CN117866321A - 纳米无卤高阻燃电缆填充绳生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及纳米无卤高阻燃电缆填充绳生产工艺，属于电力电缆技术领域，该填充绳的原料包括：线型低密度聚乙烯树脂15‑20wt%、纳米复合阻燃剂12‑18wt%、偶联剂0.1‑0.13wt%、抗氧剂0.12‑0.15wt%和润滑剂0.2‑0.25wt%，余量为聚丙烯树脂；将各原料混匀、塑化挤出、压延成膜、分切成条、热拉伸、撕裂开网和烘制去应力，即制成填充绳；其中，纳米复合阻燃剂以团簇状化合物为芯，以氢氧化镁为壳，在发生火灾时，芯层有机化合物优先受热分解集聚，随着表层氢氧化镁分解，支撑作用失效，芯部分解产物迅速释放，在燃烧接触层迅速形成连续的阻隔层，阻断燃烧的蔓延，测试中阻燃等级可达到V‑0级别。

Description

纳米无卤高阻燃电缆填充绳生产工艺

技术领域

本发明属于电力电缆技术领域，具体地，涉及纳米无卤高阻燃电缆填充绳生产工艺。

背景技术

电线电缆的相与相之间有绝缘层，外层一般包覆有保护层和绝缘层，填充绳是用于填充各相线之间以及与防护层的间隙，使电缆保持圆整，提升电缆的整体结构稳定性。

聚丙烯具有较低的密度，良好的耐热性能，优良的抗弯曲疲劳性，优异的化学稳定性和电性能等优点，是制作电缆填充绳的优良材料；而聚丙烯作为有机高分子材料，其具有一定的可燃性，一旦发生电气火灾，用电系统发生瘫痪，且难以扑灭，因此，具有阻燃性能的填充绳被相继开发；现有技术中，生产阻燃填充绳的技术手段主要是向高分子材料中添加阻燃剂，所使用的阻燃剂主要可分为无机和有机两类，其中，无机阻燃剂以氢氧化镁、氢氧化铝等为代表，在高温下分解形成水和氧化物阻碍燃烧，该类阻燃剂需要大量添加才能形成良好的阻燃效果，然而，该类阻燃剂通常为硬质刚性粒子，大量添加引起对高分子材料的力学性能急剧恶化；有机阻燃剂中种类繁多，以卤系、磷系、氮系以及磷氮系阻燃剂应用偏多，其中，卤系阻燃剂在燃烧过程中易形成有毒有害气体，逐步被取消，而磷、氮系阻燃剂多为小分子材料，在高温状态下易偏析，阻燃效果不均；无论是有机阻燃剂还是无机阻燃剂，其作用机理均是在高温燃烧过程中缓慢释放具有阻燃作用的物质，逐步阻碍燃烧的进行，从而达到阻燃的目的，无法在燃烧接触层形成连续的隔绝层。

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纳米无卤高阻燃电缆填充绳生产工艺。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

纳米无卤高阻燃电缆填充绳生产工艺，具体包括如下工序：

工序S1：将聚丙烯树脂、线型低密度聚乙烯树脂、纳米复合阻燃剂、偶联剂、抗氧剂和润滑剂投加到高混机中混匀，得到配合料；

工序S2：将配合料采用双螺杆挤出机塑化挤出，压延成膜，冷却后分切成条，收卷得到坯条；

工序S3：对坯条热拉伸，之后撕裂开网成型，烘制去应力并收卷，即得到填充绳。

进一步地，配合料中各原料的用量按照中重量比百分比计为：线型低密度聚乙烯树脂15-20wt%、纳米复合阻燃剂12-18wt%、偶联剂0.1-0.13wt%、抗氧剂0.12-0.15wt%和润滑剂0.2-0.25wt%，余量为聚丙烯树脂。

进一步地，塑化挤出过程中，双螺杆挤出机的料筒温区设置为：一区180-190℃，二区195-210℃，三区温度为210-220℃，四区温度为220℃，五区温度为210℃，模头温度为225℃。

进一步地，热拉伸过程中的拉伸比为2.2-2.8，拉伸温度为110-125℃。

进一步地，抗氧剂由抗氧剂1010和抗氧剂168混合而成。

进一步地，润滑剂为硬脂酸酰胺。

进一步地，所述纳米复合阻燃剂由以下方法制备：

步骤A1：将二乙烯三胺混溶于丙酮中，采用冰水浴调控温度不高于5℃，通入氮气保护，施加240-360rpm中速搅拌，加入三氯氧磷反应30-40min，之后施加超声震荡，缓慢加入四氯硅烷并升温至45-55℃，控制四氯硅烷的加入反应时间为18-25min，反应结束减压脱除以溶剂丙酮为主的杂质，得到有机团簇载体；

进一步地，二乙烯三胺、三氯氧磷、四氯硅烷和丙酮的用量比为0.1mol：65-70mmol：40-50mmol：120-150mL，在低温状态下，三氯氧磷与过量二乙烯三胺分子中的伯胺反应，形成具有多支状的磷酰化合物，之后在超声状态下，以四氯硅烷为交联材料，与各支链间的酰胺结构反应，形成团簇状的化合物，并向团簇中引入硅元素。

步骤A2：将有机团簇载体、氯化镁和乙醇溶液混匀，升温至50-60℃，超声震荡下缓慢加入氢氧化钠溶液调节直至pH为11，控制氢氧化钠溶液的加入反应时间为1.5-2.2h，反应结束离心取底层沉淀，水洗干燥，得到纳米复合阻燃剂；

进一步地，有机团簇载体、氯化镁和乙醇溶液的用量比为10g：0.35-0.45mol：80-100mL，乙醇溶液的质量分数60%，有机团簇载体分子中由二乙烯三胺引入的多元含氮结构对镁螯合，在有机团簇载体表面富集镁离子，之后与氢氧化钠反应，在表面形成氢氧化镁包覆层。

本发明的有益效果：

本发明公开一种聚丙烯基填充绳，通过复配自制的纳米复合阻燃剂获得优异的阻燃性能，该纳米复合阻燃剂由三氯氧磷与过量二乙烯三胺分子中的伯胺反应，形成具有多支状的磷酰化合物，之后在超声状态下，以四氯硅烷为交联材料，与各支链间的酰胺结构反应，形成团簇状的化合物，利用二乙烯三胺引入的多元含氮结构对镁螯合，在有机团簇载体表面富集镁离子，之后与氢氧化钠反应进行原位沉积，在表面形成氢氧化镁包覆层；在发生火灾初期时，纳米复合阻燃剂芯部的磷酰胺类化合物优先受热分解并集聚在芯层中，随着温度的升高，表层的氢氧化镁分解，壳层支撑作用失效，芯部分解产物迅速释放，在燃烧接触层迅速形成连续的阻隔层，阻断燃烧的蔓延；同时，迅速释放的分解产物在燃烧接触层形成膨化，针对编织加工而成的填充层，膨化作用使得编织间隙更密实，阻碍燃烧的深入，且表层的膨化层在烧蚀后形成碳硅蓬松产物，具有良好的耐烧损能力，持续阻燃燃烧深入，测试中阻燃等级可达到V-0级别；此外，纳米复合阻燃剂具有纳米级的类球状结构，在未烧蚀状态状为硬质材料，对聚丙烯基体具有良好的强化作用，使得填充绳具有更为优异的力学性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例3制备的纳米复合阻燃剂的扫描电镜图。

实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。

实施例

本实施例生产充电桩电缆用PP填充绳，实施过程如下：

1）制备纳米复合阻燃剂

步骤A1、取二乙烯三胺和丙酮搅拌混溶，用冰水浴调控温度在后续反应过程中不高于5℃，通入氮气保护，施加240rpm中速搅拌，加入三氯氧磷并搅拌反应40min，之后以28kHz超声震荡，在10min内缓慢加入四氯硅烷，同时对反应液快速升温，控制温度在45℃，四氯硅烷完全加入后继续反应，超声震荡反应，控制四氯硅烷的加入反应时间为25min，在反应中，二乙烯三胺、三氯氧磷、四氯硅烷和丙酮的用量比为0.1mol：65mmol：50mmol：120mL，反应结束减压脱除以溶剂丙酮为主的杂质，制得有机团簇载体。

步骤A2、配制质量分数为60%的乙醇水溶液，以下均称为乙醇溶液，将氯化镁和乙醇溶液搅拌溶解，再加入有机团簇载体混匀，升温至50℃，以20kHz超声震荡，在30min内缓慢加入氢氧化钠溶液（饱和水溶液）调节混合液的pH值为11，完全加入后继续反应，控制氢氧化钠溶液的加入反应时间为2.2h，在反应中，有机团簇载体、氯化镁和乙醇溶液的用量比为10g：0.35mol：80mL，反应结束离心取底层沉淀，水洗干燥，制得纳米复合阻燃剂

2）制备填充绳

工序S1、配料：按照重量计取原料：

聚丙烯树脂67.55wt%，实施例中均采用T30S型原料，由中国石油天然气股份有限公司庆阳石化分公司提供；

线型低密度聚乙烯树脂20wt%，实施例中均采用DFDA-7042N型原料，由中国石油天然气股份有限公司抚顺石化分公司提供；

纳米复合阻燃剂12wt%，由本实施例制备；

偶联剂0.1wt%，实施例中均采用市售HZY-M30型原料，由常州华之源高分子科技有限公司提供；

抗氧剂0.15wt%，实施例中均采用抗氧剂1010和抗氧剂168按照重量比为1：1混合使用，均由天津利安隆新材料股份有限公司提供；

润滑剂0.2wt%，实施例中均采用ZH-659型原料，由中和化学（山东）有限公司提供；

将各原料投加到高混机中，以2000rpm高速混合20min，制成配合料。

工序S2、挤出加工成型：将配合料投加到双螺杆挤出机中，控制料筒温区设置为：一区180℃，二区195℃，三区温度为210℃，四区温度为220℃，五区温度为210℃，模头温度为225℃，将配合料塑化挤出，熔融料通过压延成膜，控制膜材的厚度为2±0.1mm，冷却后分切成条，收卷得到坯条。

工序S3、将坯条在110℃下进行热拉伸，控制拉伸比为2.8，再对拉伸料进行撕裂开网成型，之后在60℃下烘制30min去应力，得到填充绳。

实施例

本实施例生产充电桩电缆用PP填充绳，实施过程如下：

1）制备纳米复合阻燃剂

步骤A1、取二乙烯三胺和丙酮搅拌混溶，用冰水浴调控温度在后续反应过程中不高于5℃，通入氮气保护，施加360rpm中速搅拌，加入三氯氧磷并搅拌反应30min，之后以28kHz超声震荡，在6min内缓慢加入四氯硅烷，同时对反应液快速升温，控制温度在55℃，四氯硅烷完全加入后继续反应，超声震荡反应，控制四氯硅烷的加入反应时间为18min，在反应中，二乙烯三胺、三氯氧磷、四氯硅烷和丙酮的用量比为0.1mol：70mmol：40mmol：150mL，反应结束减压脱除以溶剂丙酮为主的杂质，制得有机团簇载体。

步骤A2、配制质量分数为60%的乙醇水溶液，以下均称为乙醇溶液，将氯化镁和乙醇溶液搅拌溶解，再加入有机团簇载体混匀，升温至60℃，以20kHz超声震荡，在20min内缓慢加入氢氧化钠溶液（饱和水溶液）调节混合液的pH值为11，完全加入后继续反应，控制氢氧化钠溶液的加入反应时间为1.5h，在反应中，有机团簇载体、氯化镁和乙醇溶液的用量比为10g：0.45mol：100mL，反应结束离心取底层沉淀，水洗干燥，制得纳米复合阻燃剂

2）制备填充绳

工序S1、配料：按照重量计取原料：聚丙烯树脂66.5wt%、线型低密度聚乙烯树脂15wt%、纳米复合阻燃剂18wt%、偶联剂0.13wt%、抗氧剂0.12wt%和润滑剂0.25wt%，将各原料投加到高混机中，以2000rpm高速混合20min，制成配合料。

工序S2、挤出加工成型：将配合料投加到双螺杆挤出机中，控制料筒温区设置为：一区190℃，二区210℃，三区温度为220℃，四区温度为220℃，五区温度为210℃，模头温度为225℃，将配合料塑化挤出，熔融料通过压延成膜，控制膜材的厚度为2±0.1mm，冷却后分切成条，收卷得到坯条。

工序S3、将坯条在125℃下进行热拉伸，控制拉伸比为2.2，再对拉伸料进行撕裂开网成型，之后在60℃下烘制30min去应力，得到填充绳。

实施例

本实施例生产充电桩电缆用PP填充绳，实施过程如下：

1）制备纳米复合阻燃剂

步骤A1、取二乙烯三胺和丙酮搅拌混溶，用冰水浴调控温度在后续反应过程中不高于5℃，通入氮气保护，施加300rpm中速搅拌，加入三氯氧磷并搅拌反应35min，之后以28kHz超声震荡，在8min内缓慢加入四氯硅烷，同时对反应液快速升温，控制温度在50℃，四氯硅烷完全加入后继续反应，超声震荡反应，控制四氯硅烷的加入反应时间为22min，在反应中，二乙烯三胺、三氯氧磷、四氯硅烷和丙酮的用量比为0.1mol：70mmol：45mmol：150mL，反应结束减压脱除以溶剂丙酮为主的杂质，制得有机团簇载体。

步骤A2、配制质量分数为60%的乙醇水溶液，以下均称为乙醇溶液，将氯化镁和乙醇溶液搅拌溶解，再加入有机团簇载体混匀，升温至55℃，以20kHz超声震荡，在25min内缓慢加入氢氧化钠溶液（饱和水溶液）调节混合液的pH值为11，完全加入后继续反应，控制氢氧化钠溶液的加入反应时间为2h，在反应中，有机团簇载体、氯化镁和乙醇溶液的用量比为10g：0.42mol：90mL，反应结束离心取底层沉淀，水洗干燥，制得纳米复合阻燃剂

2）制备填充绳

工序S1、配料：按照重量计取原料：聚丙烯树脂65.52wt%、线型低密度聚乙烯树脂17wt%、纳米复合阻燃剂16wt%、偶联剂0.12wt%、抗氧剂0.14wt%和润滑剂0.22wt%，将各原料投加到高混机中，以2000rpm高速混合20min，制成配合料。

工序S2、挤出加工成型：将配合料投加到双螺杆挤出机中，控制料筒温区设置为：一区190℃，二区205℃，三区温度为220℃，四区温度为220℃，五区温度为210℃，模头温度为225℃，将配合料塑化挤出，熔融料通过压延成膜，控制膜材的厚度为2±0.1mm，冷却后分切成条，收卷得到坯条。

工序S3、将坯条在115℃下进行热拉伸，控制拉伸比为2.5，再对拉伸料进行撕裂开网成型，之后在60℃下烘制30min去应力，得到填充绳。

对比例

本对比例采用纳米级氢氧化镁微粉（型号为HN-MHT01，由杭州恒格纳米科技有限公司提供）和磷腈阻燃剂（型号为FR-HP100，由广州市寅源新材料股份有限公司提供）取代纳米复合阻燃剂，制备填充绳，具体配方为：聚丙烯树脂64wt%、线型低密度聚乙烯树脂18wt%、纳米级氢氧化镁微粉12wt%、磷腈阻燃剂5.5wt%、偶联剂0.1wt%、抗氧剂0.15wt%和润滑剂0.25wt%，具体实施过程同实施例3。

为了便于检测填充绳的相关力学性能，从工序S2中的压延膜中取样，不经分切，直接进行热拉伸和烘制去应力，参照GB/T 1040.2-2022标准进行拉伸性能测试，具体测试数据如表1所示：

表1

由表1数据可知，实施例制备的填充绳的拉伸强度达到40MPa左右，显著优于对比例，断裂伸长率略高于对比例，表现出良好的综合力学性能。

为了模拟填充绳在实际应用的阻燃状态，将以上制备的填充绳采用十字交叉编织，控制经向密度为50根/10cm，纬向密度为30根/10cm，之后置于热压机中以150±5℃、1.2MPa热压定型，用塞规控制厚度为0.8mm，得到编织片状试样，参照UL-94标准进行阻燃测试，具体测试结果如表2所示：

表2

由表2数据可知，实施例制备的填充绳的阻燃等级均达到V-0级别，相较对比例具有更为优异的阻燃性能。

为观察纳米复合阻燃剂的微观结构，选取实施例3制备的纳米复合阻燃剂进行扫描电镜观察，具体如图1所示。

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的构思所作的举例和说明，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，只要不偏离发明的构思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 (9)

1.纳米无卤高阻燃电缆填充绳生产工艺，其特征在于，包括如下工序：

工序S1：将聚丙烯树脂、线型低密度聚乙烯树脂、纳米复合阻燃剂、偶联剂、抗氧剂和润滑剂投加到高混机中混匀，得到配合料；

工序S2：将配合料采用双螺杆挤出机塑化挤出，压延成膜，冷却后分切成条，收卷得到坯条；

工序S3：对坯条热拉伸，之后撕裂开网成型，烘制去应力并收卷，即得到填充绳。

2.根据权利要求1所述的纳米无卤高阻燃电缆填充绳生产工艺，其特征在于，纳米复合阻燃剂由以下方法制备：

步骤A1：将二乙烯三胺混溶于丙酮中，采用冰水浴调控温度不高于5℃，通入氮气保护搅拌并加入三氯氧磷反应30-40min，之后施加超声震荡，缓慢加入四氯硅烷并升温至45-55℃，控制四氯硅烷的加入反应时间为18-25min，反应结束减压脱除丙酮，得到有机团簇载体；

步骤A2：将有机团簇载体、氯化镁和乙醇溶液混匀，升温至50-60℃，超声震荡下缓慢加入氢氧化钠溶液调节直至pH为11，控制氢氧化钠溶液的加入反应时间为1.5-2.2h，反应结束离心取底层沉淀，水洗干燥，得到纳米复合阻燃剂。

3.根据权利要求2所述的纳米无卤高阻燃电缆填充绳生产工艺，其特征在于，二乙烯三胺、三氯氧磷、四氯硅烷和丙酮的用量比为0.1mol：65-70mmol：40-50mmol：120-150mL。

4.根据权利要求3所述的纳米无卤高阻燃电缆填充绳生产工艺，其特征在于，有机团簇载体、氯化镁和乙醇溶液的用量比为10g：0.35-0.45mol：80-100mL。

5.根据权利要求4所述的纳米无卤高阻燃电缆填充绳生产工艺，其特征在于，配合料中各原料的用量按照中重量比百分比计为：线型低密度聚乙烯树脂15-20wt%、纳米复合阻燃剂12-18wt%、偶联剂0.1-0.13wt%、抗氧剂0.12-0.15wt%和润滑剂0.2-0.25wt%，余量为聚丙烯树脂。

6.根据权利要求5所述的纳米无卤高阻燃电缆填充绳生产工艺，其特征在于，抗氧剂由抗氧剂1010和抗氧剂168混合而成。

7.根据权利要求5所述的纳米无卤高阻燃电缆填充绳生产工艺，其特征在于，润滑剂为硬脂酸酰胺。

8.根据权利要求5所述的纳米无卤高阻燃电缆填充绳生产工艺，其特征在于，塑化挤出过程中，双螺杆挤出机的料筒温区设置为：一区180-190℃，二区195-210℃，三区温度为210-220℃，四区温度为220℃，五区温度为210℃，模头温度为225℃。

9.根据权利要求5所述的纳米无卤高阻燃电缆填充绳生产工艺，其特征在于，热拉伸过程中的拉伸比为2.2-2.8，拉伸温度为110-125℃。