CN116814021A - 一种高强度耐磨电缆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高强度耐磨电缆，属于特种电缆技术领域。该电缆由集束线芯和耐磨护套组成，其中，耐磨护套按照重量份计包括：聚氯乙烯树脂100份、高密度聚乙烯15‑25份、乙烯‑辛烯共聚物8‑12份、耐温强化剂10‑15份、耐磨填料7‑11份、润滑剂3‑5份、增韧剂5‑8份和抗氧剂0.2‑0.3份；耐温强化剂的分子一端为支状的硅链，与聚氯乙烯分子链形成交叉网络结构，且链中的残余含氨结构与聚氯乙烯分子中的氯基团相互作用，加强交叉网络的结合强度，提高材料的力学性能，分子中的硅氧烷结构对填料具有良好的亲和性，引入的硫氮结构对填料具有螯合作用，使得填料均匀分散在聚合链间并与聚合链相互作用，大大提高耐磨性。
Description
技术领域
本发明属于特种电缆技术领域，具体地，涉及一种高强度耐磨电缆。
背景技术
电缆是传输电信号和电流的载体，其供电稳定性将直接决定设备的运行安全性，同时，随着电力能源的发展，电气设备的应用越来越普及，对电缆的性能要求也越来越高；如在汽车行业、制冷行业等，电缆直接与引擎相连接，而这些设备在运行过程中常伴随振动、高温工况，存在电缆防护层磨损隐患；目前，应用于该类工况的电缆以复合结构为主，主要包括导电线芯、耐磨层和绝缘防护层，其中，导电线芯的作用是输送电流，耐磨层的作用是防止表层磨穿导致断路，绝缘防护层的作用是保证输电安全；该类电缆结构和成型工艺复杂，因此，现有研究中着力研究以绝缘防护层替代耐磨层；
聚氯乙烯具有良好的绝缘和耐腐蚀性能，且价格低廉，被广泛应用在电缆的防护层中，为提高其耐磨性，现有技术中主要是向聚氯乙烯基体中掺入无机填料，如中国专利申请202011581798.5，以碳酸钙、云母粉等为填料掺入聚氯乙烯基体中，得到耐磨性良好的电缆防护层材料；但是，在实际应用中发现，当填料的用量超过一定范围后，耐磨性能提升不明显，反而力学性能出现急剧恶化，这是由于填料在聚氯乙烯基体中发挥补强作用的同时也作为内部缺陷，目前，用于电缆防护层的聚氯乙烯材料大多只能达到P级，在高功率、高振动、高温环境下使用仍存在较大风险。因此，本申请旨在开发一种以聚氯乙烯材料为防护层的高强度耐磨电缆。
发明内容
为了解决背景技术中提到的技术问题，本发明的目的在于提供一种高强度耐磨电缆。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种高强度耐磨电缆，由集束线芯和耐磨护套组成，其中，耐磨护套按照重量份计包括：聚氯乙烯树脂100份、高密度聚乙烯15-25份、乙烯-辛烯共聚物8-12份、耐温强化剂10-15份、耐磨填料7-11份、润滑剂3-5份、增韧剂5-8份和抗氧剂0.2-0.3份。
所述耐温强化剂由以下方法制备：
步骤A1：将二烯丙基胺、三乙胺和丙酮混合，水浴控制温度为35-45℃，施加240-360rpm机械搅拌，缓慢加入3-氯丙基三乙氧基硅烷，控制总加入反应时间为2-2.5h，反应结束旋蒸脱除丙酮，对旋蒸底物水洗分液，取有机相干燥，得到中间体1；
进一步地，3-氯丙基三乙氧基硅烷、二烯丙基胺、三乙胺和丙酮的用量比为0.1mol：0.11-0.12mol：4-5mL：55-70mL，3-氯丙基三乙氧基硅烷和二烯丙基胺取代反应，向3-氯丙基三乙氧基硅烷的端部引入支状双键。
步骤A2：将巯基丁二酸和四氢呋喃在氮气保护下混合溶解，再加入中间体1和二甲基苯基膦混匀，升温至65-72℃，施加120-180rpm机械搅拌，回流反应3-4h，反应结束减压旋蒸脱除四氢呋喃，得到中间体2；
进一步地，中间体1、巯基丁二酸、二甲基苯基膦和四氢呋喃的用量比为0.1mol：0.2mol：120-150mg：200-250mL，在二甲基苯基膦催化下，巯基丁二酸中的巯基与中间体1中引入的双键点击加成，接入支状羧基改性。
步骤A3：将中间体2、氯化亚砜和二甲基亚砜混合，升温至50-60℃，搅拌反应30-50min，之后旋蒸脱除过量氯化亚砜，通入氮气保护，加入氨基硅油，继续升温至80-90℃，施加300-420rpm机械搅拌，反应2-3h，反应结束加入去离子水反复减压旋蒸脱除二甲基亚砜，得到耐温强化剂；
进一步地，氨基硅油、中间体2、氯化亚砜和二甲基亚砜的用量比为100g：20-35mmol：0.15-0.2mol：180-240mL，氨基硅油选择具有支链氨基的氨基硅油，氯化亚砜对中间体2酰氯化处理，再与氨基硅油取代反应，将中间体2接枝到氨基硅油的大分子链中。
进一步地，耐磨填料由纳米硫酸钡和纳米碳酸钙混合而成。
进一步地，抗氧剂由抗氧剂1010和抗氧剂168混合而成。
一种高强度耐磨电缆的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：将各原料高速混合，投加到双螺杆挤出机中，料筒温度设置为：一区175℃，二区185℃，三区190℃，四区190℃，五区190℃，六区185℃，口模温度为200℃，将混合料挤出造粒，干燥后得到复合母粒；
步骤S2：将复合母粒投加到包覆挤出机中，控制挤出温度为210℃，将复合母粒熔融挤出包覆在集束线芯表面，冷却后形成耐磨护套，得到高强度耐磨电缆。
本发明的有益效果：
本发明通过在线芯的表面挤出包覆一层耐磨护套，提高电缆防护层的耐磨性，该耐磨护套以聚氯乙烯为基体，添加一种耐温强化剂为辅材，对聚氯乙烯基体改性，其由3-氯丙基三乙氧基硅烷和二烯丙基胺取代反应，制成具有乙氧基硅烷结构和支状双键的中间体1，再与巯基丁二酸点击加成，引入支状羧基修饰，制成中间体2，再通过氯化亚砜酰氯化处理后与带有支链氨基的硅油反应，将中间体2接枝到氨基硅油的大分子链中；该耐温强化剂分子一端为支状的硅链，其穿插在聚氯乙烯分子链中形成交叉网络结构，可聚氯乙烯的软化温度，使得耐磨护套在较高的温度下保持良好的强度，另外，支状硅链中的残余含氨结构与聚氯乙烯分子侧链的氯基团相互作用，加强交叉网络的结合强度，形成交联作用，提高材料的力学性能，此外，二烯丙基胺和巯基丁二酸引入的硫氮结构对硫酸钡、碳酸钙等填料具有螯合作用，加之引入的硅氧烷结构对填料具有良好的亲和性，使得填料均匀分散在聚合链间并与聚合链相互作用，大大提高耐磨性，在较少量填料添加下即可发挥较高的强化作用，对基体的韧性影响较小。
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它实施例，都属于本发明保护的范围。
以下实施例中所采用的原料来源如下：
聚氯乙烯树脂，选自SG-3型树脂，由韩华化学（宁波）有限公司提供；
高密度聚乙烯，型号为DMDA-8008H，由新疆独山子石油化工有限公司提供；
乙烯-辛烯共聚物，型号为8180，由苏州鑫亿新材料有限公司提供；
耐磨填料，由纳米硫酸钡和纳米碳酸钙按照质量比为1:0.4混合而成，均由上海创宇化工新材料有限公司提供；
润滑剂，选自硬脂酸，型号为SA1840，由杭州油脂化工有限公司提供；
增韧剂，选自型号为ELVALOY™ HP 441，由陶氏化学公司提供；
抗氧剂，由抗氧剂1010和抗氧剂168按照质量比3:1混合而成；
氨基硅油，选自具有支链氨基的硅油，型号为DY-N323，由山东大易化工有限公司提供。
实施例1
本实施例制备高强度耐磨电缆，具体实施过程如下：
1）制备耐温强化剂
1.1、取二烯丙基胺、三乙胺和丙酮投料混合，水浴控制温度为45℃，施加360rpm机械搅拌，在1h内缓慢加入3-氯丙基三乙氧基硅烷，控制3-氯丙基三乙氧基硅烷的总加入反应时间为2h，反应中，3-氯丙基三乙氧基硅烷、二烯丙基胺、三乙胺和丙酮的用量比为0.1mol：0.12mol：5mL：70mL，反应结束旋蒸脱除丙酮，再向旋蒸底物中加入0.2倍质量的去离子水搅拌混洗，分液取有机相干燥，制得中间体1。
1.2、向反应器中通入氮气保护，加入巯基丁二酸和四氢呋喃混合溶解，再加入中间体1和二甲基苯基膦混匀，升温至72℃，施加180rpm机械搅拌，回流反应3h，反应中，中间体1、巯基丁二酸、二甲基苯基膦和四氢呋喃的用量比为0.1mol：0.2mol：150mg：250mL，反应结束减压旋蒸脱除四氢呋喃，制得中间体2。
1.3、取中间体2、氯化亚砜和二甲基亚砜投料混合，升温至60℃搅拌30min，旋蒸脱除过量氯化亚砜，通入氮气排出反应体系中的空气，加入氨基硅油，继续升温至90℃，施加420rpm机械搅拌，反应2h，反应中，氨基硅油、中间体2、氯化亚砜和二甲基亚砜的用量比为100g：35mmol：0.2mol：240mL，反应结束分四次加入反应底物质量2倍的去离子水减压旋蒸脱除二甲基亚砜，制得耐温强化剂。
2）制备高强度耐磨电缆
2.1、按照重量份计取：聚氯乙烯树脂100份、高密度聚乙烯25份、乙烯-辛烯共聚物8份、耐温强化剂10份、耐磨填料7份、润滑剂5份、增韧剂7份和抗氧剂0.2份。
2.2、将高速搅拌器预热至80℃，投加各原料，以1500rpm高速混合10min，再将混合料投加到双螺杆挤出机中，控制料筒温度为一区175℃，二区185℃，三区190℃，四区190℃，五区190℃，六区185℃，口模温度为200℃，将混合料熔融挤出造粒，再置于干燥箱中以60℃干燥2h，制得复合母粒。
2.3、将复合母粒投加到包覆挤出机中，控制挤出温度为210℃，将复合母粒熔融挤出包覆在集束线芯表面，冷却后形成耐磨护套，得到高强度耐磨电缆。
实施例2
本实施例制备高强度耐磨电缆，具体实施过程如下：
1）制备耐温强化剂
1.1、取二烯丙基胺、三乙胺和丙酮投料混合，水浴控制温度为35℃，施加240rpm机械搅拌，在1.5h内缓慢加入3-氯丙基三乙氧基硅烷，控制3-氯丙基三乙氧基硅烷的总加入反应时间为2.5h，反应中，3-氯丙基三乙氧基硅烷、二烯丙基胺、三乙胺和丙酮的用量比为0.1mol：0.11mol：4mL：55mL，反应结束旋蒸脱除丙酮，再向旋蒸底物中加入0.2倍质量的去离子水搅拌混洗，分液取有机相干燥，制得中间体1。
1.2、向反应器中通入氮气保护，加入巯基丁二酸和四氢呋喃混合溶解，再加入中间体1和二甲基苯基膦混匀，升温至65℃，施加120rpm机械搅拌，回流反应4h，反应中，中间体1、巯基丁二酸、二甲基苯基膦和四氢呋喃的用量比为0.1mol：0.2mol：120mg：200mL，反应结束减压旋蒸脱除四氢呋喃，制得中间体2。
1.3、取中间体2、氯化亚砜和二甲基亚砜投料混合，升温至50℃搅拌50min，旋蒸脱除过量氯化亚砜，通入氮气排出反应体系中的空气，加入氨基硅油，继续升温至80℃，施加300rpm机械搅拌，反应3h，反应中，氨基硅油、中间体2、氯化亚砜和二甲基亚砜的用量比为100g：20mmol：0.15mol：180mL，反应结束分四次加入反应底物质量2倍的去离子水减压旋蒸脱除二甲基亚砜，制得耐温强化剂。
2）制备高强度耐磨电缆
2.1、按照重量份计取：聚氯乙烯树脂100份、高密度聚乙烯15份、乙烯-辛烯共聚物12份、耐温强化剂12份、耐磨填料11份、润滑剂3份、增韧剂5份和抗氧剂0.3份。
2.2、将高速搅拌器预热至80℃，投加各原料，以1500rpm高速混合10min，再将混合料投加到双螺杆挤出机中，控制料筒温度为一区175℃，二区185℃，三区190℃，四区190℃，五区190℃，六区185℃，口模温度为200℃，将混合料熔融挤出造粒，再置于干燥箱中以60℃干燥2h，制得复合母粒。
2.3、将复合母粒投加到包覆挤出机中，控制挤出温度为210℃，将复合母粒熔融挤出包覆在集束线芯表面，冷却后形成耐磨护套，得到高强度耐磨电缆。
实施例3
本实施例制备高强度耐磨电缆，具体实施过程如下：
1）制备耐温强化剂
1.1、取二烯丙基胺、三乙胺和丙酮投料混合，水浴控制温度为42℃，施加360rpm机械搅拌，在1.2h内缓慢加入3-氯丙基三乙氧基硅烷，控制3-氯丙基三乙氧基硅烷的总加入反应时间为2.5h，反应中，3-氯丙基三乙氧基硅烷、二烯丙基胺、三乙胺和丙酮的用量比为0.1mol：0.11mol：4mL：60mL，反应结束旋蒸脱除丙酮，再向旋蒸底物中加入0.2倍质量的去离子水搅拌混洗，分液取有机相干燥，制得中间体1。
1.2、向反应器中通入氮气保护，加入巯基丁二酸和四氢呋喃混合溶解，再加入中间体1和二甲基苯基膦混匀，升温至68℃，施加180rpm机械搅拌，回流反应3.5h，反应中，中间体1、巯基丁二酸、二甲基苯基膦和四氢呋喃的用量比为0.1mol：0.2mol：150mg：200mL，反应结束减压旋蒸脱除四氢呋喃，制得中间体2。
1.3、取中间体2、氯化亚砜和二甲基亚砜投料混合，升温至55℃搅拌40min，旋蒸脱除过量氯化亚砜，通入氮气排出反应体系中的空气，加入氨基硅油，继续升温至85℃，施加360rpm机械搅拌，反应2.5h，反应中，氨基硅油、中间体2、氯化亚砜和二甲基亚砜的用量比为100g：30mmol：0.18mol：220mL，反应结束分四次加入反应底物质量2倍的去离子水减压旋蒸脱除二甲基亚砜，制得耐温强化剂。
2）制备高强度耐磨电缆
2.1、按照重量份计取：聚氯乙烯树脂100份、高密度聚乙烯22份、乙烯-辛烯共聚物10份、耐温强化剂13份、耐磨填料10份、润滑剂4份、增韧剂7份和抗氧剂0.2份。
2.2、将高速搅拌器预热至80℃，投加各原料，以1500rpm高速混合10min，再将混合料投加到双螺杆挤出机中，控制料筒温度为一区175℃，二区185℃，三区190℃，四区190℃，五区190℃，六区185℃，口模温度为200℃，将混合料熔融挤出造粒，再置于干燥箱中以60℃干燥2h，制得复合母粒。
2.3、将复合母粒投加到包覆挤出机中，控制挤出温度为210℃，将复合母粒熔融挤出包覆在集束线芯表面，冷却后形成耐磨护套，得到高强度耐磨电缆。
实施例4
本实施例制备高强度耐磨电缆，具体实施过程如下：
1）制备耐温强化剂
1.1、取二烯丙基胺、三乙胺和丙酮投料混合，水浴控制温度为40℃，施加240rpm机械搅拌，在1.5h内缓慢加入3-氯丙基三乙氧基硅烷，控制3-氯丙基三乙氧基硅烷的总加入反应时间为2.2h，反应中，3-氯丙基三乙氧基硅烷、二烯丙基胺、三乙胺和丙酮的用量比为0.1mol：0.12mol：5mL：70mL，反应结束旋蒸脱除丙酮，再向旋蒸底物中加入0.2倍质量的去离子水搅拌混洗，分液取有机相干燥，制得中间体1。
1.2、向反应器中通入氮气保护，加入巯基丁二酸和四氢呋喃混合溶解，再加入中间体1和二甲基苯基膦混匀，升温至70℃，施加180rpm机械搅拌，回流反应3.5h，反应中，中间体1、巯基丁二酸、二甲基苯基膦和四氢呋喃的用量比为0.1mol：0.2mol：120mg：250mL，反应结束减压旋蒸脱除四氢呋喃，制得中间体2。
1.3、取中间体2、氯化亚砜和二甲基亚砜投料混合，升温至55℃搅拌50min，旋蒸脱除过量氯化亚砜，通入氮气排出反应体系中的空气，加入氨基硅油，继续升温至80℃，施加420rpm机械搅拌，反应3h，反应中，氨基硅油、中间体2、氯化亚砜和二甲基亚砜的用量比为100g：25mmol：0.15mol：200mL，反应结束分四次加入反应底物质量2倍的去离子水减压旋蒸脱除二甲基亚砜，制得耐温强化剂。
2）制备高强度耐磨电缆
2.1、按照重量份计取：聚氯乙烯树脂100份、高密度聚乙烯20份、乙烯-辛烯共聚物11份、耐温强化剂15份、耐磨填料9份、润滑剂4份、增韧剂8份和抗氧剂0.3份。
2.2、将高速搅拌器预热至80℃，投加各原料，以1500rpm高速混合10min，再将混合料投加到双螺杆挤出机中，控制料筒温度为一区175℃，二区185℃，三区190℃，四区190℃，五区190℃，六区185℃，口模温度为200℃，将混合料熔融挤出造粒，再置于干燥箱中以60℃干燥2h，制得复合母粒。
2.3、将复合母粒投加到包覆挤出机中，控制挤出温度为210℃，将复合母粒熔融挤出包覆在集束线芯表面，冷却后形成耐磨护套，得到高强度耐磨电缆。
对比例
本对比例与实施例3的实施过程相同，原料配比为：聚氯乙烯树脂100份、高密度聚乙烯20份、乙烯-辛烯共聚物15份、耐磨填料20份、润滑剂7份、增韧剂12份和抗氧剂0.2份；挤出造粒料筒温度设置为：一区160℃，二区170℃，三区180℃，四区180℃，五区180℃，六区175℃，口模温度为195℃，其余过程完全相同。
取实施例1-实施例4以及对比例制备的复合母粒，挤出至规格为200×200×2mm的模槽中，施加1MPa压力，持压冷却后脱模，制成片材，从片材中取样进行如下性能测试：
拉伸性能测试：参照GB/T 1040-2018标准，制成宽度为4mm的哑铃状试样，测试温度为25℃，拉伸速率为20mm/min，对试样进行拉伸试验；
冲击性能测试：参照GB/T 1043-2008标准，制成深度为2mm的V型缺口，对试样进行缺口冲击强度测试；
磨损性能测试：参照EN 651-2011标准，采用FRICK-TABER落砂磨耗法进行磨损试验，负荷为9.8±0.1N，落砂速度为21±3g/min；
维卡软化温度测试：参照GB/T 1633-2000标准执行。
具体测试数据如表1所示：
表1
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 对比例 | |
| 拉伸强度/MPa | 25.9 | 30.1 | 28.4 | 27.6 | 19.2 |
| 冲击强度/KJ·m-2 | 14.1 | 12.6 | 13.9 | 13.4 | 8.7 |
| 磨损量/mm3 | 1.05 | 0.82 | 0.93 | 0.87 | 3.26 |
| 磨损等级 | T | T | T | T | P |
| 维卡软化温度/℃ | 81.7 | 85.4 | 83.9 | 85.1 | 73.2 |
由表1数据可知，本发明制备的电缆，其耐磨护套的拉伸强度为25.9-30.1MPa，冲击强度为12.6-14.1KJ/m2，表现出良好的抗拉、抗冲击性，具有良好的综合力学强度，磨损量均达到T级水平，具有良好的耐磨性，维卡软化温度达到80℃以上，满足大多数工况下使用。
在说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种高强度耐磨电缆，由集束线芯和耐磨护套组成，其特征在于，耐磨护套按照重量份计包括：聚氯乙烯树脂100份、高密度聚乙烯15-25份、乙烯-辛烯共聚物8-12份、耐温强化剂10-15份、耐磨填料7-11份、润滑剂3-5份、增韧剂5-8份和抗氧剂0.2-0.3份；
所述耐温强化剂由以下方法制备：
步骤A1：将二烯丙基胺、三乙胺和丙酮混合，升温至35-45℃，搅拌并缓慢加入3-氯丙基三乙氧基硅烷，控制总加入反应时间为2-2.5h，反应结束旋蒸脱除丙酮，对旋蒸底物水洗分液，取有机相干燥，得到中间体1；
步骤A2：将巯基丁二酸和四氢呋喃在氮气保护下混合溶解，再加入中间体1和二甲基苯基膦混匀，升温至65-72℃，搅拌回流反应3-4h，反应结束减压旋蒸脱除四氢呋喃，得到中间体2；
步骤A3：将中间体2、氯化亚砜和二甲基亚砜混合，升温至50-60℃，搅拌30-50min，之后旋蒸脱除过量氯化亚砜，通入氮气保护，加入氨基硅油，继续升温至80-90℃，搅拌反应2-3h，反应结束反复加入去离子水减压旋蒸脱除二甲基亚砜，得到耐温强化剂。
2.根据权利要求1所述的一种高强度耐磨电缆，其特征在于，3-氯丙基三乙氧基硅烷、二烯丙基胺、三乙胺和丙酮的用量比为0.1mol：0.11-0.12mol：4-5mL：55-70mL。
3.根据权利要求2所述的一种高强度耐磨电缆，其特征在于，中间体1、巯基丁二酸、二甲基苯基膦和四氢呋喃的用量比为0.1mol：0.2mol：120-150mg：200-250mL。
4.根据权利要求3所述的一种高强度耐磨电缆，其特征在于，氨基硅油、中间体2、氯化亚砜和二甲基亚砜的用量比为100g：20-35mmol：0.15-0.2mol：180-240mL。
5.根据权利要求4所述的一种高强度耐磨电缆，其特征在于，氨基硅油具有支链氨基。
6.根据权利要求1所述的一种高强度耐磨电缆，其特征在于，耐磨填料由纳米硫酸钡和纳米碳酸钙混合而成。
7.根据权利要求1所述的一种高强度耐磨电缆，其特征在于，抗氧剂由抗氧剂1010和抗氧剂168混合而成。
8.根据权利要求1所述的一种高强度耐磨电缆，其特征在于，由如下方法制成：
步骤S1：将各原料高速混合，投加到双螺杆挤出机中，料筒温度设置为：一区175℃，二区185℃，三区190℃，四区190℃，五区190℃，六区185℃，口模温度为200℃，将混合料挤出造粒，干燥后得到复合母粒；
步骤S2：将复合母粒投加到包覆挤出机中，控制挤出温度为210℃，将复合母粒熔融挤出包覆在集束线芯表面，冷却后形成耐磨护套，得到高强度耐磨电缆。
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| GR01 | Patent grant | ||
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