CN106832554B - 纳米改性低热释放速率低烟无卤阻燃电缆料及其制备方法 - Google Patents

纳米改性低热释放速率低烟无卤阻燃电缆料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种纳米改性低热释放速率低烟无卤阻燃电缆料，其特征在于：原料配方包括以下重量份数的组分：10~15份硅烷偶联剂高效阻燃母粒，45~65份乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物，15~30份线性低密度聚乙烯，10~15份马来酸酣接枝物，80~120份氢氧化铝，30~80份镁基核壳阻燃剂，1~10份成炭剂，1~10份纳米粘土。本发明的阻燃电缆料综合运用了纳米粘土成炭与抑烟原理，材料的阻燃大大提高，并且其热释放速度、烟释放速率较普通低烟无卤阻燃电缆料有明显降低。

Description

纳米改性低热释放速率低烟无卤阻燃电缆料及其制备方法
技术领域
本发明涉及低烟无卤阻燃电缆料领域，尤其涉及一种纳米改性低热释放速率低烟无卤阻燃电缆料及其制备方法。
背景技术
2013年7月1日起欧盟强制执行最新的建筑产品法规（305/2011/EU-CPR），新CPR法规相比旧的CPD建筑产品指令（89/106/EEC-CPD）更加严格，关于电缆燃烧性能，该指令主要以下采用两个标准：EN 50575：2014《电力、控制盒通信电缆在建筑施工期间要符合防火性要求》与EN 13501-6：2014《建筑制品和构件的火灾分级 第6部分：采用电缆对火反应试验数据的分级》。其中，EN 13501-6：2014就总热值、火焰蔓延、热释放速率、燃烧增长速率指数等电缆材料燃烧量化指标进行了分级，共7个等级。同时，对部分主分级规定了产烟量、燃烧滴落物/微粒和酸度的附加分级。该法规将会在过渡期2016年12月01日后强制执行。
我国也于2014年发布了GB 31247-2014《电缆及光缆燃烧性能分级》，该标准参考了EN 50399与EN 13501-6：2014，结合我国建筑防火安全的实际需要分为4个等级。其中，B1等级等效于EN 13501-6：2014标准中的B2ca等级。
随着我国建筑业的蓬勃发展与电缆行业走出国门走向世界，近两年来，各国与组织相继发布了阻燃等级更高、更安全的电缆标准与规范（如：CPR法规与国标GB 31247-2014），对电缆材料的要求由从传统意义上的火焰传播和蔓延性能方面的研究转入到实际运用中，直接模拟其实际使用情况，从燃烧热释放特性、产烟特性、火焰传播特性以及腐蚀性等方面来综合考核电缆、光缆的燃烧性能。无疑，各种新法规与标准的实施，大大地降低了电缆发生火灾的概率，保障了人民的生命与财务安全。因此，开发出一种符合CPR法规或GB 31247的低热释放速率的低烟无卤阻燃电缆料，既符合低烟无卤阻燃电缆料的发展趋势，也利于推动整个电缆行业的快速发展与水平提高。同时，还可以为我国电缆产品出口欧盟创造条件。
发明内容
本发明的目的是提供一种纳米改性低热释放速率低烟无卤阻燃电缆料及其制备方法，该阻燃电缆料综合运用了纳米粘土成炭与抑烟原理，材料的阻燃大大提高，并且其热释放速度、烟释放速率较普通低烟无卤阻燃电缆料有明显降低。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种纳米改性低热释放速率低烟无卤阻燃电缆料，其特征在于：原料配方包括以下重量份数的组分：
硅烷偶联剂高效阻燃母粒 10~15份，
乙烯-醋酸乙烯酯共聚物 45~65份，
线性低密度聚乙烯 15~30份，
马来酸酣接枝物 10~15份，
氢氧化铝 80~120份，
镁基核壳阻燃剂 30~80份，
成炭剂 1~10份，
纳米粘土 1~10份；
其中，所述硅烷偶联剂高效阻燃母粒是由乙烯-醋酸乙烯酯共聚物与硅烷偶联剂类化合物按照重量比为9:1，经过熔融共混、挤出、冷却、切粒而得到；
在所述原料配方中，所述乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的熔融指数为2~8g/10min，其醋酸乙烯酯（VA）含量占乙烯-醋酸乙烯酯共聚物总质量的10~40%；
所述线性低密度聚乙烯为茂金属线性低密度聚乙烯（mLLDPE），其熔融指数为0.5~10g/10min；
所述马来酸酣接枝物为线性低密度聚乙烯接枝马来醋酸（LLDPE-g-MAH）或乙烯-醋酸乙烯酯共聚物接枝马来醋酸（EVA-g-MAH），马来醋酸接枝物的熔融指数为0.5~7g/10min；
所述氢氧化铝是粒径为1.5~3.0μm、比表面积为4~7m2/g的微粒；
所述镁基核壳阻燃剂是以粒径为1.5~3.0μm的氢氧化镁为“核”，粒径为1~100nm的纳米硼酸锌为“壳”的复合阻燃剂；
所述成炭剂为氧化铁、钼酸铵、氧化锑以及沸石中的任意一种；
所述纳米粘土为蒙脱土、海泡石、凹凸棒土、高岭土、坡缕石以及层状双羟基复合金属氢氧化物中的任意一种。
上述技术方案中的有关内容解释如下：
1、上述方案中，所述硅烷偶联剂类化合物为硅烷偶联剂A-151、A-171、A-172、KH-550、KH-560、KH-570、S320、S330以及S210中的任意一种。
2、上述方案中，所述纳米粘土与成炭剂按重量份数来计算，两者重量份数之和不大于10份。
3、上述方案中，所述原料配方还包括1~3重量份的分散剂，分散剂为莱茵公司生产的莱茵散A-16或莱茵散A-25。
4、上述方案中，所述原料配方还包括1~4重量份的润滑剂，润滑剂为分子量为60~100万的超高分子硅酮母粒、PE蜡、EVA蜡以及环烷基橡胶油中的任意一种。
5、上述方案中，所述原料配方还包括1~3重量份的抗氧剂，该抗氧剂是以四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯为主抗氧剂、硫代二丙酸双月桂酯为辅助抗氧剂的复配抗氧剂，二者的复配比例按重量比为1：1~2：1。
6、上述方案中，所述硅烷偶联剂高效阻燃母粒中所用的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物与原料配方中的组分乙烯-醋酸乙烯酯共聚物保持一致。
7、上述方案中，所述镁基核壳阻燃剂中的氢氧化镁与纳米硼酸锌的质量比为90：10~60：40。
进一步地，所述纳米改性低热释放速率低烟无卤阻燃电缆料的制备方法依次包括以下步骤：
（1）制备硅烷偶联剂高效阻燃母粒：将密炼机温度控制在50~90℃，转速为10~50转/分，将乙烯-醋酸乙烯酯共聚物加入到密炼机中，待其熔融加入硅烷偶联剂类化合物，熔融共混5~20分钟，再经挤出、冷却、切粒，得到硅烷偶联剂高效阻燃母粒，收于铝箔袋中，真空包装保存待用；
（2）成品料生产：按配方称取各原材料后加入到温度为80~90℃的密炼机中，密炼10~15分钟后再排入温度为110~130℃双螺杆/单螺杆双阶混炼机组中塑化挤出，再经冷风磨面切粒、风冷、振动筛分选，即可制得一种纳米改性低热释放速率低烟无卤阻燃电缆料。
与现有技术相比本发明具有以下特性：
（1）本发明配方中的硅烷偶联剂高效阻燃母粒作为阻燃剂应用于低烟无卤阻燃电缆料中，发明人还发现当硅烷偶联剂高效阻燃母粒中的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物与硅烷偶联剂类化合物按照重量比为9:1进行配比后，能够克服整个基体树脂热释放量大和纳米粒子易于在基体中团聚的缺点。
（2）本发明配方中的镁基核壳阻燃剂有较大的比表面积，利于提高与聚合物基体的相互作用，进而改善复合物力学性能，且有优良的阻燃剂，减少无机阻燃剂的填充比例。
（3）本发明配方中的成炭剂促使聚合物与纳米粘***同形成致密的炭层，以降低热释放速率。
总之，本发明将硅烷偶联剂高效阻燃母粒作为阻燃剂添加至共混物中，克服了基体树脂（乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、线性低密度聚乙烯以及马来酸酣接枝物三者构成了基体树脂）热释放量大和纳米粒子易于在基体中团聚的缺点；综合运用了纳米粘土成炭性好与表面吸附抑烟等原理、镁基核壳阻燃剂高效阻燃，使得共混物在燃烧过程释放出更少的热量与烟尘，达到低热释放速率与烟释放速率的目的。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实施例1~4：一种纳米改性低热释放速率低烟无卤阻燃电缆料及其制备方法
一、原料配方：
表1 对比例与实施例1~4具体配方（重量份数）
原材料 对比例 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
硅烷偶联剂类高效阻燃母粒 10 13 15 15
乙烯-醋酸乙烯酯共聚物 60 55 55 50 60
线性低密度聚乙烯 25 20 18 22 13
马来酸酣接枝物 15 15 14 13 12
氢氧化铝 120 80 100 110 120
氢氧化镁 40
镁基核壳阻燃剂 30 30 40 50
成炭剂 10 7 5 3 4
纳米粘土 3 5 6 6
分散剂 1 1 2 2.5
润滑剂 2 1.5 1.5 2 2.5
抗氧剂 2 1.5 1.5 2 2
配方中所用原材料说明如下：
对比例与实施例1~4中乙烯-醋酸乙烯酯共聚物均采用阿科玛生产的EVA2803，熔融指数为2~8g/10min，其醋酸乙烯酯含量占乙烯-醋酸乙烯酯共聚物总质量的10~40%；
对比例与实施例1~4中线性低密度聚乙烯均采用埃克森美孚生产的mLLDPE3158CB，该线性低密度聚乙烯为茂金属线性低密度聚乙烯（mLLDPE），其熔融指数为0.5~10g/10min；
对比例与实施例1~4中氢氧化铝均采用中铝生产的H-WF-01-SP，氢氧化铝是粒径为1.5~3.0μm、比表面积为4~7m2/g的微粒；
对比例与实施例1~4中抗氧剂均采用按1010：DLTP=1：1的复配物；
对比例中马来醋酣接枝物为LLDPE-g-MAH，氢氧化镁为艾特克生产45FD，润滑剂为大华生产的硅酮母粒PW1050；实施例1~2的马来醋酣接枝物为LLDPE-g-MAH，实施例3~4的马来醋酣接枝物为EVA-g-MAH，马来醋酸接枝物的熔融指数为0.5~7g/10min
实施例1~4的硅烷偶联剂高效阻燃母粒是由乙烯-醋酸乙烯酯共聚物与硅烷偶联剂类化合物按照重量比为9:1，经过熔融共混、挤出、冷却、切粒而得到；其中，实施例1~2的硅烷偶联剂为A-172，实施例3~4的硅烷偶联剂为S330。
实施例1~2的成炭剂为氧化铁，实施例3的成炭剂为钼酸铵，实施例4的成炭剂为沸石。
实施例1~2的纳米粘土为纳米蒙脱土，实施例3的纳米粘土为层状双羟基复合金属氢氧化物，实施例4的纳米粘土为海泡石。
实施例1~4镁基核壳阻燃剂为粒径为1.5~3.0um的氢氧化镁为“核”，纳米硼酸锌为“壳”的复合阻燃剂，其中，氢氧化镁与纳米硼酸锌的质量比为80：20。
实施例1~2的分散剂为莱茵公司生产的莱茵散A-16，实施例3~4的分散剂为莱茵公司生产的莱茵散A-25。
实施例1与实施例4的润滑剂为大华硅酮母粒PW1050，实施例2为佳华生产的硅酮母粒GW-6125，实施例3的润滑剂为思立可生产的硅酮母粒LYSI-01。
二、制备方法：
1）对比例制备方法：
按表1配方称取物料，先将一半的树脂投入温度为80~90℃的密炼机中，再将粉料投入其中，随后投入助剂与剩余的树脂，关闭密炼机，使物料在密炼机中混炼10~15分钟，熔体温度达到140~150℃时排出转至双螺杆/单螺杆混炼机组中挤出，再经切粒、冷却、包装，得到对比例成品。
2）实施例1~4制备方法：
a)将密炼机温度控制在50~90℃，转速为10~50转/分，将90份乙烯-醋酸乙烯酯共聚物加入到密炼机中，待其熔融加入10份硅烷偶联剂类化合物，熔融共混5~20分钟，再经挤出、冷却、切粒，得到硅烷偶联剂高效阻燃母粒，收于铝箔袋中，真空包装保存待用；
b)按表1配方称取物料，先将一半的树脂投入温度为80~90℃的密炼机中，再将粉料投入其中，随后投入助剂与剩余的树脂，关闭密炼机，使物料在密炼机中混炼10~15分钟，熔体温度达到140~150℃时排出转至双螺杆/单螺杆混炼机组中挤出，再经切粒、冷却、包装，得到实施例1~4成品。
三、检测
取成品料在平板硫化机上经175℃×10min压片，压力为15MPa，样片厚度1mm与3mm，在室温下放置16h后进行测试。其中，锥形量热仪测试时试样尺寸按100mm×100mm×3mm裁剪，在热功率为30kW条件下测试。测试结果如表2。
表2 测试结果
测试项目 对比例 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
抗张强度（Mpa） 11.9 11.1 10.9 10.9 10.5
断裂伸长率（%） 170 230 206 195 185
氧指数（%） 32 32 34 35 38
最大热释放速率（kW/m<sup>2</sup>) 151 121 101 92 75
烟释放速率（m<sup>2</sup>/s） 0.092 0.033 0.023 0.019 0.014
从表2可以看出，一种纳米改性低热释放速率低烟无卤阻燃电缆料实施例1~4在最大热释放速率与烟释放速率均明显低于常规低烟无卤电缆料（对比例）。其中，利用实施例3与实施例4 生产的线规为4x2xAWG23, Category 6A成功地通过了EN 13501-6：2014标准中的B2ca等级测试。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种纳米改性低热释放速率低烟无卤阻燃电缆料，其特征在于：原料配方包括以下重量份数的组分：
硅烷偶联剂高效阻燃母粒 10~15份，
乙烯-醋酸乙烯酯共聚物 45~65份，
线性低密度聚乙烯 15~30份，
马来酸酐接枝物 10~15份，
氢氧化铝 80~120份，
镁基核壳阻燃剂 30~80份，
成炭剂 1~10份，
纳米粘土 1~10份；
其中，所述硅烷偶联剂高效阻燃母粒是由乙烯-醋酸乙烯酯共聚物与硅烷偶联剂类化合物按照重量比为9:1，经过熔融共混、挤出、冷却、切粒而得到；所述硅烷偶联剂类化合物为硅烷偶联剂A-151、A-171、A-172、KH-550、KH-560、KH-570、S320、S330以及S210中的任意一种；
在所述原料配方中，所述乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的熔融指数为2~8g/10min，其醋酸乙烯酯含量占乙烯-醋酸乙烯酯共聚物总质量的10~40%；
所述线性低密度聚乙烯为茂金属线性低密度聚乙烯，其熔融指数为0.5~10g/10min；
所述马来酸酐接枝物为线性低密度聚乙烯接枝马来酸酐或乙烯-醋酸乙烯酯共聚物接枝马来酸酐，马来酸酐接枝物的熔融指数为0.5~7g/10min；
所述氢氧化铝是粒径为1.5~3.0μm、比表面积为4~7m2/g的微粒；
所述镁基核壳阻燃剂是以粒径为1.5~3.0μm的氢氧化镁为“核”，粒径为1~100nm的纳米硼酸锌为“壳”的复合阻燃剂；
所述成炭剂为氧化铁、钼酸铵、氧化锑以及沸石中的任意一种；
所述纳米粘土为蒙脱土、海泡石、凹凸棒土、高岭土、坡缕石以及层状双羟基复合金属氢氧化物中的任意一种。
2.根据权利要求1所述的纳米改性低热释放速率低烟无卤阻燃电缆料，其特征在于：所述纳米粘土与成炭剂按重量份数来计算，两者重量份数之和不大于10份。
3.根据权利要求1所述的纳米改性低热释放速率低烟无卤阻燃电缆料，其特征在于：所述镁基核壳阻燃剂中的氢氧化镁与纳米硼酸锌的质量比为90：10~60：40。
4.根据权利要求1所述的纳米改性低热释放速率低烟无卤阻燃电缆料，其特征在于：所述原料配方还包括1~3重量份的分散剂，分散剂为莱茵公司生产的莱茵散A-16或莱茵散A-25。
5.根据权利要求1所述的纳米改性低热释放速率低烟无卤阻燃电缆料，其特征在于：所述原料配方还包括1~4重量份的润滑剂，润滑剂为分子量为60~100万的超高分子硅酮母粒、PE蜡、EVA蜡以及环烷基橡胶油中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的纳米改性低热释放速率低烟无卤阻燃电缆料，其特征在于：所述原料配方还包括1~3重量份的抗氧剂，该抗氧剂是以四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯为主抗氧剂、硫代二丙酸双月桂酯为辅助抗氧剂的复配抗氧剂，二者的复配比例按重量比为1：1~2：1。
7.根据权利要求1~6任意一项所述的纳米改性低热释放速率低烟无卤阻燃电缆料的制备方法，其特征在于：依次包括以下步骤：
（1）制备硅烷偶联剂高效阻燃母粒：将密炼机温度控制在50~90℃，转速为10~50转/分，将乙烯-醋酸乙烯酯共聚物加入到密炼机中，待其熔融后加入硅烷偶联剂类化合物，熔融共混5~20分钟，再经挤出、冷却、切粒，得到硅烷偶联剂高效阻燃母粒，收于铝箔袋中，真空包装保存待用；
（2）成品料生产：按所述原料配方称取各材料后加入到温度为80~90℃的密炼机中，密炼10~15分钟后再排入110~130℃双螺杆/单螺杆双阶混炼机组中塑化挤出，再经冷风磨面切粒、风冷、振动筛分选，即可制得所述纳米改性低热释放速率低烟无卤阻燃电缆料。
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