高耐磨阻燃改性聚丙烯電纜保護管的制備及性能研究

吳惠民

(福州市福塑科學技術研究所有限公司，福建 福州 350008)

隨著社會和城鎮化的不斷發展，地下管道已成為市政建設中重要的一環[1]，電纜護套管作為地下管道中用于保護電纜、通訊線路的重要管道，對于防止電力線發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，電纜保護管多以聚丙烯材料為主，該管道具有強度高、韌性好、環剛度高、不易斷裂和老化等優點，但耐磨性能和阻燃性能較差，特別現在地下管道多采用非開挖鋪設方法，在施工過程中由于機器的牽引，管道與地下砂石或泥土不可避免的要進行摩擦，對管道造成不可逆的磨損，影響管道使用壽命，同時為防止保護管內線纜發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，利用棕櫚纖維高強度，高韌性特點，在其表面接枝納米球形Al2O3，形成具有“滾珠”結構的耐磨劑，同時創新性的復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，結合二乙烯三胺五甲叉膦酸銨在燃燒易膨脹劑產生的氮氣阻隔氧氣，協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，從而有效的保護聚合物基體，發揮阻燃作用，從而有效提高材料耐磨及阻燃性能。對實際生產和推廣應用具有一定的指導意義。

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，產品純度99.9%，合肥中航納米技術發展有限公司；

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

硅烷偶聯劑，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復配，市售。

1.2 主要儀器與設備

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：SHR-5，5 L，張家港市日新機電有限公司；

雙螺桿擠出機：SJSH-30，石家莊市星爍實業公司；

塑料注射成型機：EM150-V，震德注塑機有限公司；

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

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

水平垂直燃燒測試儀：F241UL，標準集團（香港）有限公司；

管材環剛度測試儀，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中充分攪拌反應 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硅烷偶聯劑和1 g椰子油脂肪酸二乙醇酰胺表面活性劑充分攪拌0.5 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，充分攪拌0.5 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 ℃溫度下充分攪拌回流反應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攪拌后超聲20 min后80 ℃恒溫反應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所示配方進行稱料、備用。

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

（3）將（2）所得的預混料加入到雙螺桿擠出機，在工作參數為：一區溫度為100～130 ℃，二區溫度為150～190 ℃，三區溫度為190～220 ℃，四區溫度為180～210 ℃，五區溫度為160～200 ℃，模頭溫度為130～160 ℃，喂料速度為100～150 r/min，螺桿轉速為250～300 r/min，擠出造粒；得到高耐磨阻燃改性聚丙烯電纜保護管專用料，在100 ℃下熱風干燥5 h，經注塑機成型機注射成測試樣條，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管專用料加入管材擠出料斗中，在管材擠出生產線工藝參數為：機筒1區溫度為150～160 ℃，機筒2區溫度為170～190 ℃，機筒3區溫度為200～220 ℃，機筒4區溫度為180～200 ℃，機筒5區溫度為150～180 ℃，機頭1區溫度為200～220 ℃，機筒2區溫度為210～230 ℃，機筒3區溫度為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管。

1.4 樣品測試

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

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

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

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

2 結果與討論

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。當阻燃劑添加量為40份時，材料極限氧指數為42%，相較于空白PP材料18%的極限氧指數提高近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，當阻燃劑含量15份時，材料極限氧指數為23%，較阻燃劑含量40份時42%下降近一半，阻燃性能下降明顯，當阻燃劑含量從15份下降至0份時，材料極限氧指數從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生的氮氣阻隔氧氣，協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，從而有效的保護聚合物基體，發揮阻燃作用，當阻燃劑添加量小于15份時，未能在聚合物表面形成有效的隔熱隔氧層，發揮阻燃效果。而當阻燃劑添加量為0份時，材料極限氧指數為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，材料的質量磨損量呈下降的趨勢，材料的耐磨性能逐步提高。當耐磨劑含量為40份時，質量磨損為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。當耐磨劑添加量10份時，質量磨損為70.1 mg，較空白PP材料耐磨性能提高不明顯。當耐磨劑添加量15份時，質量磨損為43.8 mg，材料耐磨性能出現一個明顯的提升。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，利用棕櫚纖維高強度，高韌性特點，在其表面接枝納米球形Al2O3，形成具有特殊的“滾珠”結構，同時創新性的復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一定程度的提高，但提高幅度不明顯，當耐磨劑含量為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，能較好地傳遞應力，從而使材料的彎曲模量得到提升，而Al2O3為球形結構，容易形成應力集中點，降低材料性能。同時隨著耐磨劑份數的增加，填料在基體中的分散性變差，并容易發生團聚，形成應力集中，填料與基體之間發生缺陷，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管環剛度的影響

圖4為阻燃劑與耐磨劑的含量對改性聚丙烯電纜保護管環剛度的影響。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管環剛度出現逐步上升的現象，在耐磨劑份數為40份時，達到最大值，為32.3 kN/m2，較空白PP電纜護套管環剛度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，當材料受到外力時，棕櫚纖維承受絕大部分應力，而PP基體承受的應力較小。在基體斷裂之前，應力主要由棕櫚纖維承受，但同時由于Al2O3為球形結構，容易形成應力集中點，降低材料性能。同時隨著耐磨劑份數得增加，耐磨劑在PP樹脂中的分散性變差，會發生團聚，因而耐磨劑對材料的整體環剛度有一定提高，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管環剛度的影響

3 結論

（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管極限氧指數為37%，質量磨損為43.8 mg，彎曲模量為63.3 MPa，環剛度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管，結合實際生產和經濟效益，對實現產業化生產具有一定的指導意義。