高耐磨阻燃改性聚丙烯電纜保護(hù)管的制備及性能研究

吳惠民

(福州市福塑科學(xué)技術(shù)研究所有限公司，福建 福州 350008)

隨著社會和城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，地下管道已成為市政建設(shè)中重要的一環(huán)[1]，電纜護(hù)套管作為地下管道中用于保護(hù)電纜、通訊線路的重要管道，對于防止電力線發(fā)生斷線造成短路事故、隔離電力線磁場干擾以及防止線纜被腐蝕，提高線纜使用壽命具有十分重要的作用。

目前，電纜保護(hù)管多以聚丙烯材料為主，該管道具有強(qiáng)度高、韌性好、環(huán)剛度高、不易斷裂和老化等優(yōu)點(diǎn)，但耐磨性能和阻燃性能較差，特別現(xiàn)在地下管道多采用非開挖鋪設(shè)方法，在施工過程中由于機(jī)器的牽引，管道與地下砂石或泥土不可避免的要進(jìn)行摩擦，對管道造成不可逆的磨損，影響管道使用壽命，同時為防止保護(hù)管內(nèi)線纜發(fā)生短路引起燃燒等問題.

因此，基于上述問題，本文采用自制納米球形Al2O3接枝棕櫚纖維作為耐磨劑，利用棕櫚纖維高強(qiáng)度，高韌性特點(diǎn)，在其表面接枝納米球形Al2O3，形成具有“滾珠”結(jié)構(gòu)的耐磨劑，同時創(chuàng)新性的復(fù)配超高分子量聚乙烯粉末，有效提高材料的耐磨性能。同時采用籠型聚倍半硅氧烷接枝二乙烯三胺五甲叉膦酸銨作為阻燃劑，結(jié)合二乙烯三胺五甲叉膦酸銨在燃燒易膨脹劑產(chǎn)生的氮?dú)庾韪粞鯕猓瑓f(xié)同籠型聚倍半硅氧烷燃燒時能夠在聚合物的表面形成一層致密的陶瓷型炭層，該炭層能隔熱、隔氧，從而有效的保護(hù)聚合物基體，發(fā)揮阻燃作用，從而有效提高材料耐磨及阻燃性能。對實際生產(chǎn)和推廣應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PP，J340，韓國曉星；

納米球形Al2O3，平均粒度20 nm，產(chǎn)品純度99.9%，合肥中航納米技術(shù)發(fā)展有限公司；

棕櫚纖維，平均粒徑0.05 mm,含水率＜5%，寧波海曙鼎創(chuàng)化工有限公司，市售；

硅烷偶聯(lián)劑，市售；

非離子型表面活性劑，椰子油脂肪酸二乙醇酰胺，市售；

阻燃劑：籠型聚倍半硅氧烷接枝二乙烯三胺五甲叉膦酸銨，自制；

超高分子量聚乙烯粉末，分子量為300萬～600萬，粒徑為20～200目，市售；

增韌劑，EVA與EAA復(fù)配，市售；

相容劑，PP接枝馬來酸酐，接枝率≥2.5%，市售；

潤滑劑，PP蠟，市售；

抗氧化劑，1010/168復(fù)配，市售。

1.2 主要儀器與設(shè)備

三口燒瓶：500ml，鹽城玉鑫玻璃制品有限公司；

烘箱：881Y-3型，蘇州華潔烘箱制造有限公司；

高速混合機(jī)：SHR-5，5 L，張家港市日新機(jī)電有限公司；

雙螺桿擠出機(jī)：SJSH-30，石家莊市星爍實業(yè)公司；

塑料注射成型機(jī)：EM150-V，震德注塑機(jī)有限公司；

塑料滑動摩擦磨損試驗機(jī)（液晶顯示）：M-200型，北京北廣精儀儀器有限公司；

微機(jī)控制電子萬能實驗機(jī)：CMT4204-20 kN，深圳新三思計量技術(shù)有限公司；

水平垂直燃燒測試儀：F241UL，標(biāo)準(zhǔn)集團(tuán)（香港）有限公司；

管材環(huán)剛度測試儀，JJRST-1411，承德市金建檢測儀器有限公司。

1.3 試樣制備

1.3.1 納米球形Al2O3接枝棕櫚纖維耐磨劑的制備

（1）稱取20 g納米球形Al2O3。充分干燥后，加入100 mL無水乙醇中，常溫攪拌2 h，記為溶液A。

（2）稱取10 g硅烷偶聯(lián)劑和2 g椰子油脂肪酸二乙醇酰胺表面活性劑加入50 ml無水乙醇中，超聲波分散20 min，記為溶液B。

（3）在65 ℃恒溫條件下，將溶液B緩慢加入溶液A中充分?jǐn)嚢璺磻?yīng) 2 h后邊真空抽濾邊用乙醇和蒸餾水洗滌3次，放入烘箱中在70 ℃溫度下干燥4 h，得到表面處理納米球形Al2O3。

（4）稱取10 g步驟（3）制得的表面處理納米球形Al2O3加入50 mL丙酮中，加入5 g硅烷偶聯(lián)劑和1 g椰子油脂肪酸二乙醇酰胺表面活性劑充分?jǐn)嚢?.5 h后，頻率為80 kHz超聲分散1 h，形成均勻分散液，稱取30 g棕櫚纖維加入均勻分散液中，充分?jǐn)嚢?.5 h后過濾，放入烘箱中在85 ℃溫度下干燥3 h，得到納米球形Al2O3。接枝棕櫚纖維耐磨劑。

1.3.2 籠型聚倍半硅氧烷接枝二乙烯三胺五甲叉膦酸銨阻燃劑的制備

準(zhǔn)確稱取50 g二乙烯三胺五甲叉磷酸加入裝有25 g尿素三口燒瓶中，在110 ℃溫度下充分?jǐn)嚢杌亓鞣磻?yīng)4 h后降至常溫，加入蒸餾水至完全溶解后，加入10 g籠型聚倍半硅氧烷充分?jǐn)嚢韬蟪?0 min后80 ℃恒溫反應(yīng)4 h，100 ℃干燥制得籠型聚倍半硅氧烷接枝二乙烯三胺五甲叉膦酸銨阻燃劑。

1.3.3 高耐磨阻燃改性聚丙烯電纜保護(hù)管的制備

（1）固定PP樹脂的重量為100份，耐磨劑和阻燃劑的總重量為50份，改變耐磨劑和阻燃劑的重量和配比，按照表1所示配方進(jìn)行稱料、備用。

（2）依次將PP樹脂、耐磨劑、阻燃劑、增強(qiáng)劑、增韌劑、相容劑、潤滑劑、抗氧化劑加入高速混合機(jī)內(nèi)，以150～200 r/min的轉(zhuǎn)速常溫攪拌0.5 h，得到預(yù)混料；

（3）將（2）所得的預(yù)混料加入到雙螺桿擠出機(jī)，在工作參數(shù)為：一區(qū)溫度為100～130 ℃，二區(qū)溫度為150～190 ℃，三區(qū)溫度為190～220 ℃，四區(qū)溫度為180～210 ℃，五區(qū)溫度為160～200 ℃，模頭溫度為130～160 ℃，喂料速度為100～150 r/min，螺桿轉(zhuǎn)速為250～300 r/min，擠出造粒；得到高耐磨阻燃改性聚丙烯電纜保護(hù)管專用料，在100 ℃下熱風(fēng)干燥5 h，經(jīng)注塑機(jī)成型機(jī)注射成測試樣條，性能測試；

（4）將（3）得到的一種高耐磨阻燃改性聚丙烯電纜保護(hù)管專用料加入管材擠出料斗中，在管材擠出生產(chǎn)線工藝參數(shù)為：機(jī)筒1區(qū)溫度為150～160 ℃，機(jī)筒2區(qū)溫度為170～190 ℃，機(jī)筒3區(qū)溫度為200～220 ℃，機(jī)筒4區(qū)溫度為180～200 ℃，機(jī)筒5區(qū)溫度為150～180 ℃，機(jī)頭1區(qū)溫度為200～220 ℃，機(jī)筒2區(qū)溫度為210～230 ℃，機(jī)筒3區(qū)溫度為150～170 ℃，擠出成型速度0.5 m/min，制得高耐磨阻燃改性聚丙烯電纜保護(hù)管。

1.4 樣品測試

（1）質(zhì)量磨損根據(jù)GB/T 3960—2016《塑料 滑動摩檫磨損試驗方法》進(jìn)行性能測試。

（2）極限氧指數(shù)根據(jù)GBT 2406.2—2009《塑料 用氧指數(shù)法測定燃燒行為 第2部分 室溫試驗》進(jìn)行性能測試。

（3）環(huán)剛度根據(jù)GB/T 9647—2015《熱塑性塑料管材 環(huán)剛度的測定》進(jìn)行性能測試。

（4）彎曲模量根據(jù)GB/T9341—2008 《塑料 彎曲性能的測定》進(jìn)行性能測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 阻燃劑與耐磨劑的含量對改性聚丙烯電纜保護(hù)管阻燃性能的影響

圖1為阻燃劑與耐磨劑的含量對改性聚丙烯電纜保護(hù)管阻燃性能的影響。從圖1可以看出：采用自制籠型聚倍半硅氧烷接枝二乙烯三胺五甲叉膦酸銨阻燃劑，能有效提高材料的阻燃性能。當(dāng)阻燃劑添加量為40份時，材料極限氧指數(shù)為42%，相較于空白PP材料18%的極限氧指數(shù)提高近2.4倍，隨著阻燃劑含量的減少，耐磨劑含量的增加，材料阻燃性能呈下降的趨勢，當(dāng)阻燃劑含量15份時，材料極限氧指數(shù)為23%，較阻燃劑含量40份時42%下降近一半，阻燃性能下降明顯，當(dāng)阻燃劑含量從15份下降至0份時，材料極限氧指數(shù)從23%下降至21%，下降趨勢趨緩，這可能是由于采用籠型聚倍半硅氧烷接枝二乙烯三胺五甲叉膦酸銨作為阻燃劑，其原理是利用二乙烯三胺五甲叉膦酸銨在燃燒易膨脹劑產(chǎn)生的氮?dú)庾韪粞鯕猓瑓f(xié)同籠型聚倍半硅氧烷燃燒時能夠在聚合物的表面形成一層致密的陶瓷型炭層，該炭層能隔熱、隔氧，從而有效的保護(hù)聚合物基體，發(fā)揮阻燃作用，當(dāng)阻燃劑添加量小于15份時，未能在聚合物表面形成有效的隔熱隔氧層，發(fā)揮阻燃效果。而當(dāng)阻燃劑添加量為0份時，材料極限氧指數(shù)為21%，較空白PP材料提高3%，這是由于耐磨劑含有納米球形Al2O3，具有一定的阻燃作用。

表1 高耐磨阻燃改性聚丙烯電纜保護(hù)管的配方

圖1 阻燃劑與耐磨劑的含量對改性聚丙烯電纜保護(hù)管阻燃性能的影響

2.2 阻燃劑與耐磨劑的含量對改性聚丙烯電纜保護(hù)管耐磨性能的影響

圖2為阻燃劑與耐磨劑的含量對改性聚丙烯電纜保護(hù)管耐磨性能的影響。從圖2可知，隨著耐磨劑含量的增加，材料的質(zhì)量磨損量呈下降的趨勢，材料的耐磨性能逐步提高。當(dāng)耐磨劑含量為40份時，質(zhì)量磨損為17.2 mg，為空白PP的72.3 mg的23.8%，耐磨劑對材料的耐磨性能提高明顯。當(dāng)耐磨劑添加量10份時，質(zhì)量磨損為70.1 mg，較空白PP材料耐磨性能提高不明顯。當(dāng)耐磨劑添加量15份時，質(zhì)量磨損為43.8 mg，材料耐磨性能出現(xiàn)一個明顯的提升。這是由于本文采用自制納米球形Al2O3接枝棕櫚纖維作為耐磨劑，利用棕櫚纖維高強(qiáng)度，高韌性特點(diǎn)，在其表面接枝納米球形Al2O3，形成具有特殊的“滾珠”結(jié)構(gòu)，同時創(chuàng)新性的復(fù)配超高分子量聚乙烯粉末，有效提高材料的耐磨性能。

圖2 阻燃劑與耐磨劑的含量對改性聚丙烯電纜保護(hù)管耐磨性能的影響

2.3 阻燃劑與耐磨劑的含量對改性聚丙烯電纜保護(hù)管彎曲模量的影響

圖3為阻燃劑與耐磨劑的含量對改性聚丙烯電纜保護(hù)管彎曲模量的影響。從圖3可以看出，隨著耐磨劑含量的增加，材料的彎曲模量出現(xiàn)一定程度的提高，但提高幅度不明顯，當(dāng)耐磨劑含量為40份時，材料彎曲模量為67.7 MPa，較空白PP材料彎曲模量55.4 MPa提高22.2%，較含量為15份時彎曲模量63.3 MPa僅提高2.5%。這是由于納米球形Al2O3接枝棕櫚纖維耐磨劑的加入，棕櫚纖維與基體界面的作用力強(qiáng)，能較好地傳遞應(yīng)力，從而使材料的彎曲模量得到提升，而Al2O3為球形結(jié)構(gòu)，容易形成應(yīng)力集中點(diǎn)，降低材料性能。同時隨著耐磨劑份數(shù)的增加，填料在基體中的分散性變差，并容易發(fā)生團(tuán)聚，形成應(yīng)力集中，填料與基體之間發(fā)生缺陷，從而降低了材料的彎曲模量。

圖3 阻燃劑與耐磨劑的含量對改性聚丙烯電纜保護(hù)管彎曲模量的影響

2.4 阻燃劑與耐磨劑的含量對改性聚丙烯電纜保護(hù)管環(huán)剛度的影響

圖4為阻燃劑與耐磨劑的含量對改性聚丙烯電纜保護(hù)管環(huán)剛度的影響。從圖4可以看出：隨著耐磨劑含量的增加，改性聚丙烯電纜保護(hù)管環(huán)剛度出現(xiàn)逐步上升的現(xiàn)象，在耐磨劑份數(shù)為40份時，達(dá)到最大值，為32.3 kN/m2，較空白PP電纜護(hù)套管環(huán)剛度28.4 kN/m2提高13.8%，探究其原理，由于納米球形Al2O3接枝棕櫚纖維耐磨劑的加入，當(dāng)材料受到外力時，棕櫚纖維承受絕大部分應(yīng)力，而PP基體承受的應(yīng)力較小。在基體斷裂之前，應(yīng)力主要由棕櫚纖維承受，但同時由于Al2O3為球形結(jié)構(gòu)，容易形成應(yīng)力集中點(diǎn)，降低材料性能。同時隨著耐磨劑份數(shù)得增加，耐磨劑在PP樹脂中的分散性變差，會發(fā)生團(tuán)聚，因而耐磨劑對材料的整體環(huán)剛度有一定提高，但提高幅度不明顯。

圖4 阻燃劑與耐磨劑的含量對改性聚丙烯電纜保護(hù)管環(huán)剛度的影響

3 結(jié)論

（1）采用自制籠型聚倍半硅氧烷接枝二乙烯三胺五甲叉膦酸銨阻燃劑制備高耐磨阻燃改性聚丙烯電纜保護(hù)管，能顯著的提高材料的阻燃性能；

（2）采用自制納米球形Al2O3接枝棕櫚纖維耐磨劑制備高耐磨阻燃改性聚丙烯電纜保護(hù)管，在顯著提高材料耐磨性能的同時，也有一定程度上提高材料的彎曲模量和環(huán)剛度；

（3）實驗表明：PP/阻燃劑/耐磨劑配比為100/25/15時，高耐磨阻燃改性聚丙烯電纜保護(hù)管極限氧指數(shù)為37%，質(zhì)量磨損為43.8 mg，彎曲模量為63.3 MPa，環(huán)剛度Ф100為30.3 kN/m2，綜合性能最為均衡；

（4）利用自制納米球形Al2O3接枝棕櫚纖維作為耐磨劑，籠型聚倍半硅氧烷接枝二乙烯三胺五甲叉膦酸銨作為阻燃劑，制備高耐磨阻燃改性聚丙烯電纜保護(hù)管，結(jié)合實際生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益，對實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。