CN120699345A - 一种阻燃防火型电线电缆及其制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电线线缆技术领域，公开了一种阻燃防火型电线电缆及其制造工艺，由内到外依次包括导线芯层、内衬层和外护套层，其中外护套层是通过将外护套层材料挤出包覆在内衬层外侧形成，外护套层材料是以高密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、相容剂和有机‑无机复合阻燃剂等为原料，经混合、熔融挤出工艺制得，其中有机‑无机复合阻燃剂是通过在累托石中形成以酯键进行连接的大分子修饰物制得，大分子修饰物的存在能够改善累托石与聚乙烯基体之间的相容性，使累托石高效发挥自身的增强效果，使护套层表现出更高的力学强度，而大分子修饰物能够与累托石协同，大幅提高外护套层的防火阻燃效果。

Description

一种阻燃防火型电线电缆及其制造工艺

技术领域

本发明涉及电线线缆技术领域，具体涉及一种阻燃防火型电线电缆及其制造工艺。

背景技术

电线电缆作为电力传输和信号控制的关键载体，广泛应用于建筑、交通、能源及工业领域。现阶段，电线电缆一般需要设置外护套层，实现对导体的机械保护，由于聚乙烯（PE）等高分子材料具有电阻率高、环境适应性强、加工简单等优势，因此，目前电线电缆的外护套层大多采用高分子材料作为基材，然而，聚乙烯等高分子材料多为可燃或易燃高分子材料，在短路、过载或外部火源作用下易引发火灾，而且聚乙烯属于热塑性材料，在燃烧过程中会出现熔融滴落，造成火焰蔓延，加剧灾情，同时还会出现大量烟雾，对环境和人员安全产生极大威胁，因此，开发阻燃防火型电线电缆成为电力安全领域的迫切需求。

目前，电缆护套阻燃技术主要依赖化学阻燃剂，早期一般是通过使用卤系阻燃剂，然而卤系阻燃剂燃烧时产生大量腐蚀性、有毒烟雾，逐渐被禁止使用。另外还有无机氢氧化物阻燃剂，但是这类无机阻燃剂需高填充量（40~60wt%），会损害电缆力学性能。除此之外，还有有机磷系阻燃剂，这类阻燃剂虽染不会产生有毒烟雾，但是长期稳定性差，而且聚乙烯等高分子材料还存在一定的相容性问题，因此，实际应用存在一定缺陷。

基于此，本发明提供了一种阻燃防火型电线电缆，可解决现有技术中存在的问题。

发明内容

为了解决背景技术中提到的问题，本发明的目的在于提供一种阻燃防火型电线电缆及其制造工艺。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种阻燃防火型电线电缆，由内到外依次包括导线芯层、内衬层和外护套层；所述外护套层是通过将外护套层材料挤出包覆在内衬层外侧形成；按照重量份数计，所述外护套层材料包括以下原料：

高密度聚乙烯55-68份、线性低密度聚乙烯20-35份、相容剂5-15份、有机-无机复合阻燃剂2-5.5份、色粉5-10份、润滑剂1-2份、抗氧剂0.5-1.5份、紫外吸收剂0.5-1.5份。

作为本发明的进一步方案，所述外护套层材料的制备方法如下：

将各原料按重量份数称取备齐后，加入至高速搅拌机中，于1000-1500r/min的搅拌速率下机械搅拌混合20-40min，形成均匀物料，接着转移至挤出机中进行熔融挤出，将获得的母粒切粒、干燥，即可。

作为本发明的进一步方案，所述相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯或者马来酸酐接枝聚丙烯。

作为本发明的进一步方案，所述有机-无机复合阻燃剂的制备方法包括以下步骤：

步骤S1、将累托石加入去离子水中，超声振荡均匀，接着将温度升高至70-80℃，搅拌1-2h后，将pH调节为9-10，再加入2,3-环氧丙基三甲基氯化铵，加毕，恒温搅拌1-2h，停止加热，降温出料，经洗涤、真空干燥处理，获得有机化累托石；

步骤S2、将有机化累托石超声分散在N,N-二甲基甲酰胺介质中，形成均匀分散液，然后向分散液中加入过量氮/磷一体型阻燃单体和催化剂，加毕，升温至80-90℃，保温搅拌1-3h后，继续加入扩链剂，加完后，进一步升温至100-120℃，持续搅拌聚合12-24h后，降温出料，离心出固体料，经洗涤、真空干燥处理，即可制得有机-无机复合阻燃剂。

作为本发明的进一步方案，步骤S2中，所述催化剂为N,N-二甲基苄胺、四丁基硫酸氢铵、四甲基溴化铵或者四丁基氯化铵中的任意一种。

作为本发明的进一步方案，步骤S2中，所述氮/磷一体型阻燃单体的制备方法如下：

将摩尔比为1:1的4-氯吡啶-2,6-二羧酸和FRC-2加入至甲苯中，加完后，机械搅拌均匀，接着继续加入碱性催化剂，加毕，开启加热，将温度升高至70-80℃，保温搅拌4-8h后，旋蒸去除溶剂，收集产物，经纯化处理，即可制得氮/磷一体型阻燃单体。

作为本发明的进一步方案，所述碱性催化剂为氢氧化钠水溶液或者氢氧化钾水溶液。

作为本发明的进一步方案，所述扩链剂为1,1,3,3-四甲基-1,3二[3-(环氧乙基甲氧基)丙基]二硅氧烷。

在上述技术方案中，首先采用2,3-环氧丙基三甲基氯化铵对累托石进行插层改性，制得含有环氧取代基的有机化累托石，接着，以氮/磷一体型阻燃单体为连接剂，其结构中的取代羧基首先与有机化累托石的环氧基团进行开环酯化，接着，体系中过量的氮/磷一体型阻燃单体与扩链剂结构中的环氧基团在催化剂作用下进行连续不断的开环反应，从而在累托石中形成了以酯键进行连接的大分子修饰物，该大分子修饰物具有氮/磷阻燃结构和硅氧烷结构，而且还含有因开环酯化反应产生的大量羟基官能团，制得有机-无机复合阻燃剂。

其中氮/磷一体型阻燃单体是通过以4-氯吡啶-2,6-二羧酸和FRC-2为原料，在碱性催化剂的作用下，彼此结构中的卤素取代基与羟基取代基发生取代反应制得。

作为本发明的进一步方案，所述色粉为钛白粉、炭黑或者碳酸钙中的任意一种；所述润滑剂为聚乙烯蜡或者石蜡；所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1076或者抗氧剂168中的任意一种；所述紫外吸收剂为紫外线吸收剂UV-234或者紫外线吸收剂UV-326。

一种阻燃防火型电线电缆的制造工艺，包括以下步骤：

第一步、将铜线绞合，形成导线；

第二步、在导线表面绕包聚酰亚胺带，形成内衬层，接着使用挤出设备，将外护套层材料挤出包覆在内衬层表面，形成外护套层，即可。

本发明的有益效果：

本发明通过在累托石中形成以酯键进行连接的大分子修饰物，制得有机-无机复合阻燃剂，首先，大分子修饰物中的羟基取代基能够在熔融挤出过程中，与相容剂结构中的酸酐基团产生相互作用，从而实现累托石与聚乙烯基体之间的良好相容，而且由于大分子修饰物与聚乙烯分子链之间形成相互缠绕的网状结构，还能使累托石以网络核心的方式高效发挥自身的增强效果，使护套层表现出更高的力学强度，而大分子修饰物自身含有碳、氮、磷、硅元素，在发生燃烧时，能够迅速催化形成膨胀碳层，隔绝氧气热量，硅元素能够以氧化物的形式沉积在碳层中，维持碳层的强度，此外，累托石本身具有典型的层状结构，能够形成物理屏障，与膨胀碳层协同，阻止熔融物滴落，减缓火势蔓延，从而提高外护套层的防火阻燃效果。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为氮/磷一体型阻燃单体的红外测试图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

外护套层材料的制备：

步骤一、将55份高密度聚乙烯、20份线性低密度聚乙烯、5份相容剂马来酸酐接枝聚乙烯、2份有机-无机复合阻燃剂、5份色粉钛白粉、1份润滑剂聚乙烯蜡、0.5份抗氧剂1010、0.5份紫外吸收剂UV-234加入至高速搅拌机中，于1000r/min的搅拌速率下机械搅拌混合40min，形成均匀物料；

步骤二、将物料转移至挤出机中，控制各区温度依次为：一区200±5℃、二区210±5℃、三区220±5℃、四区220±5℃、五区210±5℃，螺杆转速为150r/min，进行熔融挤出，将获得的母粒切粒、干燥，即可。

实施例2

外护套层材料的制备：

步骤一、将60份高密度聚乙烯、25份线性低密度聚乙烯、10份相容剂马来酸酐接枝聚乙烯、5份有机-无机复合阻燃剂、8份色粉碳酸钙、1.5份润滑剂聚乙烯蜡、1份抗氧剂1076、1份紫外吸收剂UV-326加入至高速搅拌机中，于1200r/min的搅拌速率下机械搅拌混合30min，形成均匀物料；

步骤二、将物料转移至挤出机中，控制各区温度依次为：一区200±5℃、二区210±5℃、三区220±5℃、四区220±5℃、五区210±5℃，螺杆转速为150r/min，进行熔融挤出，将获得的母粒切粒、干燥，即可。

实施例3

外护套层材料的制备：

步骤一、将68份高密度聚乙烯、35份线性低密度聚乙烯、15份相容剂马来酸酐接枝聚乙烯、5.5份有机-无机复合阻燃剂、10份色粉碳酸钙、2份润滑剂聚乙烯蜡、1.5份抗氧剂1076、1.5份紫外吸收剂UV-326加入至高速搅拌机中，于1500r/min的搅拌速率下机械搅拌混合20min，形成均匀物料；

步骤二、将物料转移至挤出机中，控制各区温度依次为：一区200±5℃、二区210±5℃、三区220±5℃、四区220±5℃、五区210±5℃，螺杆转速为150r/min，进行熔融挤出，将获得的母粒切粒、干燥，即可。

以上实施例中的有机-无机复合阻燃剂采用以下方法制备：

步骤S1、将2.4g累托石加入去离子水中，超声振荡均匀，接着将温度升高至75℃，搅拌1h后，将pH调节为9，再加入1g的2,3-环氧丙基三甲基氯化铵，加毕，恒温搅拌2h，停止加热，降温出料，经洗涤、真空干燥处理，获得有机化累托石；

步骤S2、将1.8g有机化累托石超声分散在N,N-二甲基甲酰胺介质中，形成均匀分散液，然后向分散液中加入6g氮/磷一体型阻燃单体和0.2g四丁基氯化铵，加毕，升温至85℃，保温搅拌2h后，继续加入5.8g的1,1,3,3-四甲基-1,3二[3-(环氧乙基甲氧基)丙基]二硅氧烷，加完后，进一步升温至110℃，持续搅拌聚合18h后，降温出料，离心出固体料，经洗涤、真空干燥处理，即可制得有机-无机复合阻燃剂。

其中氮/磷一体型阻燃单体的制备方法如下：

将摩尔比为1:1的0.2g的4-氯吡啶-2,6-二羧酸和0.2g的FRC-2加入至甲苯中，加完后，机械搅拌均匀，接着继续加入5mL质量分数为20%的氢氧化钠水溶液，加毕，开启加热，将温度升高至75℃，保温搅拌6h后，旋蒸去除溶剂，收集产物，经纯化处理，即可制得氮/磷一体型阻燃单体。

图1为该氮/磷一体型阻燃单体的红外分析测试图，其中3252cm^-1处出现的特征吸收峰为N-H特征吸收峰，3000～3100cm^-1处出现的特征吸收峰归属于吡啶环中的C-H特征吸收峰，1709cm^-1处出现的特征吸收峰羧基的C=O特征吸收峰，1675cm^-1处出现的特征吸收峰为酰胺基团的C=O特征吸收峰，1289cm^-1处出现的特征吸收峰为P=O特征吸收峰，1000～1100cm^-1处出现的特征吸收峰归属于取代反应产生的醚键C-O特征吸收峰。

对比例1

外护套层材料的制备：

步骤一、将60份高密度聚乙烯、25份线性低密度聚乙烯、10份相容剂马来酸酐接枝聚乙烯、5份累托石、8份色粉碳酸钙、1.5份润滑剂聚乙烯蜡、1份抗氧剂1076、1份紫外吸收剂UV-326加入至高速搅拌机中，于1200r/min的搅拌速率下机械搅拌混合30min，形成均匀物料；

步骤二、将物料转移至挤出机中，控制各区温度依次为：一区200±5℃、二区210±5℃、三区220±5℃、四区220±5℃、五区210±5℃，螺杆转速为150r/min，进行熔融挤出，将获得的母粒切粒、干燥，即可。

对比例2

外护套层材料的制备：

步骤一、将60份高密度聚乙烯、25份线性低密度聚乙烯、10份相容剂马来酸酐接枝聚乙烯、8份色粉碳酸钙、1.5份润滑剂聚乙烯蜡、1份抗氧剂1076、1份紫外吸收剂UV-326加入至高速搅拌机中，于1200r/min的搅拌速率下机械搅拌混合30min，形成均匀物料；

步骤二、将物料转移至挤出机中，控制各区温度依次为：一区200±5℃、二区210±5℃、三区220±5℃、四区220±5℃、五区210±5℃，螺杆转速为150r/min，进行熔融挤出，将获得的母粒切粒、干燥，即可。

性能测试

将实施例和对比例中的材料制作成符合规格的测试样品，进行各项性能检测；

根据标准GB/T 1040.2-2022，进行拉伸性能测试；

根据标准GB/T 1843-2008，进行冲击性能测试；

根据标准GB/T 2406-2009，进行极限氧指数测试；

测试结果见下表：

分析测试结果可知，直接采用未经表面改性的累托石作为填充剂时，制备的护套层材料力学强度和阻燃性能均发生明显下降，一方面是由于界面问题产生了团聚现象，难以形成高效的增强效果，导致力学性能产生下降，另一方面，失去了大分子修饰剂，材料燃烧时无法形成膨胀碳层，仅能依靠累托石自身的屏障作用，因此阻燃性能也大幅降低。

采用本发明实施例1-实施例3中的外护套层材料，制造一种阻燃防火型电线电缆，具体制造工艺包括以下步骤：

第一步、将铜线绞合，形成导线；

第二步、在导线表面绕包聚酰亚胺带，形成内衬层，接着使用挤出设备，将外护套层材料挤出包覆在内衬层表面，形成外护套层，即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，包括最佳方式，并且也使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，和实施任何结合的方法。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。本发明专利保护的范围通过权利要求来限定，并可包括本领域技术人员能够想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有近似于权利要求文字表述的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字表述无实质差异的等同结构要素，那么这些其他实施例也应包含在权利要求的范围内。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种阻燃防火型电线电缆，其特征在于，由内到外依次包括导线芯层、内衬层和外护套层；所述外护套层是通过将外护套层材料挤出包覆在内衬层外侧形成；按照重量份数计，所述外护套层材料包括以下原料：

高密度聚乙烯55-68份、线性低密度聚乙烯20-35份、相容剂5-15份、有机-无机复合阻燃剂2-5.5份、色粉5-10份、润滑剂1-2份、抗氧剂0.5-1.5份、紫外吸收剂0.5-1.5份。

2.根据权利要求1所述的一种阻燃防火型电线电缆，其特征在于，所述外护套层材料的制备方法如下：

将各原料按重量份数称取备齐后，加入至高速搅拌机中，于1000-1500r/min的搅拌速率下机械搅拌混合20-40min，形成均匀物料，接着转移至挤出机中进行熔融挤出，将获得的母粒切粒、干燥，即可。

3.根据权利要求1所述的一种阻燃防火型电线电缆，其特征在于，所述相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯或者马来酸酐接枝聚丙烯。

4.根据权利要求1所述的一种阻燃防火型电线电缆，其特征在于，所述有机-无机复合阻燃剂的制备方法包括以下步骤：

步骤S1、使用2,3-环氧丙基三甲基氯化铵对累托石进行插层改性，获得有机化累托石；

步骤S2、在N,N-二甲基甲酰胺介质中，采用催化剂催化，首先使用过量氮/磷一体型阻燃单体对有机化累托石进行进一步改进，然后再加入扩链剂进行持续的扩链聚合，制得有机-无机复合阻燃剂。

5.根据权利要求4所述的一种阻燃防火型电线电缆，其特征在于，步骤S2中，所述催化剂为N,N-二甲基苄胺、四丁基硫酸氢铵、四甲基溴化铵或者四丁基氯化铵中的任意一种。

6.根据权利要求4所述的一种阻燃防火型电线电缆，其特征在于，步骤S2中，所述氮/磷一体型阻燃单体是通过使用摩尔比为1:1的4-氯吡啶-2,6-二羧酸和FRC-2为原料，在碱性催化剂的作用下，经取代反应制得。

7.根据权利要求6所述的一种阻燃防火型电线电缆，其特征在于，所述碱性催化剂为氢氧化钠水溶液或者氢氧化钾水溶液。

8.根据权利要求4所述的一种阻燃防火型电线电缆，其特征在于，所述扩链剂为1,1,3,3-四甲基-1,3二[3-(环氧乙基甲氧基)丙基]二硅氧烷。

9.根据权利要求1所述的一种阻燃防火型电线电缆，其特征在于，所述色粉为钛白粉、炭黑或者碳酸钙中的任意一种；所述润滑剂为聚乙烯蜡或者石蜡；所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1076或者抗氧剂168中的任意一种；所述紫外吸收剂为紫外线吸收剂UV-234或者紫外线吸收剂UV-326。

10.一种如权利要求1所述的阻燃防火型电线电缆的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、将铜线绞合，形成导线；

第二步、在导线表面绕包聚酰亚胺带，形成内衬层，接着使用挤出设备，将外护套层材料挤出包覆在内衬层表面，形成外护套层，即可。