高耐磨阻燃改性聚丙烯电缆保护管的制备及性能研究

吴惠民

(福州市福塑科学技术研究所有限公司，福建 福州 350008)

随着社会和城镇化的不断发展，地下管道已成为市政建设中重要的一环[1]，电缆护套管作为地下管道中用于保护电缆、通讯线路的重要管道，对于防止电力线发生断线造成短路事故、隔离电力线磁场干扰以及防止线缆被腐蚀，提高线缆使用寿命具有十分重要的作用。

目前，电缆保护管多以聚丙烯材料为主，该管道具有强度高、韧性好、环刚度高、不易断裂和老化等优点，但耐磨性能和阻燃性能较差，特别现在地下管道多采用非开挖铺设方法，在施工过程中由于机器的牵引，管道与地下砂石或泥土不可避免的要进行摩擦，对管道造成不可逆的磨损，影响管道使用寿命，同时为防止保护管内线缆发生短路引起燃烧等问题.

因此，基于上述问题，本文采用自制纳米球形Al2O3接枝棕榈纤维作为耐磨剂，利用棕榈纤维高强度，高韧性特点，在其表面接枝纳米球形Al2O3，形成具有“滚珠”结构的耐磨剂，同时创新性的复配超高分子量聚乙烯粉末，有效提高材料的耐磨性能。同时采用笼型聚倍半硅氧烷接枝二乙烯三胺五甲叉膦酸铵作为阻燃剂，结合二乙烯三胺五甲叉膦酸铵在燃烧易膨胀剂产生的氮气阻隔氧气，协同笼型聚倍半硅氧烷燃烧时能够在聚合物的表面形成一层致密的陶瓷型炭层，该炭层能隔热、隔氧，从而有效的保护聚合物基体，发挥阻燃作用，从而有效提高材料耐磨及阻燃性能。对实际生产和推广应用具有一定的指导意义。

1 实验部分

1.1 主要原料

PP，J340，韩国晓星；

纳米球形Al2O3，平均粒度20 nm，产品纯度99.9%，合肥中航纳米技术发展有限公司；

棕榈纤维，平均粒径0.05 mm,含水率＜5%，宁波海曙鼎创化工有限公司，市售；

硅烷偶联剂，市售；

非离子型表面活性剂，椰子油脂肪酸二乙醇酰胺，市售；

阻燃剂：笼型聚倍半硅氧烷接枝二乙烯三胺五甲叉膦酸铵，自制；

超高分子量聚乙烯粉末，分子量为300万～600万，粒径为20～200目，市售；

增韧剂，EVA与EAA复配，市售；

相容剂，PP接枝马来酸酐，接枝率≥2.5%，市售；

润滑剂，PP蜡，市售；

抗氧化剂，1010/168复配，市售。

1.2 主要仪器与设备

三口烧瓶：500ml，盐城玉鑫玻璃制品有限公司；

烘箱：881Y-3型，苏州华洁烘箱制造有限公司；

高速混合机：SHR-5，5 L，张家港市日新机电有限公司；

双螺杆挤出机：SJSH-30，石家庄市星烁实业公司；

塑料注射成型机：EM150-V，震德注塑机有限公司；

塑料滑动摩擦磨损试验机（液晶显示）：M-200型，北京北广精仪仪器有限公司；

微机控制电子万能实验机：CMT4204-20 kN，深圳新三思计量技术有限公司；

水平垂直燃烧测试仪：F241UL，标准集团（香港）有限公司；

管材环刚度测试仪，JJRST-1411，承德市金建检测仪器有限公司。

1.3 试样制备

1.3.1 纳米球形Al2O3接枝棕榈纤维耐磨剂的制备

（1）称取20 g纳米球形Al2O3。充分干燥后，加入100 mL无水乙醇中，常温搅拌2 h，记为溶液A。

（2）称取10 g硅烷偶联剂和2 g椰子油脂肪酸二乙醇酰胺表面活性剂加入50 ml无水乙醇中，超声波分散20 min，记为溶液B。

（3）在65 ℃恒温条件下，将溶液B缓慢加入溶液A中充分搅拌反应 2 h后边真空抽滤边用乙醇和蒸馏水洗涤3次，放入烘箱中在70 ℃温度下干燥4 h，得到表面处理纳米球形Al2O3。

（4）称取10 g步骤（3）制得的表面处理纳米球形Al2O3加入50 mL丙酮中，加入5 g硅烷偶联剂和1 g椰子油脂肪酸二乙醇酰胺表面活性剂充分搅拌0.5 h后，频率为80 kHz超声分散1 h，形成均匀分散液，称取30 g棕榈纤维加入均匀分散液中，充分搅拌0.5 h后过滤，放入烘箱中在85 ℃温度下干燥3 h，得到纳米球形Al2O3。接枝棕榈纤维耐磨剂。

1.3.2 笼型聚倍半硅氧烷接枝二乙烯三胺五甲叉膦酸铵阻燃剂的制备

准确称取50 g二乙烯三胺五甲叉磷酸加入装有25 g尿素三口烧瓶中，在110 ℃温度下充分搅拌回流反应4 h后降至常温，加入蒸馏水至完全溶解后，加入10 g笼型聚倍半硅氧烷充分搅拌后超声20 min后80 ℃恒温反应4 h，100 ℃干燥制得笼型聚倍半硅氧烷接枝二乙烯三胺五甲叉膦酸铵阻燃剂。

1.3.3 高耐磨阻燃改性聚丙烯电缆保护管的制备

（1）固定PP树脂的重量为100份，耐磨剂和阻燃剂的总重量为50份，改变耐磨剂和阻燃剂的重量和配比，按照表1所示配方进行称料、备用。

（2）依次将PP树脂、耐磨剂、阻燃剂、增强剂、增韧剂、相容剂、润滑剂、抗氧化剂加入高速混合机内，以150～200 r/min的转速常温搅拌0.5 h，得到预混料；

（3）将（2）所得的预混料加入到双螺杆挤出机，在工作参数为：一区温度为100～130 ℃，二区温度为150～190 ℃，三区温度为190～220 ℃，四区温度为180～210 ℃，五区温度为160～200 ℃，模头温度为130～160 ℃，喂料速度为100～150 r/min，螺杆转速为250～300 r/min，挤出造粒；得到高耐磨阻燃改性聚丙烯电缆保护管专用料，在100 ℃下热风干燥5 h，经注塑机成型机注射成测试样条，性能测试；

（4）将（3）得到的一种高耐磨阻燃改性聚丙烯电缆保护管专用料加入管材挤出料斗中，在管材挤出生产线工艺参数为：机筒1区温度为150～160 ℃，机筒2区温度为170～190 ℃，机筒3区温度为200～220 ℃，机筒4区温度为180～200 ℃，机筒5区温度为150～180 ℃，机头1区温度为200～220 ℃，机筒2区温度为210～230 ℃，机筒3区温度为150～170 ℃，挤出成型速度0.5 m/min，制得高耐磨阻燃改性聚丙烯电缆保护管。

1.4 样品测试

（1）质量磨损根据GB/T 3960—2016《塑料 滑动摩檫磨损试验方法》进行性能测试。

（2）极限氧指数根据GBT 2406.2—2009《塑料 用氧指数法测定燃烧行为 第2部分 室温试验》进行性能测试。

（3）环刚度根据GB/T 9647—2015《热塑性塑料管材 环刚度的测定》进行性能测试。

（4）弯曲模量根据GB/T9341—2008 《塑料 弯曲性能的测定》进行性能测试。

2 结果与讨论

2.1 阻燃剂与耐磨剂的含量对改性聚丙烯电缆保护管阻燃性能的影响

图1为阻燃剂与耐磨剂的含量对改性聚丙烯电缆保护管阻燃性能的影响。从图1可以看出：采用自制笼型聚倍半硅氧烷接枝二乙烯三胺五甲叉膦酸铵阻燃剂，能有效提高材料的阻燃性能。当阻燃剂添加量为40份时，材料极限氧指数为42%，相较于空白PP材料18%的极限氧指数提高近2.4倍，随着阻燃剂含量的减少，耐磨剂含量的增加，材料阻燃性能呈下降的趋势，当阻燃剂含量15份时，材料极限氧指数为23%，较阻燃剂含量40份时42%下降近一半，阻燃性能下降明显，当阻燃剂含量从15份下降至0份时，材料极限氧指数从23%下降至21%，下降趋势趋缓，这可能是由于采用笼型聚倍半硅氧烷接枝二乙烯三胺五甲叉膦酸铵作为阻燃剂，其原理是利用二乙烯三胺五甲叉膦酸铵在燃烧易膨胀剂产生的氮气阻隔氧气，协同笼型聚倍半硅氧烷燃烧时能够在聚合物的表面形成一层致密的陶瓷型炭层，该炭层能隔热、隔氧，从而有效的保护聚合物基体，发挥阻燃作用，当阻燃剂添加量小于15份时，未能在聚合物表面形成有效的隔热隔氧层，发挥阻燃效果。而当阻燃剂添加量为0份时，材料极限氧指数为21%，较空白PP材料提高3%，这是由于耐磨剂含有纳米球形Al2O3，具有一定的阻燃作用。

表1 高耐磨阻燃改性聚丙烯电缆保护管的配方

图1 阻燃剂与耐磨剂的含量对改性聚丙烯电缆保护管阻燃性能的影响

2.2 阻燃剂与耐磨剂的含量对改性聚丙烯电缆保护管耐磨性能的影响

图2为阻燃剂与耐磨剂的含量对改性聚丙烯电缆保护管耐磨性能的影响。从图2可知，随着耐磨剂含量的增加，材料的质量磨损量呈下降的趋势，材料的耐磨性能逐步提高。当耐磨剂含量为40份时，质量磨损为17.2 mg，为空白PP的72.3 mg的23.8%，耐磨剂对材料的耐磨性能提高明显。当耐磨剂添加量10份时，质量磨损为70.1 mg，较空白PP材料耐磨性能提高不明显。当耐磨剂添加量15份时，质量磨损为43.8 mg，材料耐磨性能出现一个明显的提升。这是由于本文采用自制纳米球形Al2O3接枝棕榈纤维作为耐磨剂，利用棕榈纤维高强度，高韧性特点，在其表面接枝纳米球形Al2O3，形成具有特殊的“滚珠”结构，同时创新性的复配超高分子量聚乙烯粉末，有效提高材料的耐磨性能。

图2 阻燃剂与耐磨剂的含量对改性聚丙烯电缆保护管耐磨性能的影响

2.3 阻燃剂与耐磨剂的含量对改性聚丙烯电缆保护管弯曲模量的影响

图3为阻燃剂与耐磨剂的含量对改性聚丙烯电缆保护管弯曲模量的影响。从图3可以看出，随着耐磨剂含量的增加，材料的弯曲模量出现一定程度的提高，但提高幅度不明显，当耐磨剂含量为40份时，材料弯曲模量为67.7 MPa，较空白PP材料弯曲模量55.4 MPa提高22.2%，较含量为15份时弯曲模量63.3 MPa仅提高2.5%。这是由于纳米球形Al2O3接枝棕榈纤维耐磨剂的加入，棕榈纤维与基体界面的作用力强，能较好地传递应力，从而使材料的弯曲模量得到提升，而Al2O3为球形结构，容易形成应力集中点，降低材料性能。同时随着耐磨剂份数的增加，填料在基体中的分散性变差，并容易发生团聚，形成应力集中，填料与基体之间发生缺陷，从而降低了材料的弯曲模量。

图3 阻燃剂与耐磨剂的含量对改性聚丙烯电缆保护管弯曲模量的影响

2.4 阻燃剂与耐磨剂的含量对改性聚丙烯电缆保护管环刚度的影响

图4为阻燃剂与耐磨剂的含量对改性聚丙烯电缆保护管环刚度的影响。从图4可以看出：随着耐磨剂含量的增加，改性聚丙烯电缆保护管环刚度出现逐步上升的现象，在耐磨剂份数为40份时，达到最大值，为32.3 kN/m2，较空白PP电缆护套管环刚度28.4 kN/m2提高13.8%，探究其原理，由于纳米球形Al2O3接枝棕榈纤维耐磨剂的加入，当材料受到外力时，棕榈纤维承受绝大部分应力，而PP基体承受的应力较小。在基体断裂之前，应力主要由棕榈纤维承受，但同时由于Al2O3为球形结构，容易形成应力集中点，降低材料性能。同时随着耐磨剂份数得增加，耐磨剂在PP树脂中的分散性变差，会发生团聚，因而耐磨剂对材料的整体环刚度有一定提高，但提高幅度不明显。

图4 阻燃剂与耐磨剂的含量对改性聚丙烯电缆保护管环刚度的影响

3 结论

（1）采用自制笼型聚倍半硅氧烷接枝二乙烯三胺五甲叉膦酸铵阻燃剂制备高耐磨阻燃改性聚丙烯电缆保护管，能显著的提高材料的阻燃性能；

（2）采用自制纳米球形Al2O3接枝棕榈纤维耐磨剂制备高耐磨阻燃改性聚丙烯电缆保护管，在显著提高材料耐磨性能的同时，也有一定程度上提高材料的弯曲模量和环刚度；

（3）实验表明：PP/阻燃剂/耐磨剂配比为100/25/15时，高耐磨阻燃改性聚丙烯电缆保护管极限氧指数为37%，质量磨损为43.8 mg，弯曲模量为63.3 MPa，环刚度Ф100为30.3 kN/m2，综合性能最为均衡；

（4）利用自制纳米球形Al2O3接枝棕榈纤维作为耐磨剂，笼型聚倍半硅氧烷接枝二乙烯三胺五甲叉膦酸铵作为阻燃剂，制备高耐磨阻燃改性聚丙烯电缆保护管，结合实际生产和经济效益，对实现产业化生产具有一定的指导意义。