CN117247620A - 一种交联聚乙烯阻燃电缆及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及电缆制造技术领域，具体公开了一种交联聚乙烯阻燃电缆及其制备方法。一种交联聚乙烯阻燃电缆，其包括导体和护套，所述护套包裹在导体表面；以护套的总重计，所述护套包括如下原料：交联聚乙烯、纳米蒙脱土、改性氢氧化镁、增塑剂、抑烟剂、抗氧化剂和润滑剂；所述氢氧化镁通过十二烷基磺酸钠与磷酸三乙酯依次包覆改性而得。本申请得到的交联聚乙烯阻燃电缆的拉伸强度和断裂伸长率最高分别为16.5MPa和205%，具有较高的力学性能；且阻燃型铝合金电缆的极限氧指数最高可达到55%，无焰和有焰的烟密度最低分别为96kg•m‑3和40kg•m‑3，UL94垂直燃烧等级达到了V‑0，提高了电缆的阻燃性。
Description
技术领域
本申请涉及电缆制造技术领域，更具体地说，它涉及一种交联聚乙烯阻燃电缆及其制备方法。
背景技术
电缆是由几根或几组导线（每组至少两根）绞合而成的类似绳索的电缆，每组导线之间相互绝缘，并常围绕着一根中心扭成，整个外面包有高度绝缘的护套。电缆具有内通电，外绝缘的特征。电缆被广泛应用于电力、通信和建筑等行业，
随着电力能源的发展，对电缆各性能的需求迅速增长，同时对电缆的安全性能也在不断提升。电缆在发生电力火灾时扑灭难度较大，考虑到环保和火灾安全，而中低压电缆护套目前以聚乙烯原料为主，其虽具有较为优异的绝缘和介电性能，但聚乙烯不耐热，易燃烧，常采用交联的改性手段改善易燃烧的缺陷。
相关技术中，通常在护套原料中加入阻燃剂以改善电缆的阻燃效果，但阻燃剂在护套原料中难以均匀分散，且在加热护套原料过程中易出现阻燃剂迁移偏析，而且阻燃剂用量低可导致阻燃性一般，用量过高会降低护套的力学性能。
发明内容
为了在保证电缆护套力学性能的基础上，提高电缆的阻燃性，本申请提供了一种交联聚乙烯阻燃电缆及其制备方法。
第一方面，本申请提供一种交联聚乙烯阻燃电缆，其采用如下技术方案：
一种交联聚乙烯阻燃电缆，其包括导体和护套，所述护套包裹在导体表面；以护套的总重计，所述护套包括如下重量份的原料：交联聚乙烯90-110份、纳米蒙脱土8-12份、改性氢氧化镁20-30份、增塑剂25-35份、抑烟剂1-3份、抗氧化剂0.1-0.3份和润滑剂3-5份；
所述氢氧化镁通过十二烷基磺酸钠与磷酸三乙酯依次包覆改性而得。
本申请交联聚乙烯阻燃电缆护套原料可选用交联聚乙烯90-110份、纳米蒙脱土8-12份、改性氢氧化镁20-30份、增塑剂25-35份、抑烟剂1-3份、抗氧化剂0.1-0.3份和润滑剂3-5份，可以选自各自范围内的任一值，且均可提高电缆的阻燃性。
护套原料选用交联聚乙烯作为主要原料可提高电缆护套的强度、硬度和耐久性，使护套具有较高的耐热性和耐化学腐蚀性。加入纳米蒙脱土，可利用纳米蒙脱土的片层结构对交联聚乙烯进行改性，以减缓阻燃剂的迁移速度，降低了改性氢氧化镁的用量，提高材料韧性、强度和加工性能。此外，减少改性氢氧化镁的用量可降低材料的熔滴性。
氢氧化镁是一种重要的无机阻燃材料，有助于吸收燃烧热，提高阻燃效率，更有利于护套加工温度的提高、加快挤塑速度、缩短模塑时间，但表面极性很强，易发生团聚，因此加入改性氢氧化镁，氢氧化镁通过十二烷基磺酸钠与磷酸三乙酯依次包覆改性，降低了氢氧化镁之间的表面张力，减少团聚现象，有效提高氢氧化镁和交联聚乙烯之间的相容性，增强了氢氧化镁的分散性和稳定性，既提高了护套的阻燃性，还可提高护套的断裂伸长率和拉伸强度。
增塑剂增强了材料的弹性和韧性，进一步提高了材料的加工性能。抑烟剂可降低改性氢氧化镁的发烟量和有毒有害气体的释放量。抗氧化剂可防止热老化导致的材料性能的降低。润滑剂具有优异的内外润滑平衡，改善流变性能，此外，还可改善线缆表面耐刮擦性能和线缆表面瑕疵。
作为优选：所述护套包括如下重量份的原料：交联聚乙烯95-105份、纳米蒙脱土9-11份、改性氢氧化镁24-28份、增塑剂28-32份、抑烟剂1.5-2.5份、抗氧化剂0.15-0.25份和润滑剂3.5-4.5份。
本申请护套原料可选用交联聚乙烯95-105份、纳米蒙脱土9-11份、改性氢氧化镁24-28份、增塑剂28-32份、抑烟剂1.5-2.5份、抗氧化剂0.15-0.25份和润滑剂3.5-4.5份，护套的各原料掺量可以选自各自范围内的任一值，且能进一步提高交联聚乙烯阻燃电缆的阻燃性。
作为优选：所述改性氢氧化镁通过如下步骤制备得到：
将氢氧化镁加至二甲苯中搅拌均匀，加入十二烷基磺酸钠，搅拌包覆，再加入磷酸三乙酯，在150-180℃下搅拌20-60min包覆，过滤，烘干，粉碎，得到改性氢氧化镁。
所述氢氧化镁与二甲苯的质量比为1：（4-8）。
通过采用上述技术方案， 先进行十二烷基磺酸钠包埋，在范德华力的作用下，利用十二烷基苯磺酸钠特有的“双亲结构”，来对氢氧化镁进行表面改性，在加入磷酸三乙酯进一步包覆改性，提高改性氢氧化镁的分散性，从而提高改性氢氧化镁的阻燃效果。
作为优选：所述氢氧化镁与十二烷基磺酸钠的质量比为1：（2-3）。
通过采用上述技术方案，调整氢氧化镁与十二烷基磺酸钠的质量比，可进一步提高氢氧化镁的改性效果，从而提高电缆的阻燃性。
作为优选：所述氢氧化镁与磷酸三乙酯的质量比为1：（2-3）。
通过采用上述技术方案，调节氢氧化镁与磷酸三乙酯的质量比，可进一步提高氢氧化镁的改性效果，从而提高电缆的阻燃性。
作为优选：在加入磷酸三乙酯后进行超声分散；所述的超声分散条件为150-230W、50-60℃、5-10min。
通过采用上述技术方案，在加入磷酸三乙酯后进行超声分散，并控制超声分散的条件，可提高磷酸三乙酯对氢氧化镁的包覆效果。
作为优选：所述交联聚乙烯阻燃电缆的原料还包括如下重量份的原料：红磷0.1-0.3份。
通过采用上述技术方案，红磷与交联聚乙烯一起燃烧的过程中经过一系列的变化形成聚偏磷酸，形成一种又粘又薄的膜包裹在护套的表面，降低了氧气与护套的接触，抑制了氧化过程；另外，红磷形成的磷酸，偏磷酸，聚偏磷酸等作为脱水剂促使护套脱水成炭，可进一步提高电缆的阻燃作用。
作为优选：所述润滑剂为液态氯化石蜡。
通过采用上述技术方案，选用液态氯化石蜡作为润滑剂，可提高红磷在交联聚乙烯中的分散性。
作为优选：所述增塑剂选用烷基二芳基磷酸酯、三芳基磷酸酯、偏苯三酸三辛酯中的至少一种；所述抑烟剂选用八钼酸铵和三氧化钼中的至少一种。
通过采用上述技术方案，烷基二芳基磷酸酯、三芳基磷酸酯具有一定的阻燃性能，可提高电缆的阻燃性。八钼酸铵和三氧化钼可提高阻燃抑烟作用。
第二方面，本申请提供一种上述任一项交联聚乙烯阻燃电缆的制备方法。
一种交联聚乙烯阻燃电缆，通过如下操作步骤制得：
将护套各原料混炼，搅拌，除泡，挤出并包覆在导体外表面形成护套，得到交联聚乙烯阻燃电缆。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
（1）本申请通过控制护套的原料和掺量，使交联聚乙烯阻燃电缆的极限氧指数为45%，无焰和有焰的烟密度分别为110kg•m-3和53kg•m-3，提高了电缆的阻燃性。
（2）本申请通过在改性氢氧化镁过程中，调整改性所需的原料配比，使交联聚乙烯阻燃电缆的极限氧指数为46-48%，无焰和有焰的烟密度分别为106-108kg•m-3和50-53kg•m-3，进一步提高了电缆的阻燃性。
（3）本申请通过在改性氢氧化镁过程中加入磷酸三乙酯后进行超声分散，使交联聚乙烯阻燃电缆的极限氧指数为51%，无焰和有焰的烟密度分别为100kg•m-3和44kg•m-3，进一步提高了电缆的阻燃性。
（4）本申请通过在护套原料中加入红磷，并控制其掺量，使交联聚乙烯阻燃电缆的极限氧指数为55%，无焰和有焰的烟密度分别为96kg•m-3和40kg•m-3，进一步提高了电缆的阻燃性。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本申请作进一步详细说明。
本申请中的如下各原料均为市售产品，均为使本申请的各原料得以公开充分，不应当理解为对原料的来源产生限制作用。具体为：交联聚乙烯，品牌威强，牌号ZW01；纳米蒙脱土，粒径为200目；增塑剂选用三芳基磷酸酯，有效成分含量为99%；抑烟剂选用八钼酸铵，有效成分含量为99%；抗氧化剂，型号DSTP，有效物质含量为99%；润滑剂，选用液态氯化石蜡，有效成分含量为99%，粘度150-250，选用聚对苯二甲酸丁二醇酯；氢氧化镁，粒径为30nm；二甲苯，有效成分含量为99%；十二烷基磺酸钠，有效成分含量为60%；磷酸三乙酯，有效成分含量为99%；红磷，，有效成分含量为98.5%；导体选用钢芯铝合金，铝合金单线根数24。
以下为改性氢氧化镁的制备例
制备例1
制备例1的改性氢氧化镁，通过如下操作步骤制得：
参照表1的掺量，将氢氧化镁加至二甲苯中搅拌均匀，加入十二烷基磺酸钠，搅拌包覆，再加入磷酸三乙酯，在160℃下搅拌40min包覆，过滤，烘干，粉碎，得到改性氢氧化镁。
制备例2-5
制备例2-5的改性氢氧化镁与制备例1的制备方法相同，区别在于，各原料掺量不同，具体掺量详见表1所示。
表1 制备例1-5改性氢氧化镁的各原料掺量（kg）
制备例6-9
制备例6-9的改性氢氧化镁与制备例3的制备方法相同，区别在于，各原料掺量不同，具体掺量详见表2所示。
表2 制备例6-9改性氢氧化镁的各原料掺量（kg）
实施例1
实施例1的交联聚乙烯阻燃电缆，通过如下制备方法制得：
参照表3的掺量，将护套各原料混炼，搅拌，除泡，挤出并包覆在导体外表面形成护套，得到交联聚乙烯阻燃电缆。其中改性氢氧化镁选用制备例1制备的改性氢氧化镁。
实施例2-3
实施例2-3的交联聚乙烯阻燃电缆的制备方法与实施例1相同，区别在于原料掺量不同，具体详见表3所示。
表3实施例1-3交联聚乙烯阻燃电缆的各原料掺量（kg）
实施例4-11
实施例4-11的交联聚乙烯阻燃电缆的制备方法与实施例2相同，区别在于改性氢氧化镁分别选用制备例2-9制备得到的改性氢氧化镁，其余原料种类和掺量与实施例2相同。
实施例12
实施例12的交联聚乙烯阻燃电缆的制备方法与实施例9相同，区别在于氢氧化镁改性过程中加入磷酸三乙酯后进行超声分散，超声分散条件为200W、55℃、8min。
实施例13-15
实施例13-15交联聚乙烯阻燃电缆的制备方法与实施例12相同，区别在于护套原料中加入红磷，具体掺量详见表4所示。
表4实施例13-15交联聚乙烯阻燃电缆的各原料掺量（kg）
实施例16
实施例16交联聚乙烯阻燃电缆的制备方法与实施例14相同，区别在于润滑剂选用聚对苯二甲酸丁二醇酯，其余操作同实施例1。
对比例1
对比例1的交联聚乙烯阻燃电缆的制备方法与实施例1相同，区别在于将护套原料中改性氢氧化镁等量替换为未改性的氢氧化镁，其余原料种类和掺量与实施例1相同。
对比例2
对比例2的交联聚乙烯阻燃电缆的制备方法与实施例1相同，区别在于改性氢氧化镁改性的具体方法为将1kg氢氧化镁加至6kg二甲苯中搅拌均匀，加入1kg十二烷基磺酸钠，搅拌包覆，过滤，烘干，粉碎，得到改性氢氧化镁。
对比例3
对比例3的交联聚乙烯阻燃电缆的制备方法与实施例1相同，区别在于改性氢氧化镁改性的具体方法为将1kg氢氧化镁加至6kg二甲苯中搅拌均匀，加入1kg磷酸三乙酯，在160℃下搅拌40min包覆，过滤，烘干，粉碎，得到改性氢氧化镁。
性能检测
采用如下检测标准或方法分别对实施例1-16和对比例1-3得到的交联聚乙烯阻燃电缆进行性能检测，检测结果详见表5所示。
拉伸强度：根据GB/T 1043-2008检测电缆的拉伸强度；
断裂伸长率：根据GB/T 1043-2008检测电缆的断裂伸长率；
极限氧指数：根据GB/T 2406.2-2018，采用氧指数测试仪检测电缆的极限氧指数；
烟密度：根据GB/T 8627-2007检测电缆无焰和有焰的烟密度；
UL94垂直燃烧等级：根据GB/T 2408-2008检测电缆的UL94垂直燃烧等级。
表5不同交联聚乙烯阻燃电缆性能检测结果
由表5的检测结果表明，本申请得到的交联聚乙烯阻燃电缆的拉伸强度和断裂伸长率最高分别为16.5MPa和205%，具有较高的力学性能；且阻燃型铝合金电缆的极限氧指数最高可达到55%，无焰和有焰的烟密度最低分别为96kg•m-3和40kg•m-3，UL94垂直燃烧等级达到了V-0，提高了电缆的阻燃性。
实施例1-3中，实施例2得到的交联聚乙烯阻燃电缆的极限氧指数为45%，高于实施例1和实施例3，且无焰和有焰的烟密度分别为110kg•m-3和53kg•m-3，均低于实施例1和实施例3，表明实施例2交联聚乙烯阻燃电缆中改性氢氧化镁的掺量较为合适，提高了电缆的阻燃性，可能是与氢氧化镁是一种重要的无机阻燃材料，有助于吸收燃烧热，提高阻燃效率，更有利于护套加工温度的提高、加快挤塑速度、缩短模塑时间，氢氧化镁通过十二烷基磺酸钠与磷酸三乙酯依次包覆改性，降低了氢氧化镁之间的表面张力，减少团聚现象，有效提高氢氧化镁和交联聚乙烯之间的相容性，增强了氢氧化镁的分散性和稳定性，既提高了护套的阻燃性，还可提高护套的断裂伸长率和拉伸强度有关。
结合实施例2和实施例4-7交联聚乙烯阻燃电缆的性能检测数据发现，实施例4-6得到的交联聚乙烯阻燃电缆的极限氧指数为46-48%，高于实施例2和实施例5，且无焰和有焰的烟密度分别为106-108kg•m-3和50-53kg•m-3，均低于实施例2和实施例7，表明改性氢氧化镁过程中氢氧化镁与十二烷基磺酸钠的质量比为1：（2-3）较为合适，可能是与调整氢氧化镁与十二烷基磺酸钠的质量比，可进一步提高氢氧化镁的改性效果，从而提高电缆的阻燃性有关。
结合实施例5和实施例8-11交联聚乙烯阻燃电缆的性能检测数据发现，实施例8-10得到的交联聚乙烯阻燃电缆的极限氧指数为46-48%，高于实施例2和实施例5，且无焰和有焰的烟密度分别为106-108kg•m-3和50-53kg•m-3，均低于实施例2和实施例7，表明改性氢氧化镁过程中氢氧化镁与磷酸三乙酯的质量比为1：（2-3）较为合适，可能是与调节氢氧化镁与磷酸三乙酯的质量比，可进一步提高氢氧化镁的改性效果，从而提高电缆的阻燃性有关。
结合实施例9和实施例12交联聚乙烯阻燃电缆的性能检测数据发现，实施例12得到的交联聚乙烯阻燃电缆的极限氧指数为51%，高于实施例2和实施例5，且无焰和有焰的烟密度分别为100kg•m-3和44kg•m-3，均低于实施例9，表明在改性氢氧化镁过程中加入磷酸三乙酯后进行超声分散，超声分散条件为200W、55℃、8min，可提高电缆的阻燃性。可能与在加入磷酸三乙酯后进行超声分散，并控制超声分散的条件，可提高磷酸三乙酯对氢氧化镁的包覆效果有关。
实施例13-15中，实施例14得到的交联聚乙烯阻燃电缆的极限氧指数为55%，高于实施例13和实施例15，且无焰和有焰的烟密度分别为96kg•m-3和40kg•m-3，均低于实施例13和15，表明实施例14护套原料中的红磷掺量较为合适，可提高电缆的阻燃性。
结合实施例14和实施例16交联聚乙烯阻燃电缆的性能检测数据发现，实施例16得到的交联聚乙烯阻燃电缆的极限氧指数为53%，低于实施例14，且无焰和有焰的烟密度分别为98kg•m-3和44kg•m-3，高于实施例14，表明润湿剂选用聚对苯二甲酸丁二醇酯时电缆的阻燃效果差于液态氯化石蜡。
另外，结合对比例1-3和实施例1的交联聚乙烯阻燃电缆的各项指标数据发现，本申请在护套原料中加入改性氢氧化镁、通过十二烷基磺酸钠与磷酸三乙酯依次包覆改性氢氧化镁，均可不同程度提高交联聚乙烯阻燃电缆的阻燃性。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (10)
1.一种交联聚乙烯阻燃电缆，其特征在于，其包括导体和护套，所述护套包裹在导体表面；以护套的总重计，所述护套包括如下重量份的原料：交联聚乙烯90-110份、纳米蒙脱土8-12份、改性氢氧化镁20-30份、增塑剂25-35份、抑烟剂1-3份、抗氧化剂0.1-0.3份和润滑剂3-5份；
所述氢氧化镁通过十二烷基磺酸钠与磷酸三乙酯依次包覆改性而得。
2.根据权利要求1所述的交联聚乙烯阻燃电缆，其特征在于，所述护套包括如下重量份的原料：交联聚乙烯95-105份、纳米蒙脱土9-11份、改性氢氧化镁24-28份、增塑剂28-32份、抑烟剂1.5-2.5份、抗氧化剂0.15-0.25份和润滑剂3.5-4.5份。
3.根据权利要求1所述的交联聚乙烯阻燃电缆，其特征在于，所述改性氢氧化镁通过如下步骤制备得到：
将氢氧化镁加至二甲苯中搅拌均匀，加入十二烷基磺酸钠，搅拌包覆，再加入磷酸三乙酯，在150-180℃下搅拌20-60min包覆，过滤，烘干，粉碎，得到改性氢氧化镁；所述氢氧化镁与二甲苯的质量比为1：（4-8）。
4.根据权利要求3所述的交联聚乙烯阻燃电缆，其特征在于，所述氢氧化镁与十二烷基磺酸钠的质量比为1：（2-3）。
5.根据权利要求3所述的交联聚乙烯阻燃电缆，其特征在于，所述氢氧化镁与磷酸三乙酯的质量比为1：（2-3）。
6.根据权利要求3所述的交联聚乙烯阻燃电缆，其特征在于，在加入磷酸三乙酯后进行超声分散；所述超声分散条件为150-230W、50-60℃、5-10min。
7.根据权利要求1所述的交联聚乙烯阻燃电缆，其特征在于，所述交联聚乙烯阻燃电缆的原料还包括如下重量份的原料：红磷0.1-0.3份。
8.根据权利要求1所述的交联聚乙烯阻燃电缆，其特征在于，所述润滑剂为液态氯化石蜡。
9.根据权利要求1所述的交联聚乙烯阻燃电缆，其特征在于，所述增塑剂选用烷基二芳基磷酸酯、三芳基磷酸酯、偏苯三酸三辛酯中的至少一种；所述抑烟剂选用八钼酸铵和三氧化钼中的至少一种。
10.一种权利要求1-9任一所述的交联聚乙烯阻燃电缆的制备方法，其特征在于，其包括如下操作步骤：
将护套各原料混炼，搅拌，除泡，挤出并包覆在导体外表面形成护套，得到交联聚乙烯阻燃电缆。
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