇1-3份、增塑剂1-2份和抗氧化剂1-3份，各原料掺量可以选自各自范围内的任一值，所得到的铝合金电缆的阻燃性均能得到提高，且当改性线性低密度聚乙烯100份、纳米复合阻燃剂40份、硅烷偶联剂2份、锡酸锌7份、硬脂酸钇2份、增塑剂1.5份和抗氧化剂2份，效果最佳。

本申请纳米复合阻燃剂选用氢氧化镁50-70份、甲基聚硅氧烷10-30份、硅酮粉10-15份、可膨胀石墨10-15份和有机蒙脱土1-3份，各原料掺量可以选自各自范围内的任一值，均能提高铝合金电缆的阻燃性，且当氢氧化镁60份、甲基聚硅氧烷20份、硅酮粉13份、可膨胀石墨13份和有机蒙脱土2份，效果最佳。

护套原料选用改性线性低密度聚乙烯作为主要原料，其通过硅烷接枝改性制得，改善线性低密度聚乙烯的耐环境应力开裂性能、纳米复合阻燃剂分散性，解决了铝合金电缆护套易开裂及机械性能差这一问题。锡酸锌作为抑烟剂加入，在提高铝合金电缆阻燃性能的同时，降低了体系的烟释放。硬脂酸钇作为稳定剂加入，能提高铝合金电缆的耐热性能。

纳米复合阻燃剂中加入的氢氧化镁受热时化学分解吸热和释放出水而起到阻燃作用，且其具有无毒、低烟及分解后生成的氧化镁化学性质稳定，不产生二次污染。甲基聚硅氧烷在阻燃过程中生成陶瓷状的SIC焦化层，能起到隔热隔氧作用，另外，加入甲基聚硅氧烷可改善氢氧化镁在复合阻燃剂体系中的分散，提高铝合金电缆的阻燃性。硅酮粉提高阻燃性能，降低烟密度，提高纳米复合阻燃剂的冲击强度，具有良好的稳定性、非迁移性。

可膨胀石墨的鳞片石墨在一定温度下经化学或者电化学氧化插层反应后可生成石墨插层物，石墨插层物在吸收热量后会迅速分解、汽化，导致该插层物瞬间膨胀，瞬间膨胀时通过吸收大量热量可将降低铝合金电缆的表面温度，且还会起到隔绝空气、隔离热量的作用。有机蒙脱土和可膨胀石墨混合加入，可进一步提高铝合金电缆的阻燃性。

作为优选：一种阻燃型铝合金电缆，所述护套包括如下重量份的原料：改性线性低密度聚乙烯95-105份、纳米复合阻燃剂35-45份、硅烷偶联剂1.5-2.5份、锡酸锌7-9份、硬脂酸钇1.5-2.5份、增塑剂1.4-1.8份和抗氧化剂1.5-2.5份。

本申请护套原料可选用改性线性低密度聚乙烯95-105份、纳米复合阻燃剂35-45份、硅烷偶联剂1.5-2.5份、锡酸锌7-9份、硬脂酸钇1.5-2.5份、增塑剂1.4-1.8份和抗氧化剂1.5-2.5份，护套的各原料掺量可以选自各自范围内的任一值，且能进一步提高铝合金电缆的阻燃性。

作为优选：所述硅烷偶联剂与复合纳米阻燃剂的重量份比为1：（20-40）。

通过采用上述技术方案，调整硅烷偶联剂与复合纳米阻燃剂的重量份比，可进一步提高复合纳米阻燃剂在电缆中的阻燃性。

作为优选：所述改性线性低密度聚乙烯通过如下操作制备得到：将乙烯基三甲氧基硅烷滴入线性低密度聚乙烯树脂，搅拌均匀，加入过氧化物引发剂混炼，挤出造粒，干燥，得到改性线性低密度聚乙烯。

通过采用上述技术方案，将硅烷接枝在线性低密度聚乙烯树脂，改善线性低密度聚乙烯的耐环境应力开裂性能、纳米复合阻燃剂分散性，并提高线性低密度聚乙烯树脂的机械性，从而提高铝合金电缆的阻燃性。

作为优选：所述纳米复合阻燃剂通过如下操作制备得到：将纳米复合阻燃剂各原料混炼，熔融挤出，造粒，粉碎，得到纳米复合阻燃剂。

通过采用上述技术方案，复合阻燃剂制成纳米级，提高了复合阻燃剂与其他原料的相容性，且复合阻燃剂的粒径愈小，比表面积就愈大，阻燃效果就愈好，提高了复合阻燃剂阻燃效果。

作为优选：所述复合纳米阻燃剂中还包括10-20重量份的三聚氰胺氰尿酸盐。

通过采用上述技术方案，三聚氰胺氰尿酸盐具有阻燃、发气以及成炭的作用，属于膨胀型阻燃剂，其无毒、热稳定性和润滑性高，其与氢氧化镁混合加入，可在提高阻燃的情况下，提高电缆护套的力学性能，进一步提高铝合金电缆的阻燃性。

作为优选：所述三聚氰胺氰尿酸盐与氢氧化镁的重量份比为1：（3-6）。

通过采用上述技术方案，调节三聚氰胺氰尿酸盐与氢氧化镁的重量份比，可进一步提高铝合金电缆的阻燃作用。

作为优选：所述护套还包括如下重量份原料：坡缕石粉30-50份。

通过采用上述技术方案，坡缕石粉含有微孔，微孔中含有大量阻燃元素镁、铝、结晶水、羟基结构水、沸石分子水和包结水等。坡缕石的多孔和中空结构对气体有着强吸附作用，中空隔热绝热能够阻断热的传递，具有较高的阻燃性能。坡缕石粉加至改性线性低密度聚乙烯，可进一步提高铝合金电缆的阻燃作用。

作为优选：所述坡缕石粉与改性线性低密度聚乙烯的重量份比1：（1.5-2.5）。

通过采用上述技术方案，调节坡缕石粉与改性线性低密度聚乙烯的重量份，可进一步提高铝合金电缆的阻燃作用。

第二方面，本申请提供一种上述任一项阻燃型铝合金电缆的制备方法。

一种阻燃型铝合金电缆，通过如下操作步骤制得：

将护套各原料混炼，搅拌，除泡，挤出并包覆在导体外表面形成护套，得到阻燃型铝合金电缆。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

（1）本申请通过控制铝合金电缆的各原料种类的掺量，使阻燃型铝合金电缆的极限氧指数为44%，无焰和有焰的烟密度分别为112kg•m^-3和55kg•m^-3，提高了铝合金电缆的阻燃性。

（2）本申请通过控制纳米复合阻燃剂中甲基聚硅氧烷的掺量，使阻燃型铝合金电缆的极限氧指数为45%，无焰和有焰的烟密度分别为110kg•m^-3和54kg•m^-3，进一步提高了铝合金电缆的阻燃性。

（3）本申请通过调节纳米复合阻燃剂中三聚氰胺氰尿酸盐与氢氧化镁的重量份比，使阻燃型铝合金电缆的极限氧指数为46-50%，无焰和有焰的烟密度分别为105-107kg•m^-3和51-52kg•m^-3，进一步提高了铝合金电缆的阻燃性。

（4）本申请通过调节硅烷偶联剂与纳米复合阻燃剂的重量份比，使阻燃型铝合金电缆的极限氧指数为51-52%，无焰和有焰的烟密度分别为103-104kg•m^-3和49-50kg•m^-3，进一步提高了铝合金电缆的阻燃性。

（5）本申请通过在铝合金电缆护套原料中加入坡缕石粉，调节坡缕石粉与改性线性低密度聚乙烯的重量份比，使阻燃型铝合金电缆的极限氧指数为54-57%，无焰和有焰的烟密度分别为95-98kg•m^-3和45-48kg•m^-3，进一步提高了铝合金电缆的阻燃性。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本申请作进一步详细说明。

本申请中的如下各原料均为市售产品，均为使本申请的各原料得以公开充分，不应当理解为对原料的来源产生限制作用。具体为：线性低密度聚乙烯，牌号DFDA-7042；硅烷偶联剂，型号为KH550；锡酸锌，有效物质含量为98%；硬脂酸钇，有效物质含量为99%；增塑剂，选用癸二酸二辛酯，有效物质含量为99%；抗氧剂，选用抗氧剂1076，有效物质含量为98%；氢氧化镁，粒径为200目；甲基聚硅氧烷，型号SH-021；硅酮粉，粒径为200目；有机蒙脱土，粒径为325目；可膨胀石墨，粒径为200目，膨胀倍率为200ml/g；乙烯基三甲氧基硅烷，有效物质含量为97%；过氧化物引发剂，有效物质含量为99%；三聚氰胺氰尿酸盐，有效物质含量为99.5%；坡缕石粉，粒径为200目。

以下为纳米复合阻燃剂的制备例

制备例1

制备例1的纳米复合阻燃剂，通过如下操作步骤制得：

参照表1的掺量，将纳米复合阻燃剂各原料145℃混炼，熔融挤出，造粒，粉碎至25nm，得到纳米复合阻燃剂。

制备例2-3

制备例2-3的纳米复合阻燃剂与制备例1的制备方法相同，区别在于，各原料掺量不同，具体掺量详见表1所示。

表1 制备例1-3纳米复合阻燃剂的各原料掺量（kg）

制备例4-8

制备例4-8的纳米复合阻燃剂与制备例1的制备方法相同，区别在于纳米复合阻燃剂原料中还包括三聚氰胺氰尿酸盐，具体掺量详见表2所示。

表2 制备例4-8纳米复合阻燃剂的各原料掺量（kg）

实施例

实施例1的阻燃型铝合金电缆，通过如下制备方法制得：

参照表3的掺量，将护套各原料混炼，搅拌，除泡，挤出并包覆在导体外表面形成护套，得到阻燃型铝合金电缆。其中导体选用钢芯铝合金，铝合金单线根数24。

实施例2-3

实施例2-3的阻燃型铝合金电缆的制备方法与实施例1相同，区别在于原料掺量不同，具体详见表3所示。

表3实施例1-3阻燃型铝合金电缆的各原料掺量（kg）

实施例4-10

实施例4-10的阻燃型铝合金电缆的制备方法与实施例2相同，区别在于纳米复合阻燃剂分别选用制备例2-8制备得到的耐火添加剂，其余原料种类和掺量与实施例2相同。

实施例11-15

实施例11-15的阻燃型铝合金电缆的制备方法与实施例8相同，区别在于各原料掺量不同，具体掺量详见表4所示。

表4实施例11-15阻燃型铝合金电缆的各原料掺量（kg）

实施例16-20

实施例16-20的阻燃型铝合金电缆的制备方法与实施例13相同，区别在于阻燃型铝合金电缆原料中还包括坡缕石粉，具体掺量详见表5所示。

表5实施例16-20阻燃型铝合金电缆的各原料掺量（kg）

对比例1

对比例1的阻燃型铝合金电缆的制备方法与实施例1相同，区别在于将护套原料中改性线性低密度聚乙烯等量替换为线性低密度聚乙烯，其余原料种类和掺量与实施例1相同。

对比例2

对比例2的阻燃型铝合金电缆的制备方法与实施例1相同，区别在于将护套原料中的纳米复合阻燃剂等量替换为氢氧化铝，其余原料种类和掺量与实施例1相同。

对比例3

对比例3的阻燃型铝合金电缆的制备方法与实施例1相同，区别在于纳米复合阻燃剂中未添加甲基聚硅氧烷，其余原料种类和掺量与实施例1相同。

对比例4

对比例4的阻燃型铝合金电缆的制备方法与实施例1相同，区别在于纳米复合阻燃剂中未添加硅酮粉，其余原料种类和掺量与实施例1相同。

对比例5

对比例5的阻燃型铝合金电缆的制备方法与实施例1相同，区别在于纳米复合阻燃剂中未添加可膨胀石墨，其余原料种类和掺量与实施例1相同。

对比例6

对比例6的阻燃型铝合金电缆的制备方法与实施例1相同，区别在于纳米复合阻燃剂中未添加有机蒙脱土，其余原料种类和掺量与实施例1相同。

性能检测

采用如下检测标准或方法分别对实施例1-20和对比例1-6得到的阻燃型铝合金电缆进行性能检测，检测结果详见表6所示。

拉伸强度：根据GB/T 1043-2008检测阻燃型铝合金的拉伸强度；

断裂伸长率：根据GB/T 1043-2008检测阻燃型铝合金电缆的断裂伸长率；

极限氧指数：根据GB/T 2406.2-2018，采用氧指数测试仪检测阻燃型铝合金电缆的极限氧指数；

烟密度：根据GB/T 8627-2007检测阻燃型铝合金电缆无焰和有焰的烟密度；

UL94垂直燃烧等级：根据GB/T 2408-2008检测阻燃型铝合金电缆的UL94垂直燃烧等级。

表6不同阻燃型铝合金电缆性能检测结果

由表6的检测结果表明，本申请得到的阻燃型铝合金电缆的拉伸强度和断裂伸长率最高分别为15.7MPa和199%，具有较高的力学性能；且阻燃型铝合金电缆的极限氧指数最高可达到57%，无焰和有焰的烟密度最低分别为95kg•m^-3和45kg•m^-3，UL94垂直燃烧等级达到了V-0，提高了铝合金电缆的阻燃性。

实施例1-3中，实施例2得到的阻燃型铝合金电缆的极限氧指数为44%，高于实施例1和实施例3，且无焰和有焰的烟密度分别为112kg•m^-3和55kg•m^-3，均低于实施例1和实施例3，表明实施例2阻燃型铝合金电缆中纳米复合阻燃剂的掺量较为合适，提高了铝合金电缆的阻燃性，可能是与复合阻燃剂中具有阻燃性的原料的相互配合，且粒径为纳米级，提高了纳米复合阻燃剂与其他原料的相容性，且复合阻燃剂的粒径愈小，比表面积就愈大，阻燃效果就愈好，提高了复合阻燃剂阻燃效果有关。

结合实施例2和实施例4-5阻燃型铝合金电缆的性能检测数据发现，实施例4得到的阻燃型铝合金电缆的极限氧指数为45%，高于实施例2和实施例5，且无焰和有焰的烟密度分别为110kg•m^-3和54kg•m^-3，均低于实施例2和实施例5，表明实施例4纳米复合阻燃剂中甲基聚硅氧烷的掺量较为合适，可能是与甲基聚硅氧烷在阻燃过程中生成陶瓷状的SIC焦化层，能起到隔热隔氧作用，另外，加入甲基聚硅氧烷可改善氢氧化镁在复合阻燃剂体系中的分散，提高铝合金电缆的阻燃性有关。

结合实施例6-10阻燃型铝合金电缆的性能检测数据发现，实施例7-9得到的阻燃型铝合金电缆的极限氧指数为46-50%，高于实施例6和实施例10，且无焰和有焰的烟密度分别为105-107kg•m^-3和51-52kg•m^-3，均低于实施例6和实施例10，表明三聚氰胺氰尿酸盐与氢氧化镁的重量份比为1：（3-6）较为合适，可能是与调节三聚氰胺氰尿酸盐与氢氧化镁的重量份比，可进一步提高铝合金电缆的阻燃作用有关。

结合实施例11-15阻燃型铝合金电缆的性能检测数据发现，实施例12-14得到的阻燃型铝合金电缆的极限氧指数为51-52%，高于实施例11和实施例15，且无焰和有焰的烟密度分别为103-104kg•m^-3和49-50kg•m^-3，均低于实施例11和实施例15，表明硅烷偶联剂与纳米复合阻燃剂的重量份比为1：（20-40）较为合适，可能是与调整硅烷偶联剂与复合纳米阻燃剂的重量份比，可进一步提高复合纳米阻燃剂在电缆中的阻燃性有关。

结合实施例16-20阻燃型铝合金电缆的性能检测数据发现，实施例17-19得到的阻燃型铝合金电缆的极限氧指数为54-57%，高于实施例16和实施例20，且无焰和有焰的烟密度分别为95-98kg•m^-3和45-48kg•m^-3，均低于实施例16和实施例20，表明坡缕石粉与改性线性低密度聚乙烯的重量份比1：（2-3）较为合适，可能是与调节坡缕石粉与改性线性低密度聚乙烯的重量份，可进一步提高铝合金电缆的阻燃作用有关。

另外，结合对比例1-6和实施例1的阻燃型铝合金电缆的各项指标数据发现，本申请在护套原料中加入改性线性低密度聚乙烯和纳米复合阻燃剂，并在纳米复合阻燃剂中加入甲基聚硅氧烷、硅酮粉、可膨胀石墨和有机蒙脱土，均可不同程度提高阻燃型铝合金电缆的阻燃性。

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 (10)

1.一种阻燃型铝合金电缆，其特征在于，其包括导体和护套，所述护套包裹在导体表面；以护套的总重计，所述护套包括如下重量份的原料：改性线性低密度聚乙烯90-110份、纳米复合阻燃剂30-50份、硅烷偶联剂1-3份、锡酸锌5-10份、硬脂酸钇1-3份、增塑剂1-2份和抗氧化剂1-3份；所述改性线性低密度聚乙烯通过硅烷接枝改性制得；

以纳米复合阻燃剂的总重计，所述纳米复合阻燃剂包括如下重量份的原料：氢氧化镁50-70份、甲基聚硅氧烷10-30份、硅酮粉10-15份、可膨胀石墨10-15份和有机蒙脱土1-3份。

2.根据权利要求1所述的阻燃型铝合金电缆，其特征在于，所述护套包括如下重量份的原料：改性线性低密度聚乙烯95-105份、纳米复合阻燃剂35-45份、硅烷偶联剂1.5-2.5份、锡酸锌7-9份、硬脂酸钇1.5-2.5份、增塑剂1.4-1.8份和抗氧化剂1.5-2.5份。

3.根据权利要求1所述的阻燃型铝合金电缆，其特征在于：所述硅烷偶联剂与纳米复合阻燃剂的重量份比为1：（20-40）。

4.根据权利要求1所述的阻燃型铝合金电缆，其特征在于，所述改性线性低密度聚乙烯通过如下操作制备得到：将乙烯基三甲氧基硅烷滴入线性低密度聚乙烯树脂，搅拌均匀，加入过氧化物引发剂混炼，挤出造粒，干燥，得到改性线性低密度聚乙烯。

5.根据权利要求1所述的阻燃型铝合金电缆，其特征在于，所述纳米复合阻燃剂通过如下操作制备得到：将纳米复合阻燃剂各原料混炼，熔融挤出，造粒，粉碎，得到纳米复合阻燃剂。

6.根据权利要求1所述的阻燃型铝合金电缆，其特征在于：所述纳米复合阻燃剂中还包括10-20重量份的三聚氰胺氰尿酸盐。

7.根据权利要求6所述的阻燃型铝合金电缆，其特征在于：所述三聚氰胺氰尿酸盐与氢氧化镁的重量份比为1：（3-6）。

8.根据权利要求1所述的阻燃型铝合金电缆，其特征在于，所述护套还包括如下重量份原料：坡缕石粉30-50份。

9.根据权利要求8所述的阻燃型铝合金电缆，其特征在于，所述坡缕石粉与改性线性低密度聚乙烯的重量份比1：（2-3）。

10.一种权利要求1-9任一所述的阻燃型铝合金电缆的制备方法，其特征在于，其包括如下操作步骤：

将护套各原料混炼，搅拌，除泡，挤出并包覆在导体外表面形成护套，得到阻燃型铝合金电缆。