一种绝缘聚丙烯材料及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及高分子材料技术领域，特别涉及一种绝缘聚丙烯材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.聚丙烯材料(pp)是一种无毒无色的半透明热塑性材料，具有良好的耐化学性、耐热性、电绝缘性等优点，目前已广泛应用于汽车、建筑、包装、机械、电子电器等领域。pp的结构中不存在极性组分，因此非常适合作为电线电缆的绝缘材料使用，其熔点、力学强度等物理性能指标均比传统的聚乙烯材料(pe)绝缘料高。因此，在电线电缆行业中，可将pp应用于更高温度的线材使用环境，或作为高电压线缆，如新能源汽车快充充电桩中的绝缘料使用。但是pp的极限氧指数只有17.5％，属于易燃材料，若是发生严重火灾，或电线短路等意外，极易被引燃而进一步加剧火灾的灾情，因此在电线电缆产品升级换代的同时，对pp绝缘芯线也提出了阻燃的要求。
3.考虑到环保的因素，阻燃电线电缆行业标准开始逐渐淘汰原有的溴锑阻燃体系，转而强调无卤的概念。因此绝缘pp的开发需使用无卤阻燃体系。同时，在选择无卤阻燃剂时，必须在满足阻燃性能的同时，满足绝缘芯线料的其它基本要求，如容易挤出加工，介电损耗不得大于国家标准值，押出芯线时不可存在表面粗糙、火花击穿等现象。若材料挤出性能不佳，容易导致表面粗糙，破损，厚度不均等表面不良，严重影响绝缘效果。相关技术中的无卤阻燃聚丙烯材料中各组分的相容性不良，容易在线材表面出现明显颗粒，从而造成表面不良乃至火花击穿。同时，若材料中的添加剂选择不当，则会使材料的介电性能下降，影响信号或电流的传输。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种绝缘聚丙烯材料，无火花击穿，介电性能好，且押出后表面光滑、阻燃效果好。
5.本发明还提供所述绝缘聚丙烯材料的制备方法和应用。
6.具体地，本发明采用如下的技术方案：
7.本发明的第一方面是提供一种绝缘聚丙烯材料，所述绝缘聚丙烯材料的原料包括：聚丙烯、阻燃剂，所述阻燃剂的粒径为：1.1μm≤d50≤1.4μm，d98≤10μm。
8.根据本发明第一方面的绝缘聚丙烯材料，至少具有如下有益效果：
9.对于线缆而言，例如高频传输线缆产品，押线过程中是否出现火花击穿是一项重要的稳定性指标。本发明发现，火花击穿是否会发生，除了与线缆制品的壁厚均匀程度、有无破损等因素相关外，还很大程度上受阻燃剂的分散性影响。若是带有较高极性的阻燃剂分散不均，团聚在一起，则容易在高频电场作用下引起局部极化，从而引发击穿现象。因此，本发明通过对阻燃剂的粒径进行选择，可避免其在造粒过程中团聚、分散不开，同时也不会在押线时出现线材表面出现破孔的问题，使阻燃剂能够很好地分散在聚丙烯材料中，从而
避免火花击穿的发生，具有很好的介电性能。同时，通过对各原料的进一步优选以及制备工艺的调整，可使聚丙烯材料押出后表面光滑、阻燃效果好。
10.在本发明的一些实施方式中，所述聚丙烯的230℃、2.16kg下的熔融指数为1～8g/10min。聚丙烯的熔融指数影响押出线缆的表面光滑度，而且会影响线缆的整体质量。若聚丙烯的熔融指数低于1g/10min，会导致材料加工困难，押出表面容易产生粗糙或者颗粒等不良现象。若聚丙烯的熔融指数高于8g/10min，则流动性相对更高，容易造成在押出过程中，熔体从口模离开至进入冷却水槽前的过程中，材料较易受重力的影响产生下垂而影响偏心，乃至线材外型无法形成规整圆。同时，冷却水槽的水波浪等外界扰动也容易对高熔指聚丙烯的表面产生不良影响。熔融指数为1～8g/10min的聚丙烯能够在芯线押出时维持足够的熔体强度，保证芯线押出表面光滑。
11.在本发明的一些实施方式中，所述聚丙烯包括无规共聚聚丙烯、均聚聚丙烯、嵌段共聚聚丙烯中的至少一种，优选包括嵌段共聚聚丙烯。无规共聚聚丙烯的熔点、结晶度较低，在使用过程中不容易发生脆断的问题；均聚聚丙烯具有良好的力学性能与阻燃性能；嵌段共聚聚丙烯力学性能优良，耐冲击性能优良，同时耐热耐低温性能好，可适用于北方低温使用场景，具有更广泛的使用范围。
12.在本发明的一些实施方式中，所述阻燃剂为无卤阻燃剂，包括磷酸铝、二乙基次磷酸铝、三聚氰胺氰尿酸盐、三聚氰胺聚磷酸盐、季戊四醇、硼酸锌中的至少一种。优选地，所述无卤阻燃剂包括二乙基次磷酸铝与三聚氰胺氰尿酸盐的组合，所述二乙基次磷酸铝与三聚氰胺氰尿酸盐的质量比为1.5～5：1，优选1.5～3：1，更优选约2：1。
13.在本发明的一些实施方式中，所述绝缘聚丙烯材料的原料还包括相容剂、增韧剂、抗氧剂、润滑剂中的至少一种，优选包括相容剂、增韧剂、抗氧剂、润滑剂的组合。
14.在本发明的一些实施方式中，按质量份计，所述绝缘聚丙烯材料的原料包括：
15.聚丙烯 40～90份
16.相容剂 0～15份
17.增韧剂 0～20份
18.阻燃剂 10～40份
19.抗氧剂 0.1～1份
20.润滑剂 0.1～1份。
21.在本发明的一些优选的实施方式中，按质量份计，所述绝缘聚丙烯材料的原料包括：
22.聚丙烯 50～85份
23.相容剂 1～10份
24.增韧剂 2～15份
25.阻燃剂 10～35份
26.抗氧剂 0.2～0.5份
27.润滑剂 0.1～1份。
28.在本发明的一些优选的实施方式中，按质量份计，所述绝缘聚丙烯材料的原料包括：
29.聚丙烯 50～65份
30.相容剂 2～5份
31.增韧剂 5～15份
32.阻燃剂 30～35份
33.抗氧剂 0.2～0.5份
34.润滑剂 0.1～1份。
35.在本发明的一些实施方式中，所述相容剂包括聚烯烃接枝马来酸酐，例如pe接枝马来酸酐(聚乙烯接枝马来酸酐)、eva接枝马来酸酐(乙烯
‑
醋酸乙烯共聚物接枝马来酸酐)、pp接枝马来酸酐(聚丙烯接枝马来酸酐)，优选pp接枝马来酸酐。所述聚烯烃接枝马来酸酐中马来酸酐的接枝率为0.5％～5％，优选0.5％～2％，更优选1％左右。
36.在本发明的一些实施方式中，所述增韧剂包括乙烯
‑
醋酸乙烯高聚物(eva)、乙烯
‑
丙烯酸共聚物(eaa)、乙烯辛烯高聚物弹性体(poe)、苯乙烯
‑
乙烯
‑
丁二烯
‑
苯乙烯共聚物(sebs)、丁腈橡胶、乙丙橡胶中的至少一种，优选包括乙丙橡胶、poe中的至少一种。
37.在本发明的一些实施方式中，所述抗氧剂包括受阻酚类抗氧剂、受阻胺类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂、含硫协效剂、苯并呋喃酮衍生物抗氧剂中的至少一种，例如抗氧剂1024。
38.在本发明的一些实施方式中，所述润滑剂包括ebs(乙撑双硬脂酰胺)、白矿油、硅烷偶联剂、硅酮母粒、硅油中的至少一种，优选硅酮母粒，例如聚丙烯基硅酮母粒。
39.本发明的第二方面是提供所述绝缘聚丙烯材料的制备方法，包括如下步骤：将所述绝缘聚丙烯材料的原料混合，熔融挤出，得到绝缘聚丙烯材料。
40.更具体地，将除阻燃剂、抗氧剂之外的原料进行混合(2～3分钟)，再加入阻燃剂、抗氧剂混合(10～20分钟)，接着通过双螺杆挤出机熔融挤出，得到绝缘聚丙烯材料。
41.所述熔融挤出的温度为190～220℃。
42.所述双螺杆挤出机的螺杆长径比为36～40；水冷时水温维持在10～30℃，优选10～22℃。
43.本发明的第三方面是提供一种线缆，所述线缆的原料含所述绝缘聚丙烯材料。在线缆中，所述绝缘聚丙烯材料作为包覆在导线外的绝缘层。
44.本发明的第四方面还提供一种线缆的生产方法，包括如下步骤：对所述绝缘聚丙烯材料进行押出成型，得到线缆。
45.本发明还提供所述线缆在汽车、建筑、包装、机械或电子电器中的应用，在这些技术领域中，所述线缆可作为信号传输线缆，也可为电力传输线缆。
46.相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
47.本发明开发了一种可应用于绝缘芯线的绝缘聚丙烯材料，该绝缘聚丙烯材料押出后得到的线材表面光滑，满足芯线押出要求，无火花击穿，介电性能好；同时具有优异的阻燃性能，可满足ul94最高阻燃要求；且力学性能好，环保无卤。
48.所述绝缘聚丙烯材料的制备和应用方法简单，与传统交联聚乙烯材料相比，下游客户一次押出成型，无需辐照交联等复杂工序。
具体实施方式
49.以下结合具体的实施例进一步说明本发明的技术方案。以下实施例中所用的原
料，如无特殊说明，均可从常规商业途径得到；所采用的工艺，如无特殊说明，均采用本领域的常规工艺。
50.一种线缆用绝缘聚丙烯材料，其原料如下表1所示：
51.表1.绝缘聚丙烯材料的原料组成
[0052][0053]
表1中，嵌段共聚pp的230℃、2.16kg下的熔融指数为5g/10min，牌号为福聚烯7533。pp接枝马来酸酐和pe接枝马来酸酐中的马来酸酐的接枝率均为0.5％～1％。复配无卤阻燃剂由二乙基次磷酸铝与三聚氰胺氰尿酸盐按照质量比2：1混合得到，d50为1.34nm，d98为9.6nm。大粒径阻燃剂是由粒径更大的二乙基次磷酸铝与三聚氰胺氰尿酸盐按照质量比2：1混合得到，d50为4.3nm，d98为14.7nm。
[0054]
按照如下方法制备得到绝缘聚丙烯材料：
[0055]
1)将除阻燃剂、抗氧剂之外的原料加入到高速混合机机中混合3分钟左右，再加入阻燃剂、抗氧剂并混合15分钟左右至均匀；
[0056]
2)将混合均匀的物料转移至喂料器中，通过双螺杆挤出机挤出，拉条，造粒，打包。螺杆长径比36～40，挤出温度190～220℃。水冷时水温维持在10～22℃。
[0057]
采用押出机将绝缘聚丙烯材料押出成型，制成芯线的绝缘层。按照ul62、ul1581标准对绝缘聚丙烯材料的性能进行测试，测试结果见表2。
[0058]
表2.性能测试结果
[0059][0060]
从表2可以看出，实施例1～4的绝缘聚丙烯材料力学性能优良，阻燃效果能够达到ul94最高阻燃要求，介电性能优良，能够达到非阻燃市内通讯电缆国家标准值，所制出的芯线表面光滑且平整，无缺陷，无火花击穿，满足芯线押出要求。
[0061]
对比例1反映，阻燃剂的粒径除了影响芯线表面光滑度外，还严重影响芯线的火花击穿结果，粒径过大会导致芯线容易出现火花击穿的问题，且影响加工。不过，需要注意的是，在实践中，芯线表面的颗粒或者粗糙度固然是需要考虑的因素，但选择不同粒径的阻燃剂(例如大粒径阻燃剂)，事实上也是可以通过加工工艺的方法调整出合适的表面，使芯线表面光滑。而即使芯线表面光滑，也会存在火花击穿的现象。因此，在实践中，芯线表面的光滑程度与是否发生火花击穿并无必然的关系。而火花击穿是否会发生，除了线缆制品的壁厚是否均匀，有无破损等因素以外，若是带有较高极性的阻燃剂分散不均，团聚在一起，则容易在高频电场作用下引起局部极化，从而引发击穿现象。因此阻燃剂的粒径选择，直接影响到是否能够良好分散从而避免火花击穿的发生。
[0062]
同时，对比例2的结果反映出马来酸酐接枝物的添加改善了pp与阻燃剂的相容性，提高了材料的断裂伸长率和表面效果。
[0063]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。