一种抗震低烟无卤阻燃电缆护套料及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种抗震低烟无卤阻燃电缆护套料及其制备方法和应用 (Anti-seismic low-smoke halogen-free flame-retardant cable sheath material and preparation method and application thereof ) 是由 丁运生 姚皖生 王平 孙晓红 张佰尧 周意杨 刘超 王学超 于 2021-10-20 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种抗震低烟无卤阻燃电缆护套料及其制备方法和应用,以质量百分含量计,该电缆护套料包括40-50％的三元乙丙橡胶、1-5％不饱和酸、5-10％的高分子相容剂、30-50％的阻燃剂、1-2％的硫化剂、0.5-1％的硫化促进剂、0.2-0.4％的抗氧剂、5-10％的白炭黑和0.5-0.8％的防老剂。本发明通过化学交联和无机阻燃剂中金属阳离子和羧基、磷酸根等阴离子基团的离子配位作用,在体系中构建具备离子-共价双重交联网络结构的电缆材料,其中的共价交联网络保证了材料结构的稳定性,离子交联结构中的阴阳离子间的解离、结合与离子间的动态交换特性可以消耗震动产生的能量,具备受迫震动工况下材料结构稳定、不开裂、尺寸稳定性好等特点。(The invention provides an anti-seismic low-smoke halogen-free flame-retardant cable sheath material and a preparation method and application thereof, wherein the cable sheath material comprises, by mass, 40-50% of ethylene propylene diene monomer, 1-5% of unsaturated acid, 5-10% of a high-molecular compatilizer, 30-50% of a flame retardant, 1-2% of a vulcanizing agent, 0.5-1% of a vulcanization accelerator, 0.2-0.4% of an antioxidant, 5-10% of white carbon black and 0.5-0.8% of an anti-aging agent. According to the invention, through chemical crosslinking and the ion coordination of metal cations and anion groups such as carboxyl, phosphate radical and the like in an inorganic flame retardant, the cable material with an ion-covalent double crosslinking network structure is constructed in a system, wherein the covalent crosslinking network ensures the stability of the material structure, and the energy generated by vibration can be consumed by the dissociation and combination between cations and anions in the ionic crosslinking structure and the dynamic exchange characteristic between ions, so that the cable material has the characteristics of stable structure, no cracking, good size stability and the like under the working condition of forced vibration.)
技术领域
本发明属于高分子材料领域技术领域，特别涉及一种抗震低烟无卤阻燃电缆护套料及其制备方法和应用。
背景技术
高速动车组用电缆是高速列车稳定运行的基础与保障，随着高铁的不断提速，对高铁动车组用电缆运行的稳定与安全性的要求也不断提高。为了保证列车用电缆在机车高速运转过程中持续稳定的电力或信号传输，这就对电缆的护套材料提出了特殊的性能要求。一方面需满足无卤阻燃、高强度、耐弯曲、耐磨、抗撕裂、高尺寸稳定性等基本性能要求，另一方面还要求在列车高速运行的震动工况下，电缆护套材料能保持结构和尺寸稳定、不开裂，为电缆结构稳定和高速列车稳定运行提供保障。
关于上述高速列车用低烟无卤阻燃高速列车电缆护套料的研发，迄今为止已经公开了一些相关的发明专利，其中公布号为CN 103214749 A的专利，采用改性磺化聚乙烯、马来酸酐接枝聚烯烃弹性体、热塑性聚氨酯弹性体、阻燃剂与其他助剂复配制备了一种热塑性聚氨酯弹性体电缆料，该电缆料能满足在高温下工作而且具有良好的阻燃性能和机械性能。
但这些专利所报道的电缆材料未涉及到电缆在受迫振动过程中，电缆护套材料结构稳定性与抗震动性能设计。
发明内容
鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提出一种抗震低烟无卤阻燃电缆护套料及其制备方法，通过无机阻燃剂中金属阳离子和羧基、磷酸根等阴离子基团的离子配位作用，在体系中构建了离子-共价双重交联网络结构，其中的共价交联网络保证了材料结构的稳定性，离子交联结构中的阴阳离子间的解离、结合与离子间的动态交换特性可以消耗震动产生的能量，具备受迫震动工况下材料结构稳定、不开裂、尺寸稳定性好等特点。
为实现上述目的及其他目的，本发明提出一种抗震低烟无卤阻燃电缆护套料，以质量百分含量计，包括：
优选地，所述三元乙丙橡胶的第三单体为乙叉降冰片烯，所述乙叉降冰片烯的质量百分含量为所述三元乙丙橡胶的0.5-9.0％。
优选地，所述不饱和酸包括丙烯酸及其衍生物、衣康酸及其衍生物、不饱和磷酸及其衍生物中的一种或多种。
优选地，所述高分子相容剂包括三元乙丙胶接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯类相容剂、三元乙丙胶接枝马来酸酐类相容剂中的一种或两种；所述高分子相容剂的接枝率为1.0-3.5wt％。
优选地，所述阻燃剂包括无机阻燃剂和协效阻燃剂；所述无机阻燃剂包括氢氧化镁和氢氧化铝；所述协效阻燃剂包括金属硼酸盐；所述阻燃剂的平均粒径D50为0.5-3μm。
优选地，所述硫化剂包括硫磺、含硫化合物、过氧化二异丙苯、2,5-二甲基-2,5双(过氧化叔丁基)已烷中的一种或多种。
优选地，所述硫化促进剂包括金属氧化物、三聚氰酸三烯丙酯、三烯丙基异三聚氰酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯的一种或多种。
优选地，所述抗氧剂包括主抗氧剂和辅助抗氧剂，所述主抗氧剂和辅助抗氧剂的质量比为1:1～2。
本发明还提供一种如上所述的抗震低烟无卤阻燃电缆护套料的制备方法，包括如下步骤：
将阻燃剂、抗氧剂、白炭黑和防老剂在1000～2500rpm的转速下预混料2～4min，得到初级混合填料；
将不饱和酸加入所述初级混合填料中，在1500～2500rpm的转速下分散混合5-8min，得到改性混合填料；
将改性混合填料、三元乙丙橡胶和高分子相容剂混炼10～15min，然后加入硫化剂和硫化促进剂，继续混炼5～8min，混炼温度为80～120℃，得到电缆护套料。
此外，本发明还提供如上所述的抗震低烟无卤阻燃电缆护套料在制备高速列车电缆护套中的应用。
如上所述，本发明的抗震低烟无卤阻燃电缆护套料具有以下有益效果：
本发明的电缆护套料引入了不饱和酸，不饱和酸中的双键与聚合物基体间产生化学交联作用，不饱和酸中的羧基等阴离子基团又和无机阻燃剂的金属阳离子之间形成离子配位作用，从而在材料中构建了离子-共价交联网络共存结构，提高了无机阻燃剂氢氧化物和聚合物基体间的界面相容性。一方面，共价交联网络保证了其结构的稳定性；另一方面，离子交联结构中的阴阳离子间的解离、结合与离子间的动态交换特性，可以消耗因震动产生的能量，从而使制备出电缆护套料适用于震动工况下，能够应用于制备高速列车电缆护套，为高速列车稳定运行提供了保障。同时，本发明的电缆护套料，其拉伸强度达到40±2MPa，极限氧指数LOI％达到35以上，且耐油、耐老化和耐环境应力开裂等性能。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
注意，如没有特别说明，本文中描述所示的“％”和“份”分别是指“质量％”和“质量份”。
本发明提供一种抗震低烟无卤阻燃电缆护套料，以质量百分含量计，其包括40-50％的三元乙丙橡胶、1-5％不饱和酸、5-10％的高分子相容剂、30-50％的阻燃剂、1-2％的硫化剂、0.5-1％的硫化促进剂、0.2-0.4％的抗氧剂、5-10％的白炭黑和0.5-0.8％的防老剂。
在一具体实施例中，三元乙丙橡胶的第三单体可以选择乙叉降冰片烯，乙叉降冰片烯的质量百分含量例如是三元乙丙橡胶的0.5-9.0％，例如是0.5％、1.0％、3.0％、9.0％等。乙叉降冰片烯作为第三单体，不仅可以提升三元乙丙橡胶的硫化速度，还具有耐臭氧、耐化学药品(溶剂、酸、碱等)、耐放电、耐水蒸气等性能，使本申请的电缆护套料能适用于更严苛的环境中。
在一具体实施例中，不饱和酸例如可以包括丙烯酸及其衍生物、衣康酸及其衍生物、不饱和磷酸及其衍生物中的一种或多种，例如可以是丙烯酸，例如可以是衣康酸，又例如可以是不饱和磷酸，具体例如是乙烯基磷酸。
在一具体实施例中，阻燃剂可以包括无机阻燃剂和协效阻燃剂；所述无机阻燃剂例如可以包括氢氧化镁和氢氧化铝；所述协效阻燃剂例如包括金属硼酸盐；所述阻燃剂的平均粒径D50可以是0.5-3μm，例如是0.5μm、1.0μm、2.0μm等。
一方面，不饱和酸中的双键可以与聚合物基体间形成化学交联结构；另一方面，不饱和酸例如丙烯酸或乙烯基磷酸中的羧基、磷酸根等阴离子基团，又能与氢氧化镁、氢氧化铝等无机阻燃剂中的金属阳离子例如Mg2+、Al3+，形成离子配位作用，从而在材料中构建了离子-共价交联网络共存结构。
在一具体实施例中，高分子相容剂可以包括三元乙丙胶接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯类相容剂、三元乙丙胶接枝马来酸酐类相容剂中的一种或两种。具体地，例如可以是三元乙丙橡胶接枝马来酸酐，马来酸酐接枝相容剂通过引入强极性反应性基团，使材料具有高的极性和反应性，能大大提高复合材料的相容性和填料的分散性，从而提高复合材料机械强度。高分子相容剂的接枝率可以是1.0-3.5wt％，例如是1.0wt％、1.5wt％、2.0wt％、3.0wt％、3.5wt％。高分子相容剂的熔融指数可以是2.0-6.0g/10min(测试条件，190℃/2.16kg)，例如是2.0g/10min、4.0g/10min、6.0g/10min；高分子相容剂的密度可以是0.80-1.10g/cm3，例如是0.8g/cm3、0.9g/cm3、1.0g/cm3、1.1g/cm3。
在一具体实施例中，硫化剂可以选择硫磺、含硫化合物、过氧化二异丙苯、2,5-二甲基-2,5双(过氧化叔丁基)已烷中的一种或多种，例如是硫磺、例如是过氧化二异丙苯，又例如是过氧化二异丙苯、2,5-二甲基-2,5双(过氧化叔丁基)已烷的混合物。硫化促进剂可以选择金属氧化物、三聚氰酸三烯丙酯、三烯丙基异三聚氰酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯的一种或多种，例如三聚氰酸三烯丙酯，例如三烯丙基异三聚氰酸酯，又例如金属氧化物、三聚氰酸三烯丙酯、三烯丙基异三聚氰酸酯的混合物。
在一具体实施例中，抗氧剂可以包括主抗氧剂和辅助抗氧剂，主抗氧剂例如是四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯，辅助抗氧剂例如是三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯。进一步地，主抗氧剂和辅助抗氧剂的质量比可以是1:1～2，具体例如是1:1、1:2。
在一具体实施例中，所述白炭黑例如可以是气相法疏水白炭黑，其平均粒径D50可以是0.9～2μm，例如0.9μm，1.1μm，1.5μm，2μm等。气相白炭黑俗称“纳米白炭黑”，化学纯度高、分散性能好、耐高温和电绝缘性好，其用于本发明的电缆护套料中，可以很好地补强材料的机械性能，同时提升材料的阻燃和绝缘性能。
在一具体实施例中，所述防老剂例如是受阻酚型抗热氧老化剂，具体例如是N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4羟基苯基)丙酰基)己二胺、1,3,5-三(4叔丁基-3-羟基-2,6-二甲基苄基)中的一种或者两种的混合物。更具体地，例如是N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4羟基苯基)丙酰基)己二胺、1,3,5-三(4叔丁基-3-羟基-2,6-二甲基苄基)按照质量比为1:1进行混合的混合物。
另外，本发明还提供如上所述的抗震低烟无卤阻燃电缆护套料的制备方法，包括如下步骤：
S1将阻燃剂、抗氧剂、白炭黑和防老剂在1000～2500rpm的转速下预混料2～4min，得到初级混合填料；
S2将不饱和酸加入所述初级混合填料中，在1500～2500rpm的转速下分散混合5-8min，得到改性混合填料；
S3将改性混合填料、三元乙丙橡胶和高分子相容剂混炼10～15min，然后加入硫化剂和硫化促进剂，继续混炼5～8min，混炼温度为80～120℃，得到抗震低烟无卤阻燃电缆护套料。
在一具体实施例中，步骤S1中，预混料的过程是在高速混合机中进行的。步骤S2中，不饱和酸是通过滴加的方式均匀滴加到初级混合填料中的。步骤S3中的混炼是在密炼机中进行的。
下面结合具体实例对本发明做进一步的详细说明，但本发明的保护范围并不受限于这些实施例。
实施例中所用各原料介绍如下：
三元乙丙橡胶中第三单体乙叉降冰片烯(ENB)的质量分数为0.5wt％，门尼粘度[ML 1+4125℃]为20；
三元乙丙橡胶接枝马来酸酐熔融指数在280℃/2.16kg的测试条件下为15-25g/10min，邵氏A硬度为55-90，密度为0.80-1.10g/cm3；
阻燃剂中，无机阻燃剂为氢氧化镁、氢氧化铝，协效阻燃剂为硼酸锌，阻燃剂的平均粒径D50为0.5-3μm。
硫化剂为过氧化二异丙苯(DCP)；硫化促进剂三烯丙基异三聚氰酸酯(TAIC)；
抗氧剂中，主抗氧剂为四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯，辅助抗氧剂为三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯，按照质量比1:1混合；
白炭黑为气相法疏水白炭黑，细度为5000目，比表面积为200m/g。
防老剂为N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4羟基苯基)丙酰基)己二胺、1,3,5-三(4叔丁基-3-羟基-2,6-二甲基苄基)按照质量比1:1混合；
实施例1
(1)按照表1中所列各组分的克重称取各原料，将阻燃剂氢氧化镁、氢氧化铝、硼酸锌，抗氧剂四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯，白炭黑，防老剂N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4羟基苯基)丙酰基)己二胺、1,3,5-三(4叔丁基-3-羟基-2,6-二甲基苄基)放入高速混合机中，在2000rpm的转速下预混料3min，得到初级混合填料。
(2)将1g丙烯酸均匀滴加在初级混合填料中，在2000rpm的转速下继续混料5min，使得丙烯酸和无机阻燃剂产生充分的离子配位作用，得到改性混合填料。
(3)设置密炼机的混炼温度为100℃，将改性混合填料、三元乙丙橡胶和高分子相容剂三元乙丙橡胶接枝马来酸酐置于密炼机中，混炼10-15min后，加入硫化剂过氧化二异丙苯(DCP)和硫化促进剂三烯丙基异三聚氰酸酯(TAIC)，继续混炼5-8min，得到电缆护套料。
为了测试电缆护套料的性能，将制备的电缆护套料在平行板硫化仪上进行热压硫化，热压压力为10MPa、温度为180℃，硫化时间20min，得到用于测试的样条。
实施例2
(1)按照表1中所列各组分的克重称取各原料，将阻燃剂氢氧化镁、氢氧化铝、硼酸锌，抗氧剂四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯，白炭黑，防老剂N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4羟基苯基)丙酰基)己二胺、1,3,5-三(4叔丁基-3-羟基-2,6-二甲基苄基)放入高速混合机中，在2000rpm的转速下预混料3min，得到初级混合填料。
(2)将3g丙烯酸均匀滴加在初级混合填料中，在2000rpm的转速下继续混料5min，使得丙烯酸和无机阻燃剂产生充分的离子配位作用，得到改性混合填料。
(3)设置密炼机的混炼温度为100℃，将改性混合填料、三元乙丙橡胶和高分子相容剂三元乙丙橡胶接枝马来酸酐置于密炼机中，混炼10-15min后，加入硫化剂过氧化二异丙苯(DCP)和硫化促进剂三烯丙基异三聚氰酸酯(TAIC)，继续混炼5-8min，得到电缆护套料。
为了测试电缆护套料的性能，将制备的电缆护套料在平行板硫化仪上进行热压硫化，热压压力为10MPa、温度为180℃，硫化时间20min，得到用于测试的样条。
实施例3
(1)按照表1中所列各组分的克重称取各原料，将阻燃剂氢氧化镁、氢氧化铝、硼酸锌，抗氧剂四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯，白炭黑，防老剂N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4羟基苯基)丙酰基)己二胺、1,3,5-三(4叔丁基-3-羟基-2,6-二甲基苄基)放入高速混合机中，在2000rpm的转速下预混料3min，得到初级混合填料。
(2)将1g乙烯基磷酸均匀滴加在初级混合填料中，在2000rpm的转速下继续混料5min，使得乙烯基磷酸和无机阻燃剂产生充分的离子配位作用，得到改性混合填料。
(3)设置密炼机的混炼温度为100℃，将改性混合填料、三元乙丙橡胶和高分子相容剂三元乙丙橡胶接枝马来酸酐置于密炼机中，混炼10-15min后，加入硫化剂过氧化二异丙苯(DCP)和硫化促进剂三烯丙基异三聚氰酸酯(TAIC)，继续混炼5-8min，得到电缆护套料。
为了测试电缆护套料的性能，将制备的电缆护套料在平行板硫化仪上进行热压硫化，热压压力为10MPa、温度为180℃，硫化时间20min，得到用于测试的样条。
实施例4
(1)按照表1中所列各组分的克重称取各原料，将阻燃剂氢氧化镁、氢氧化铝、硼酸锌，抗氧剂四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯，白炭黑，防老剂N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4羟基苯基)丙酰基)己二胺、1,3,5-三(4叔丁基-3-羟基-2,6-二甲基苄基)放入高速混合机中，在2000rpm的转速下预混料3min，得到初级混合填料。
(2)将3g乙烯基磷酸均匀滴加在初级混合填料中，在2000rpm的转速下继续混料5min，使得乙烯基磷酸和无机阻燃剂产生充分的离子配位作用，得到改性混合填料。
(3)设置密炼机的混炼温度为100℃，将改性混合填料、三元乙丙橡胶和高分子相容剂三元乙丙橡胶接枝马来酸酐置于密炼机中，混炼10-15min后，加入硫化剂过氧化二异丙苯(DCP)和硫化促进剂三烯丙基异三聚氰酸酯(TAIC)，继续混炼5-8min，得到电缆护套料。
为了测试电缆护套料的性能，将制备的电缆护套料在平行板硫化仪上进行热压硫化，热压压力为10MPa、温度为180℃，硫化时间20min，得到用于测试的样条。
对比例
(1)按照表1中所列各组分的克重称取各原料，将阻燃剂氢氧化镁、氢氧化铝、硼酸锌，抗氧剂四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯，白炭黑，防老剂N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4羟基苯基)丙酰基)己二胺、1,3,5-三(4叔丁基-3-羟基-2,6-二甲基苄基)放入高速混合机中，在2000rpm的转速下预混料3min，得到初级混合填料。
(3)设置密炼机的混炼温度为100℃，将初级混合填料、三元乙丙橡胶和高分子相容剂三元乙丙橡胶接枝马来酸酐置于密炼机中，混炼10-15min后，加入硫化剂过氧化二异丙苯(DCP)和硫化促进剂三烯丙基异三聚氰酸酯(TAIC)，继续混炼5-8min，得到电缆护套料。
为了测试电缆护套料的性能，将制备的电缆护套料在平行板硫化仪上进行热压硫化，热压压力为10MPa、温度为180℃，硫化时间20min，得到用于测试的样条。
表1实施例1-4和对比例的原料组成(单位：克)
性能测试
实施例1-4和对比例中所制备的电缆护套料的主要性能如表1所示。
表1实施例1-4和对比例的电缆护套料的主要性能
通过表2的实施例1-4与对比例的性能比较可以发现：向材料中引入不饱和酸，通过无机阻燃剂中金属阳离子和羧基、磷酸根等阴离子基团的离子配位作用及化学交联形成的共价交联结构，在体系中构建具备离子-共价双重交联网络结构的电缆材料，显著提高了阻燃剂与三元乙丙橡胶之间的相容性，改善了材料的力学性能和耐油性，提高了氢氧化物阻燃剂的阻燃作用，增强了电缆护套材料的无卤阻燃性能。由于无机矿物填料本身具有高耐热、气体阻隔、电绝缘等特性，向材料中引入无机矿物填料后，材料的体积电阻率进一步提高，从而绝缘性能得到提高。此外，材料中的离子交联结构形成的交联动态交换，使其耗散了受迫振动时产生的能量，为材料的结构稳定性与护套的尺寸稳定性提供了基础与保证，使得该材料制备的电缆护套，在列车高速运行震动工况下，具有不开裂和尺寸稳定性好等特点，为高速列车的稳定运行提供了保障。
以上的实施例是为了说明本发明公开的实施方案，并不能理解为对本发明的限制。此外，本文所列出的各种修改以及发明中方法、组合物的变化，在不脱离本发明的范围和精神的前提下对本领域内的技术人员来说是显而易见的。虽然已结合本发明的多种具体优选实施例对本发明进行了具体的描述，但应当理解，本发明不应仅限于这些具体实施例。事实上，各种如上所述的对本领域内的技术人员来说显而易见的修改来获取发明都应包括在本发明的范围内。
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