CN117143410B - 一种耐热型复合低压电缆及其制备方法 - Google Patents

一种耐热型复合低压电缆及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种耐热型复合低压电缆及其制备方法，属于特种电缆制备技术领域，包括导体芯和电缆料，按重量份数计，所述电缆料包括有如下的组分组成：低密度聚乙烯100份、乙烯‑丙烯酸乙酯共聚物12‑25份、聚（N‑乙烯咔唑）4‑12份、取代丙烯共聚物6‑18份、纳米二氧化硅气凝胶2‑10份、交联引发剂0.1‑0.5份、助剂0.1‑10份；本发明通过组分复合改性提高了绝缘电缆料耐热性能与机械性能，同时降低电缆料密度。

Description

一种耐热型复合低压电缆及其制备方法
技术领域
本发明涉及特种电缆制备技术领域，具体涉及一种耐热型复合低压电缆及其制备方法。
背景技术
电缆是用来传送电力或信号电流、信号电压的，被覆有绝缘层、保护层、屏蔽层等的导体。按电压分可为高压电缆和低压电缆。低压电缆线路与低压架空线路、低压架空绝缘线路相比虽然造价较高，敷设维护较为困难，但由于它具有运行可靠、不立电杆、不占地面、不碍观瞻、受外界影响较小等特点，而在低压配电***中得到广泛应用。
低压电缆一般由线芯、绝缘层和保护层三部分构成。线芯用于传导电流，一般由多股铜线或多股铝线绞合而成；绝缘层是电缆中具有耐受电压特定功能的绝缘材料，是电缆的重要组成部分，现有技术中通常聚氯乙烯、聚乙烯、交联聚乙烯或橡胶为绝缘层，其中通常含有大量的填充料及无机阻燃剂用以提高其阻燃性和耐热性，高添加量的填充料及无机阻燃剂虽提高了电缆料的阻燃耐热性能，但这也同时极大地提高了材料密度，同时也降低了机械性能，低添加量的填充料则难以满足电缆料的阻燃耐热要求。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种耐热型复合低压电缆及其制备方法。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
一种耐热型复合低压电缆，包括导体芯和电缆料，按重量份数计，所述电缆料包括有如下的组分组成：
低密度聚乙烯100份、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物12-25份、聚（N-乙烯咔唑）4-12份、取代丙烯共聚物6-18份、纳米二氧化硅气凝胶2-10份、交联引发剂0.1-0.5份、助剂0.1-10份；
所述纳米二氧化硅气凝胶的制备方法包括以下步骤：
（1）称取正硅酸乙酯并溶解在去离子水中，滴加少量乙酸以促进水解，充分搅拌混合至均，加入等体积的聚乙烯吡咯烷酮溶液，在常温下搅拌过夜，制得纺丝液，通过静电纺丝法制备为纳米纤维；
（2）将所述纳米纤维干燥至恒重后进行热处理，热处理完成后进行粉碎并分散在去离子水中，加入终浓度为0.5-2wt%的聚乙烯醇作分散剂，分散后将混合体系进行循环冻融处理，冻干后制得前体材料；其中，所述热处理的温度在800-1000℃，处理时间2-4h；所述循环冻融处理的循环次数为2-10次，冷冻温度在零下10-80℃；
（3）将所述前体材料进行二次热处理，再将二次热处理后的产物分散在浓度为1-10wt%的乙烯基硅烷偶联剂的醇溶液中，搅拌浸渍过夜，分离、洗涤、冻干，制得所述纳米二氧化硅气凝胶；其中，所述二次热处理的温度在800-1000℃，处理时间2-4h。
在一些优选的实施方式中，按重量份数计，包括有如下的组分组成：
低密度聚乙烯100份、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物16-18份、聚（N-乙烯咔唑）7-9份、取代丙烯共聚物8-11份、纳米二氧化硅气凝胶4-6份、交联引发剂0.1-0.2份、助剂2-5份。
在一些优选的实施方式中，所述低密度聚乙烯的密度小于0.93g/cm3，在190℃和0.3MPa下的熔融指数为0.5-10g/10min，结晶度不大于10％，催化剂残留小于1/1000。
在一些优选的实施方式中，所述正硅酸乙酯的溶解浓度为5-10wt%；所述聚乙烯吡咯烷酮溶液的浓度为5-10wt%。
在一些优选的实施方式中，所述乙烯基硅烷偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷和/或乙烯基三乙氧基硅烷。
在一些优选的实施方式中，所述取代丙烯共聚物的制备方法包括以下步骤：
在保护气氛下，分别称取1-烯丙基-2,3-二甲氧基苯单体和2-烯丙基-1-(苄氧基)-5-甲氧基萘单体并溶解在甲苯和环己烷的混合溶剂中，充分搅拌混合至均，在强烈搅拌条件下缓慢加入聚合催化剂的甲苯溶液，添加完成后继续搅拌反应1-2h，反应完成后加入冷的甲醇冷却并终止反应，过滤分离沉淀、洗涤、真空干燥后制得；
所述聚合催化剂包括主催化剂和助催化剂，所述主催化剂为钪配合物，优选为单茂钪催化剂；所述助催化剂为有机硼催化剂，优选为[Ph3C][B(C6F5)4]；
在一些优选的实施方式中，所述1-烯丙基-2,3-二甲氧基苯单体与所述2-烯丙基-1-(苄氧基)-5-甲氧基萘单体、所述甲苯、所述环己烷的质量比例为10：（8.3-8.5）：（14-20）：（5-6.5）。
在一些优选的实施方式中，所述交联引发剂为过氧化二异丙苯、过氧化二叔丁基、2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧)-乙炔、2,5-二甲基-2,5二(叔丁基过氧)-己烷叔丁基氢中的一种。
在一些优选的实施方式中，所述助剂为热稳定剂、抗氧化剂、润滑剂、防老剂、促进剂中的一种或几种。
本发明的另一方面在于提供一种所述耐热型复合低压电缆的制备方法，包括以下步骤：
将所述低密度聚乙烯加入到密炼机中，设定混炼温度为100-120℃，待完全熔化后加入所述乙烯-丙烯酸乙酯共聚物、所述聚（N-乙烯咔唑）和所述取代丙烯共聚物进行熔融共混，混合均匀后加入所述纳米二氧化硅气凝胶和所述助剂，继续混炼5-15min，最后加入所述交联引发剂，继续混炼1-5min，采用模塑法或挤塑法成型，冷却后制得。
本发明的有益效果为：
针对现有技术中电缆绝缘料难以兼顾耐热性能与机械性能的问题，本发明公开一种耐热型复合低压电缆，通过组分复合改性提高电缆绝缘料耐热性能，同时改良其机械性能并降低材料密度，具体的，本发明在现有的二氧化硅耐热阻燃填充料的基础上，以纳米二氧化硅气凝胶微粉替代常规的二氧化硅微粉填料，通过表面乙烯基修饰，使其在交联引发剂的作用下与基体聚乙烯树脂发生交联，一方面，可以有效降低材料自重并提高电缆料的耐热性，同时提高填充料与树脂基体间的连接强度，提高电缆料的进机械性能；进一步的，基于聚（N-乙烯咔唑）良好的高温稳定性和可加工性，本发明通过在所述电缆料中共混引入聚（N-乙烯咔唑）树脂赋予复合电缆料良好的耐热性能；更进一步的，本发明还通过在组分中引入取代丙烯共聚物进一步提高电缆料的抗拉伸强度，具体的，本发明以丙烯聚合链为载体，通过引入具有甲氧基以及苯基、萘基的支链结构，利用交联引发剂的引发交联作用将其引入基体聚乙烯树脂，进一步提高了电缆料的机械性能。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
一种耐热型复合低压电缆，包括导体芯和电缆料，按重量份数计，所述电缆料包括有如下的组分组成：
低密度聚乙烯100份、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物（EEA，CAS号：9010-86-0）17份、聚（N-乙烯咔唑）（CAS号：25067-59-8）8份、取代丙烯共聚物9.5份、纳米二氧化硅气凝胶5.6份、交联引发剂0.14份、热稳定剂1份、抗氧化剂0.5份、润滑剂3份；
所述低密度聚乙烯的密度为0.917g/cm3，在190℃和0.3MPa下的熔融指数为2g/10min，结晶度不大于10％，催化剂残留小于1/1000；
所述取代丙烯共聚物的制备方法包括以下步骤：
在保护气氛下，分别称取1-烯丙基-2,3-二甲氧基苯单体（CAS号：19754-21-3）和2-烯丙基-1-(苄氧基)-5-甲氧基萘单体（CAS号：883278-65-7）并溶解在甲苯和环己烷的混合溶剂中，充分搅拌混合至均，在强烈搅拌条件下缓慢加入聚合催化剂的甲苯溶液，添加完成后继续搅拌反应1.5h，反应完成后加入冷的甲醇冷却并终止反应，过滤分离沉淀、洗涤、真空干燥后制得；其中，所述聚合催化剂包括主催化剂和助催化剂，所述主催化剂为(C5Me4SiMe3)Sc(CH2C6H4NMe2-o)2；所述助催化剂为[Ph3C][B(C6F5)4]；
所述1-烯丙基-2,3-二甲氧基苯单体与所述2-烯丙基-1-(苄氧基)-5-甲氧基萘单体、所述甲苯、所述环己烷、所述主催化剂、所述助催化剂的质量比例为10：8.4：18：5.5：0.07：0.12；
所述纳米二氧化硅气凝胶的制备方法包括以下步骤：
（1）称取正硅酸乙酯并溶解在去离子水中，溶解浓度为10wt%，滴加少量（1/1000，V/V）冰乙酸以促进水解，充分搅拌混合至均，加入等体积的10wt%的聚乙烯吡咯烷酮溶液，在常温下搅拌过夜，制得纺丝液，通过静电纺丝法制备为纳米纤维；
（2）将所述纳米纤维干燥至恒重后进行热处理，热处理完成后进行粉碎并分散在去离子水中，加入终浓度为0.8wt%的聚乙烯醇作分散剂，分散后将混合体系进行循环冻融处理，冻干后制得前体材料；其中，所述热处理的温度在860℃，处理时间2.5h；所述循环冻融处理的循环次数为4次，冷冻温度在零下22℃，融化温度在25℃；
（3）将所述前体材料进行二次热处理，再将二次热处理后的产物分散在浓度为2wt%的乙烯基三甲氧基硅烷的醇溶液中，搅拌浸渍过夜，分离、洗涤、冻干，制得所述纳米二氧化硅气凝胶；其中，所述二次热处理的温度在860℃，处理时间2.5h；
所述交联引发剂为过氧化二异丙苯；
所述热稳定剂为钙锌热稳定剂；
所述抗氧化剂为四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯；
所述润滑剂为硬脂酸；
所述耐热型复合低压电缆的制备方法包括以下步骤：
将所述低密度聚乙烯加入到密炼机中，设定混炼温度为120℃，待完全熔化后加入所述乙烯-丙烯酸乙酯共聚物、所述聚（N-乙烯咔唑）和所述取代丙烯共聚物进行熔融共混，混合均匀后加入所述纳米二氧化硅气凝胶和其它助剂，继续混炼10min，最后加入所述交联引发剂，继续混炼3min，采用模塑法或挤塑法成型，冷却后制得。
对比例1
一种耐热型复合低压电缆，包括导体芯和电缆料，按重量份数计，所述电缆料包括有如下的组分组成：
低密度聚乙烯100份、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物（EEA，CAS号：9010-86-0）17份、取代丙烯共聚物9.5份、纳米二氧化硅气凝胶5.6份、交联引发剂0.14份、热稳定剂1份、抗氧化剂0.5份、润滑剂3份；
所述低密度聚乙烯、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物、取代丙烯共聚物、纳米二氧化硅气凝胶、交联引发剂、热稳定剂、抗氧化剂、润滑剂同实施例1；
所述耐热型复合低压电缆的制备方法同实施例1。
对比例2
一种耐热型复合低压电缆，包括导体芯和电缆料，按重量份数计，所述电缆料包括有如下的组分组成：
低密度聚乙烯100份、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物（EEA，CAS号：9010-86-0）17份、聚（N-乙烯咔唑）（CAS号：25067-59-8）8份、纳米二氧化硅气凝胶5.6份、交联引发剂0.14份、热稳定剂1份、抗氧化剂0.5份、润滑剂3份；
所述低密度聚乙烯、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物、聚（N-乙烯咔唑）、纳米二氧化硅气凝胶、交联引发剂、热稳定剂、抗氧化剂、润滑剂同实施例1；
所述耐热型复合低压电缆的制备方法同实施例1。
对比例3
一种耐热型复合低压电缆，包括导体芯和电缆料，按重量份数计，所述电缆料包括有如下的组分组成：
低密度聚乙烯100份、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物（EEA，CAS号：9010-86-0）17份、聚（N-乙烯咔唑）（CAS号：25067-59-8）8份、取代丙烯共聚物9.5份、常规纳米二氧化硅微粉5.6份、交联引发剂0.14份、热稳定剂1份、抗氧化剂0.5份、润滑剂3份；
所述低密度聚乙烯、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物、聚（N-乙烯咔唑）、取代丙烯共聚物、交联引发剂、热稳定剂、抗氧化剂、润滑剂同实施例1；
所述耐热型复合低压电缆的制备方法同实施例1。
实验例
对实施例1、对比例1-3所述电缆料的耐热性能和机械性能进行测定，其中，试样的氧指数根据GB/T 2406.1-2008测试；拉伸强度、断裂伸长率根据GB/T 1040.1-2018测试；测试结果如表1所示。
表1 实施例1、对比例1-3所述电缆料的耐热性能和机械性能
最后应当说明的是，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地说明，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 (10)

1.一种耐热型复合低压电缆，包括导体芯和电缆料，其特征在于，按重量份数计，所述电缆料包括有如下的组分组成：
低密度聚乙烯100份、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物12-25份、聚（N-乙烯咔唑）4-12份、取代丙烯共聚物6-18份、纳米二氧化硅气凝胶2-10份、交联引发剂0.1-0.5份、助剂0.1-10份；
所述纳米二氧化硅气凝胶的制备方法包括以下步骤：
（1）称取正硅酸乙酯并溶解在去离子水中，滴加少量乙酸以促进水解，充分搅拌混合至均，加入等体积的聚乙烯吡咯烷酮溶液，在常温下搅拌过夜，制得纺丝液，通过静电纺丝法制备为纳米纤维；
（2）将所述纳米纤维干燥至恒重后进行热处理，热处理完成后进行粉碎并分散在去离子水中，加入终浓度为0.5-2wt%的聚乙烯醇作分散剂，分散后将混合体系进行循环冻融处理，冻干后制得前体材料；其中，所述热处理的温度在800-1000℃，处理时间2-4h；所述循环冻融处理的循环次数为2-10次，冷冻温度在零下10-80℃；
（3）将所述前体材料进行二次热处理，再将二次热处理后的产物分散在浓度为1-10wt%的乙烯基硅烷偶联剂的醇溶液中，搅拌浸渍过夜，分离、洗涤、冻干，制得所述纳米二氧化硅气凝胶；其中，所述二次热处理的温度在800-1000℃，处理时间2-4h。
2.根据权利要求1所述的一种耐热型复合低压电缆，其特征在于，按重量份数计，包括有如下的组分组成：
低密度聚乙烯100份、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物16-18份、聚（N-乙烯咔唑）7-9份、取代丙烯共聚物8-11份、纳米二氧化硅气凝胶4-6份、交联引发剂0.1-0.2份、助剂2-5份。
3.根据权利要求1所述的一种耐热型复合低压电缆，其特征在于，所述低密度聚乙烯的密度小于0.93g/cm3，在190℃和0.3MPa下的熔融指数为0.5-10g/10min，结晶度不大于10％，催化剂残留小于1/1000。
4.根据权利要求1所述的一种耐热型复合低压电缆，其特征在于，所述正硅酸乙酯的溶解浓度为5-10wt%；所述聚乙烯吡咯烷酮溶液的浓度为5-10wt%。
5.根据权利要求1所述的一种耐热型复合低压电缆，其特征在于，所述乙烯基硅烷偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷和/或乙烯基三乙氧基硅烷。
6.根据权利要求1所述的一种耐热型复合低压电缆，其特征在于，所述取代丙烯共聚物的制备方法包括以下步骤：
在保护气氛下，分别称取1-烯丙基-2,3-二甲氧基苯单体和2-烯丙基-1-(苄氧基)-5-甲氧基萘单体并溶解在甲苯和环己烷的混合溶剂中，充分搅拌混合至均，在强烈搅拌条件下缓慢加入聚合催化剂的甲苯溶液，添加完成后继续搅拌反应1-2h，反应完成后加入冷的甲醇冷却并终止反应，过滤分离沉淀、洗涤、真空干燥后制得。
7.根据权利要求6所述的一种耐热型复合低压电缆，其特征在于，所述1-烯丙基-2,3-二甲氧基苯单体与所述2-烯丙基-1-(苄氧基)-5-甲氧基萘单体、所述甲苯、所述环己烷的质量比例为10：（8.3-8.5）：（14-20）：（5-6.5）。
8.根据权利要求1所述的一种耐热型复合低压电缆，其特征在于，所述交联引发剂为过氧化二异丙苯、过氧化二叔丁基中的一种。
9.根据权利要求1所述的一种耐热型复合低压电缆，其特征在于，所述助剂为热稳定剂、抗氧化剂、润滑剂、防老剂、促进剂中的一种或几种。
10.根据权利要求1-9之一所述的一种耐热型复合低压电缆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将所述低密度聚乙烯加入到密炼机中，设定混炼温度为100-120℃，待完全熔化后加入所述乙烯-丙烯酸乙酯共聚物、所述聚（N-乙烯咔唑）和所述取代丙烯共聚物进行熔融共混，混合均匀后加入所述纳米二氧化硅气凝胶和所述助剂，继续混炼5-15min，最后加入所述交联引发剂，继续混炼1-5min，成型，冷却后制得。
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