电缆保护管用PP/nano-CaCO3复合材料的研究

黄书琴

(福建和盛塑业有限公司，福建 福州 350206)

纳米碳酸钙按晶形可分为：纺锤体形、立方体晶形、玫瑰晶形等，其中应用较好的晶体是玫瑰晶形，玫瑰晶形是由偏三角体聚集成的菊花状和玫瑰花瓣形[1]。根据GB50217—2007《电力工程电力设计规范》5.4.5（2）的要求[2]，地中埋管，距地面深度不宜小于0.5 m。这就意味着地中埋管在承受至少土体静载荷（若管道铺设在机动车道，还必须承受机动车的动载荷）时，埋管的变形在规定的范围内。环刚度是测定管材在变形量为3%时所承受的力，是管材性能的重要指标之一，也是判定管材是否符合使用环境的判定依据之一；在施工过程中，管材难免要承受一定高度的坠落冲击，管材的落锤冲击韧性也是管材性能的重要指标之一。若采用普通碳酸钙增强聚丙烯基体材料制成电缆保护管，填充量大，效果不好，本文研究了纳米碳酸钙含量、晶形对纳米碳酸钙增强聚丙烯基体材料制成的电缆保护管环刚度和落锤冲击韧性的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

无规共聚PP树脂，J340，韩国晓星；纳米碳酸钙，玫瑰晶形、纺锤体晶形、立方体晶形，均来自福建省万旗非金属材料有限公司；硅烷偶联剂，KH-560，常州新区利进化工股份有限公司；聚丙烯接枝马来酸酐（PP-g-MAH），CMG980，上海日之升新技术发展有限公司；

1.2 主要设备

电子万能试验机，WDT-W型，承德市精密试验机有限公司；高低温恒温箱，XDK-25型，石家庄开发区中实验检测设备有限公司；高速混合机，SHR-300，张家港市源丰机械制造有限公司；双螺杆挤出造粒机组，HT-65，南京橡塑机械厂有限公司；管材落锤冲击机，XJL-300D-630，石家庄开发区中实验检测设备有限公司；扫描电子显微镜，KYKY-2800B型，北京中科科仪技术发展有限责任公司。

1.3 实验方法

（1）纳米碳酸钙表面处理

将玫瑰晶形纳米碳酸钙放入高低温恒温箱内在80℃下干燥24 h，加入高速混合机中，升温至80℃，以50 r/min的转速搅拌1 h后，按10:1的质量份数加入硅烷偶联剂，以300 r/min的转速高速搅拌0.5 h后冷却至常温，用同样方法将纺锤体晶形纳米碳酸钙和立方体晶形纳米碳酸钙表面处理。

（2）聚丙烯/纳米碳酸钙复合材料的制备

将表面处理过的纳米碳酸钙按质量份数6:1加入PP-g-MAH，以500 r/min的转速常温搅拌0.5 h，所得的共混材料分别按1:3、5:11、3:5、7:9、1:1的质量分数与PP树脂共混，通过双螺杆挤出机熔融挤出造粒，其工艺参数如下：一区温度为140℃，二区温度为170℃，三区温度为190℃，四区温度为210℃，五区温度为200℃，模头温度为180℃，喂料速度为100 r/min，螺杆转速为160 r/min。用同样方法制备聚丙烯/纺锤体晶形纳米碳酸钙复合材料和聚丙烯/立方体晶形纳米碳酸钙复合材料。

（3）样品管的制备

将上述粒料在80℃下干燥12 h，再通过管道生产线挤出成形制得样品管，其工艺参数如下：机筒1区温度为160℃，机筒2区温度为180℃，机筒3区温度为190℃，机筒4区温度为180℃，机筒5区温度为160℃，机头1区温度为160℃，机筒2区温度为180℃，机筒3区温度为150℃，挤出成形速度1.6 m/min，制备成内径为150 mm，壁厚为12 mm的样品管。

（4）试样管段的制备及性能测试

从三根管材上各取长度为（300±10）mm 的管段试样，试样两端应切割平整并与轴线垂直，按GB/T9647—2015[3]的要求进行测试，取三个试样的试验结果的算术平均值为试验结果。

取10段200 mm长的试样，试样两端应垂直切平，经（23±1）℃条件下放置8 h，用曲率半径为50 mm，冲头柱直径为90 mm的落锤锤头，落锤重量6.0 kg，高度2 m，按GB/T14152—2001[4]的要求进行落锤冲击试验，每段冲击一次，整个过程应在30 s内完成。

（5） SEM 观察

将纳米碳酸钙增强聚丙烯基体材料制成的电缆保护管在液氮下冷却2 h后冲断，再将断口放入加热到120℃二甲苯中刻蚀0.5 h，然后将断口用乙醇冲洗干净后放入80℃的干燥箱内干燥8 h，喷金后在扫描电镜下观察纳米碳酸钙在复合材料中的分布情况。

2 结果与讨论

2.1 不同晶形纳米碳酸钙对聚丙烯/纳米碳酸钙复合材料体系环刚度的影响

图1示出不同晶形纳米碳酸钙在不同含量下，对聚丙烯/纳米碳酸钙复合材料制成管材环刚度的影响。从图1中可以看出，在玫瑰晶形、纺锤体晶形和立方体晶形纳米碳酸钙增强聚丙烯复合材料中，采用任意一种晶形的纳米碳酸钙增强聚丙烯复合材料制成的管材，环刚度均随着纳米碳酸钙含量的增加而增加，当纳米碳酸钙含量达到37.5%时，管材的环刚度最大，其中采用玫瑰晶形纳米碳酸钙增强聚丙烯复合材料的环刚度最佳，为39 kPa，纺锤体晶形次之，为28.5 kPa。

图1 纳米碳酸钙用量对聚丙烯/纳米碳酸钙复合材料制成管材环刚度的影响

2.2 不同晶形纳米碳酸钙对聚丙烯/纳米碳酸钙复合材料体系落锤冲击韧性的影响

从表1可以看出，在玫瑰晶形、纺锤体晶形和立方体晶形纳米碳酸钙增强聚丙烯复合材料中，采用任意一种晶形的纳米碳酸钙增强聚丙烯复合材料，落锤冲击韧性随着纳米碳酸钙含量的增加而降低，其中采用玫瑰晶形纳米碳酸钙增强聚丙烯复合材料的落锤冲击韧性最佳，纺锤体晶形次之。

表1 纳米碳酸钙对聚丙烯/纳米碳酸钙复合材料落锤冲击韧性的影响

2.3 纳米碳酸钙在聚丙烯/纳米碳酸钙复合材料的分散情况

图2列出了质量分数均是18.7%的玫瑰晶形、纺锤体晶形和立方体晶形的纳米碳酸钙增强聚丙烯基体材料制成的电缆保护管冷却2 h后冲断断口刻蚀后的SEM图片。表2根据图2统计得到了纳米碳酸钙在聚丙烯基体材料中的平均粒径，从图2和表3中可以看出，采用玫瑰晶形纳米碳酸钙增强聚丙烯基体材料中纳米碳酸钙颗粒分散均匀，且粒径小，粒径范围约为180～190 nm，采用立方体晶形纳米碳酸钙增强聚丙烯基体材料中的团聚现象比较严重，纳米碳酸钙颗粒较大，粒径范围为405～415 nm，采用纺锤体晶形纳米碳酸钙增强聚丙烯基体材料中纳米碳酸钙颗粒居中，粒径范围为205～215 nm。

图3列出了不同晶形的晶体照片，从图中可以看出，玫瑰晶形纳米碳酸钙晶体长径约比为5～6，纺锤体晶形纳米碳酸钙晶体长径比约为3～4和立方体晶形纳米碳酸钙晶体长径比为1。分析认为，长径比越大，与硅烷偶联剂和聚丙烯接枝马来酸酐结合越紧密，玫瑰晶形纳米碳酸钙在聚丙烯基体的分散越均匀，分散粒径越小。

表2 纳米碳酸钙在聚丙烯基体材料中的平均粒径

图2 PP/nano-CaCO3复合材料脆断面刻蚀后的SEM照片(×5 000)

图3 纳米碳酸钙的SEM照片

3 结论

（1）随着纳米碳酸钙在复合材料中含量的增加，刚性的纳米碳酸钙加固了聚丙烯基体材料，提高了纳米碳酸钙增强聚丙烯基体材料制成的电缆保护管的环刚度，但是落锤冲击性能有所下降。

（2）玫瑰晶形纳米碳酸钙在复合材料中的分散较纺锤体晶形和立方体晶形碳酸钙更佳，固由玫瑰晶形增强聚丙烯基体的复合材料制得的电缆保护管的环刚度和落锤冲击性能最优。