CN114516985B - 一种绝缘包覆材料及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种绝缘包覆材料及其应用，涉及电力电缆护套料技术领域。本发明提供的绝缘包覆材料包括如下重量份数的组分：线性低密度聚乙烯35‑45份、乙烯‑辛烯共聚物35‑45份、乙烯‑醋酸乙烯酯共聚物10‑35份、聚乙烯接枝马来酸酐5‑10份、阻燃剂150份、协效阻燃剂7‑12份等。本发明通过在现有电缆护套料基础树酯的基础上引入特定的阻燃剂、协效阻燃剂和紫外光交联剂，各组分之间协效作用，使制备的绝缘包覆材料阻燃性能优异，能满足GB 32147B1级阻燃要求，同时可以实现紫外光交联，交联后满足材料耐温105℃等级要求。

Description

一种绝缘包覆材料及其应用
技术领域
本发明涉及电力电缆护套料技术领域，特别涉及一种绝缘包覆材料及其应用。
背景技术
低烟无卤阻燃护套电缆料一般是热塑性材料，耐温等级为90℃左右，无法满足一些高温场景的要求。为提高电缆料的耐高温性能，可通过对材料进行交联改性处理。但GB/T31247 B1级阻燃相比于GB/T 19666和GB/T 17651，对护套材料的热释放和烟释放性能有更高的要求，传统护套材料较难满足。此外，低烟无卤护套电缆料由于阻燃剂添加量较多，会严重影响紫外光交联效率，从而导致交联度不合格。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明的主要目的是提供一种绝缘包覆材料及其应用。
为实现上述目的，第一方面，本发明提出了一种绝缘包覆材料，包括如下重量份数的组分：
Figure BDA0003523639740000011
其中，所述阻燃剂为氢氧化铝和氢氧化镁的复配物，且所述氢氧化铝为硅烷包覆型氢氧化铝，所述氢氧化镁为硅烷包覆型氢氧化镁；
所述协效阻燃剂为红磷母粒和甲基乙烯基硅橡胶的复配物，所述红磷母粒为采用胺树脂包覆的包覆型红磷母粒；
所述紫外光交联剂为咪唑类紫外光交联剂、苯甲酮类紫外光交联剂中的至少一种。
本发明技术方案中，阻燃剂采用经硅烷进行表面包覆处理的氢氧化镁和氢氧化铝搭配使用。发明人经过大量试验发现，单独使用氢氧化铝作为阻燃剂会导致制备的绝缘包覆材料热释放值过高；而氢氧化镁虽然具有良好的降低材料热释放的效果，但单独使用氢氧化镁作为阻燃剂会影响绝缘包覆材料的交联程度，进而影响绝缘包覆材料的耐高温性能。两者复配使用可起到相互协同的作用。
本发明技术方案中，协效阻燃剂采用特殊包覆的红磷母粒和甲基乙烯基硅橡胶复配。一方面，硅-磷协效阻燃有助于材料成炭，形成低热释放、高成炭的阻燃材料，B1成束燃烧过程中，能有效地保护电缆结构；另一方面，甲基乙烯基硅橡胶自身含有不饱和基团，有利于材料在紫外光引发条件下交联，从而促进紫外光交联剂在体系中发挥稳定的交联效果。
本发明技术方案中，选用咪唑类紫外光交联剂、苯甲酮类紫外光交联剂中的至少一种作为紫外光交联剂，相较于其他类型的紫外光交联剂，上述紫外光交联剂活性高，能在含有大量填料的阻燃线缆料中起到较好的交联作用，且更容易在大量填料条件下交联。
本发明技术方案通过在现有电缆护套料基础树酯的基础上引入特定的阻燃剂、协效阻燃剂和紫外光交联剂，各组分之间协效作用，使制备的绝缘包覆材料阻燃性能优异，能满足GB 32147 B1级阻燃要求，同时可以实现紫外光交联，交联后满足材料耐温105℃等级要求。
本发明所使用的红磷母粒的具体制备方法为本领域的常规合成方法，具体包括如下步骤：在碱性条件下将三聚氰胺和甲醛调制成透明的三聚氰胺-甲醛预聚物备用；将超细红磷与三聚氰胺-甲醛预聚物按(3-5)：1的重量比混合搅拌均匀，得到分散均匀的红磷/三聚氰胺-甲醛混合物；再在油脂中加入一定量的乳化剂，搅拌分散均匀备用；向含乳化剂的油脂中加入红磷/三聚氰胺-甲醛混合物，搅拌得到稳定的悬浮液；在恒温搅拌同时向悬浮液中加酸至反应完成，而后过滤，所得固体物质用乙酸乙酯洗涤后，放入真空干燥箱内60-100℃下恒温干燥，得到密胺树脂微胶囊化红磷；按密胺树脂微胶囊化红磷：EVA＝(70-90)：(10-20)的重量比将密胺树脂微胶囊化红磷和EVA投入到密炼机密炼到料温110-130℃，出料，经过单螺杆造粒，造粒温度为90-110℃造粒制备得红磷母粒。
作为本发明所述绝缘包覆材料的优选实施方式，所述阻燃剂中氢氧化铝和氢氧化镁的重量比为氢氧化铝：氢氧化镁＝(1.5-4):1。
通过优化阻燃剂中氢氧化铝和氢氧化镁的重量比可以进一步降低绝缘包覆材料的热释放量。发明人经过大量实验发现，阻燃剂中氢氧化铝和氢氧化镁的重量比为(1.5-4):1时，制备的绝缘包覆材料的热释放峰值和热释放总量更低。
作为本发明所述绝缘包覆材料的优选实施方式，所述阻燃剂中氢氧化铝和氢氧化镁的重量比为氢氧化铝：氢氧化镁＝(2-3):1。
发明人经过大量试验发现，阻燃剂中氢氧化铝和氢氧化镁的重量比为(2-3):1时，制备的绝缘包覆材料的热释放峰值和热释放总量可进一步降低。
作为本发明所述绝缘包覆材料的优选实施方式，所述协效阻燃剂中红磷母粒和甲基乙烯基硅橡胶的重量比为红磷母粒：甲基乙烯基硅橡胶＝(1-3):1。
协效阻燃剂中红磷母粒和甲基乙烯基硅橡胶的重量比同样对绝缘包覆材料的热释放量具有较大的影响。当协效阻燃剂中红磷母粒和甲基乙烯基硅橡胶的重量比为(1-3):1时，制备的绝缘包覆材料表现出更低的热释放峰值和热释放总量。
作为本发明所述绝缘包覆材料的优选实施方式，所述协效阻燃剂中的甲基乙烯基硅橡胶与所述紫外光交联剂的重量比为甲基乙烯基硅橡胶：紫外光交联剂＝(1.5-2):1。
发明人经过大量实验发现，甲基乙烯基硅橡胶与紫外光交联剂的重量比对绝缘包覆材料交联后的热老化前后的拉伸强度变化率和断裂伸长率变化率具有较大的影响。当甲基乙烯基硅橡胶与紫外光交联剂的重量比为(1.5-2):1时，对应的绝缘包覆材料交联后的热老化前后的拉伸强度变化率和断裂伸长率变化率绝对值更低，材料的耐热老化性能越好。
作为本发明所述绝缘包覆材料的优选实施方式，所述咪唑类紫外光交联剂为2,2’-二(2-氯苯基)-4,4’,5,5’-四苯基1,2-二咪唑、1，3-二氮杂环戊二烯、2-甲基-1，3-氮杂茂中的至少一种；所述苯甲酮类紫外光交联剂为二苯甲酮、4-苯基二苯甲酮中的至少一种。
作为本发明所述绝缘包覆材料的优选实施方式，所述甲基乙烯基硅橡胶按照GB/T36691-2018测定其乙烯基的摩尔含量为0.10-0.15％。
甲基乙烯基硅橡胶中乙烯基的含量会影响绝缘包覆材料交联后的热老化前后的拉伸强度变化率和断裂伸长率变化率。发明人经过大量实验发现，采用乙烯基含量为0.10-0.15％的甲基乙烯基硅橡胶制备的绝缘包覆材料交联后可表现出更优异的耐热老化性能。
作为本发明所述绝缘包覆材料的优选实施方式，所述加工助剂为抗氧剂、润滑剂中的至少一种。
作为本发明所述绝缘包覆材料的优选实施方式，所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂168中的至少一种；所述润滑剂为硬脂酸钙、聚乙烯蜡、硅油、硅酮母粒中的至少一种。
第二方面，本发明还提出一种绝缘包覆材料在制备电力电缆护套料中的应用。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明技术方案通过在现有电缆护套料基础树酯的基础上引入特定的阻燃剂、协效阻燃剂和紫外光交联剂，各组分之间协效作用，使制备的绝缘包覆材料阻燃性能优异，能满足GB 32147 B1级阻燃要求，同时可以实现紫外光交联，交联后满足材料耐温105℃等级要求。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将通过具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明实施例和对比例的原料来源如下：
一、线性低密度聚乙烯(LLDPE)
LLDPE-1：熔体质量流动速率为3g/min，牌号为LLDPE 3518PA，购自埃克森；
LLDPE-2：熔体质量流动速率为4.5g/min，牌号为LLDPE 4536PA，购自埃克森；
二、乙烯-辛烯共聚物(POE)
POE-1：熔体质量流动速率为1g/min，牌号为POE 8100，购自陶氏化学；
POE-2：熔体质量流动速率为5g/min，牌号为POE 8200，购自陶氏化学；
三、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)
EVA-1：熔体质量流动速率为3g/min，牌号为EVA UL00328，购自埃克森；
EVA-2：熔体质量流动速率为7g/min，牌号为EVA UL00728，购自埃克森；
四、聚乙烯接枝马来酸酐(PE-g-MAH)
PE-g-MAH-1：牌号为MC218，购自能之光；
PE-g-MAH-2：牌号为MC226，购自能之光；
五、阻燃剂
1、氢氧化铝
氢氧化铝A：不经改性处理，D50粒径为2μm，牌号为AH-01DG，购自中超铝业；
氢氧化铝B：氢氧化铝采用硅烷进行表面包覆处理，包覆处理后的氢氧化镁的D50粒径约为2μm，牌号为AH-01DGM，购自中超铝业；
2、氢氧化镁
氢氧化镁A：不经改性处理，D50粒径为2μm，牌号为Aitemag 14，购自江苏艾特克；
氢氧化镁B：氢氧化镁采用硅烷进行表面包覆处理，包覆处理后的氢氧化镁的D50粒径约为2μm，牌号为Aitemag 14FD，购自艾特克公司；
3、常见的其他无机阻燃剂
硼酸锌：牌号为Estone ZB-03，购自于安徽壹石通；
六、协效阻燃剂
1、红磷母粒：自制，红磷含量为75％；
2、甲基乙烯基硅橡胶
甲基乙烯基硅橡胶A：乙烯基含量为0.07％，牌号为110-1A，购自东爵有机硅；
甲基乙烯基硅橡胶B：乙烯基含量为0.10％，牌号为110-1B，购自东爵有机硅；
甲基乙烯基硅橡胶C：乙烯基含量为0.15％，牌号为110-2A，购自东爵有机硅；
甲基乙烯基硅橡胶D：乙烯基含量为0.18％，牌号为110-2B，购自东爵有机硅；
七、紫外光交联剂
1、咪唑类紫外光交联剂
2,2’-二(2-氯苯基)-4,4’,5,5’-四苯基1,2-二咪唑：牌号为B-CIM，购自上海阿拉丁；
1，3-二氮杂环戊二烯，购自上海阿拉丁；
2-甲基-1，3-氮杂茂，牌号为2MZ-CN，购自日本钟渊；
2、苯甲酮类紫外光交联剂
二苯甲酮：牌号为BP，购自江阴宇兴；
4-苯基二苯甲酮：购自上海阿拉丁；
3、其他类型的紫外光交联剂
4，6-三甲基苯甲酰基)-苯基氧化膦，牌号为Irgacure 819，购于北京益利精细化学品有限公司；
八、加工助剂
1、抗氧剂：抗氧剂1010、抗氧剂168按1:1的重量比混合，抗氧剂1010和抗氧剂168均为市售产品；
2、润滑剂
硬脂酸钙：市售；
聚乙烯蜡：市售。
下述实施例和对比例中，如无特别说明，抗氧剂、润滑剂均通过市售获得，且平行实验中使用的是相同的。
本发明实施例和对比例中所使用的红磷母粒的具体制备方法包括如下步骤：在碱性条件下将三聚氰胺和甲醛调制成透明的三聚氰胺-甲醛预聚物备用；将超细红磷与三聚氰胺-甲醛预聚物按4：1的重量比混合搅拌均匀，得到分散均匀的红磷/三聚氰胺-甲醛混合物；再在油脂中加入一定量的乳化剂，搅拌分散均匀备用；向含乳化剂的油脂中加入红磷/三聚氰胺-甲醛混合物，搅拌得到稳定的悬浮液；在恒温搅拌同时向悬浮液中加酸至反应完成，而后过滤，所得固体物质用乙酸乙酯洗涤后，放入真空干燥箱内70℃下恒温干燥，得到密胺树脂微胶囊化红磷；按密胺树脂微胶囊化红磷：EVA＝85：15的重量比将密胺树脂微胶囊化红磷和EVA 投入到密炼机密炼到料温120℃，出料，经过单螺杆造粒，造粒温度为90-110℃造粒制备得红磷母粒。
本发明实施例和对比例中相关性能测试标准或方法如表1所示。试样按如下方法制备：将各实施例、对比例制备的绝缘包覆材料在平板硫化机上经180℃*10min压片，压力为15Mpa，样片厚度1mm，准备进行紫外光照射交联，
(1)紫外光交联方法：总功率为18KW的UV灯照5秒实现交联，交联后冷却到常温，放置16小时后进行测试材料的热释放峰值、热释放总量；
(2)热延伸测试方法：按照GB/T 2951.21-2008规定的步骤进行；
(3)热老化测试方法：根据GB/T 32129-2015中5.4测试方法，在136℃下老化168h后进行测试。
表1.性能测试标准
Figure BDA0003523639740000071
注：(1)本申请中的热释放峰值和热释放总量反应材料的阻燃性能，当热释放峰值和热释放总量均合格时，材料通过B1级阻燃要求；
(2)交联后热延伸率达标，对应材料可以实现良好的紫外光交联，热延伸率越低，交联度越高；
(3)热老化前后的拉伸强度变化率和断裂伸长率变化率达标，则材料的耐热老化性能良好，满足耐温105℃等级要求；拉伸强度变化率和断裂伸长率变化率的绝对值越低越好。
本发明实施例和对比例中绝缘包覆材料的制备方法包括以下步骤：将各原料按配比投入到密炼机中混炼，混炼至料温为145-160℃，密炼10分钟以上出料，再投入到单螺杆造粒机中，控制单螺杆造粒机的螺杆转速为50rpm，长径比为20：1，温度为120℃，采用风冷模面切粒方式进行造粒得到绝缘包覆材料。
实施例1-5、对比例1-5的组分情况如下表2所示，各组分的用量按重量份数计；对应的性能测试结果如表3所示。
表2.实施例1-5、对比例1-5的组分情况
Figure BDA0003523639740000081
表3.实施例1-5、对比例1-5的性能测试结果
Figure BDA0003523639740000091
由表2、3可知，实施例1-5制备的绝缘包覆材料满足于B1阻燃，紫外光交联前后热延伸率均≤100％，且绝缘包覆材料热老化前后的拉伸强度变化率和断裂伸长率变化率均达标，满足耐温105℃等级要求。
与实施例1相比，对比例1中采用硼酸锌替换氢氧化铝B，对应制备的绝缘包覆材料不满足B1级阻燃要求；
与实施例1相比，对比例2中阻燃剂均采用未经包覆处理的氢氧化铝和氢氧化镁，对应制备的绝缘包覆材料阻燃性明显降低，不满足B1级阻燃要求，同时材料的耐热老化性能下降，不满足耐热老化要求；
与实施例1相比，对比例3中的协效阻燃剂中不添加红磷母粒，对应制备的绝缘包覆材料不满足B1级阻燃要求；
与实施例1相比，对比例4中的协效阻燃剂中不添加甲基乙烯基硅橡胶，对应制备的绝缘包覆材料不满足B1级阻燃要求，且交联度下降，不满足紫外光交联要求；
与实施例1相比，对比例5中紫外光交联剂类型不同，对比例5制备的绝缘包覆材料的热释放峰值不达标，且交联度下降，不满足紫外光交联要求，此外，对比例5制备的绝缘包覆材料的耐热老化性能低，不满足耐热老化要求。
以实施例1为参考参考对象，考察阻燃剂中氢氧化铝和氢氧化镁的重量比对绝缘包覆材料性能的影响。相关组分情况如下表4所示，各组分的用量按重量份数计；对应的性能测试结果如表5所示。
表4.实施例1、6-11的组分情况
Figure BDA0003523639740000101
表5.实施例1、6-11的性能测试结果
Figure BDA0003523639740000102
由表4、5可知，实施例8、9对应的绝缘包覆材料的热释放峰值和热释放总量在上述实施例中最低；其次，实施例1、7、10对应的绝缘包覆材料的热释放峰值和热释放总量也较低，但高于实施例8、9对应的绝缘包覆材料的热释放峰值和热释放总量；实施例6、11对应的绝缘包覆材料的热释放峰值和热释放总量在上述实施例中最高。由此表明，当阻燃剂中氢氧化铝和氢氧化镁的重量比为(2-3):1时，制备的绝缘包覆材料的热释放峰值和热释放总量在同等条件下表现出最低值，即绝缘包覆材料的阻燃性能更优异。
以实施例2为为参考参考对象，考察协效阻燃剂中红磷母粒和甲基乙烯基硅橡胶的重量比对绝缘包覆材料性能的影响。相关组分情况如下表6所示，各组分的用量按重量份数计；对应的性能测试结果如表7所示。
表6.实施例2、12-15的组分情况
Figure BDA0003523639740000111
表7.实施例2、12-15的性能测试结果
Figure BDA0003523639740000112
由表6、7可知，实施例2、13-14对应的绝缘包覆材料的热释放峰值和热释放总量低于实施例12、15对应的绝缘包覆材料的热释放峰值和热释放总量。由此表明，本发明中组成协效阻燃剂的两种成分的重量比同样对绝缘包覆材料的热释放量具有较大的影响。当协效阻燃剂中红磷母粒和甲基乙烯基硅橡胶的重量比为(1-3):1时，制备的绝缘包覆材料能表现出更低的热释放峰值和热释放总量。
以实施例2为参考对象，考察协效阻燃剂中的甲基乙烯基硅橡胶与紫外光交联剂的重量比对绝缘包覆材料性能的影响。相关组分情况如下表8所示，各组分的用量按重量份数计；对应的性能测试结果如表9所示。
表8.实施例2、16-19的组分情况
Figure BDA0003523639740000121
表9.实施例2、16-19的性能测试结果
Figure BDA0003523639740000122
Figure BDA0003523639740000131
由表8、9可知，实施例2、17-18对应的绝缘包覆材料交联后的热老化前后的拉伸强度变化率和断裂伸长率变化率的绝对值小于实施例16、19对应的绝缘包覆材料交联后的热老化前后的拉伸强度变化率和断裂伸长率变化率的绝对值。表明，在本申请技术方案中，当选择甲基乙烯基硅橡胶与紫外光交联剂的重量比为(1.5-2):1时，可使制备的绝缘包覆材料交联后的热老化前后的拉伸强度变化率和断裂伸长率变化率进一步降低，从而提高材料的耐热老化新性能。
以实施例5为参考对象，考察甲基乙烯基硅橡胶中乙烯基含量对绝缘包覆材料性能的影响。相关组分情况如下表10所示，各组分的用量按重量份数计；对应的性能测试结果如表11所示。
表10.实施例5、20-22的组分情况
Figure BDA0003523639740000132
表11.实施例5、20-22的性能测试结果
Figure BDA0003523639740000133
Figure BDA0003523639740000141
由表10、11可知，实施例5、21对应制备的绝缘包覆材料交联后的热老化前后的拉伸强度变化率和断裂伸长率变化率的绝对值明显低于实施例20、22制备的绝缘包覆材料交联后的热老化前后的拉伸强度变化率和断裂伸长率变化率的绝对值。表明协效阻燃剂中甲基乙烯基硅橡胶的乙烯基的含量同样对绝缘包覆材料交联后的热老化前后的拉伸强度变化率和断裂伸长率变化率具有较大的影响，甲基乙烯基硅橡胶的乙烯基的含量过低或过高均不利于提高材料的耐热老化性能。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (7)

1.一种紫外交联型绝缘包覆材料，其特征在于，包括如下重量份数的组分：
线性低密度聚乙烯35-45份
乙烯-辛烯共聚物35-45份
乙烯-醋酸乙烯酯共聚物10-35份
聚乙烯接枝马来酸酐5-10份
阻燃剂150份
协效阻燃剂7-12份
紫外光交联剂1-4份
加工助剂2-4份；
其中，所述阻燃剂为氢氧化铝和氢氧化镁的复配物，且所述氢氧化铝为硅烷包覆型氢氧化铝，所述氢氧化镁为硅烷包覆型氢氧化镁；
所述协效阻燃剂为红磷母粒和甲基乙烯基硅橡胶的复配物，所述红磷母粒为采用密胺树脂包覆的包覆型红磷母粒；
所述紫外光交联剂为咪唑类紫外光交联剂、苯甲酮类紫外光交联剂中的至少一种；
所述协效阻燃剂中红磷母粒和甲基乙烯基硅橡胶的重量比为红磷母粒：甲基乙烯基硅橡胶=（1-3）:1；
所述甲基乙烯基硅橡胶按照GB/T 36691-2018 测定其乙烯基的摩尔含量为0.10-0.15%；
所述阻燃剂中氢氧化铝和氢氧化镁的重量比为氢氧化铝：氢氧化镁=（1.5-4）:1。
2.如权利要求1所述的紫外交联型绝缘包覆材料，其特征在于，所述阻燃剂中氢氧化铝和氢氧化镁的重量比为氢氧化铝：氢氧化镁=（2-3）:1。
3.如权利要求1所述的紫外交联型绝缘包覆材料，其特征在于，所述协效阻燃剂中的甲基乙烯基硅橡胶与所述紫外光交联剂的重量比为甲基乙烯基硅橡胶：紫外光交联剂=（1.5-2）:1。
4.如权利要求1所述的紫外交联型绝缘包覆材料，其特征在于，所述咪唑类紫外光交联剂为2,2’-二（2-氯苯基）-4,4’,5,5’-四苯基1,2-二咪唑、1，3-二氮杂环戊二烯、2-甲基-1，3-氮杂茂中的至少一种；所述苯甲酮类紫外光交联剂为二苯甲酮、4-苯基二苯甲酮中的至少一种。
5.如权利要求1所述的紫外交联型绝缘包覆材料，其特征在于，所述加工助剂为抗氧剂、润滑剂中的至少一种。
6.如权利要求5所述的紫外交联型绝缘包覆材料，其特征在于，所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂168中的至少一种；所述润滑剂为硬脂酸钙、聚乙烯蜡、硅油、硅酮母粒中的至少一种。
7.如权利要求1-6任一项所述的紫外交联型绝缘包覆材料在制备电力电缆护套料中的应用。
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