一种耐高温低烟无卤电缆用复合绝缘层结构及成型方法与流程

本技术涉及电缆绝缘层，特别是涉及一种耐高温低烟无卤电缆用复合绝缘层结构及成型方法。

背景技术：

1、随着新能源、轨道交通、特种装备领域的快速发展，对电缆提出了长期耐高温、低烟无卤阻燃、耐火以及优异机械加工性能的综合要求。现有耐高温低烟无卤电缆绝缘主要采用单层挤出绝缘、双层分步挤出绝缘、双层共挤复合绝缘以及绝缘层外加耐火绕包带的复合结构等形式。

2、例如，公开号为cn208444644u的专利中公开了一种耐高温双层共挤低烟无卤防火交联电线，其采用双层共挤成型125℃辐照交联低烟无卤复合绝缘，将电气绝缘与阻燃防火功能分层设置，但该结构仅依靠熔体自然熔融贴合，未针对层间界面做增强设计，受内外层材料热膨胀差异影响，冷热交变工况下易萌生界面微裂纹；外层为实现阻燃采用高无机填料填充，材料韧性不足，同时双层共挤对机头同心度控制要求严苛，量产性能波动较大；公开号为cn212010402u的专利中公开了一种无卤低烟高性能电线，采用分步挤出双层绝缘结构，其外层采用陶瓷化聚烯烃实现耐火，然而分步挤出工艺使内层半成品暴露于环境，界面易沾染灰尘、水汽，层间粘结力弱，受热弯折易发生分层剥离，且工序多、生产成本较高；公开号为cn215496123u的专利中公开了一种轨道交通用低烟耐火阻燃电缆，其依靠云母带物理绕包实现耐火防护，绝缘层不具备耐火能力，电缆各层间存在间隙易发生火焰窜燃，电缆弯曲时云母带容易开裂移位，并且额外的绕包工序降低生产效率。

3、综上，现有耐高温低烟无卤电缆复合绝缘技术仍存在诸多不足：现有双层复合绝缘仅依靠熔体自然贴合，缺少界面增强设计，受内外层热膨胀系数差异影响，冷热循环、机械弯折工况下，绝缘层间易产生微裂纹、发生分层剥离，绝缘界面可靠性不足；传统耐火方案依赖云母带等外部物理绕包结构实现耐火，绝缘本体耐火能力弱；层间存在间隙易发生火焰纵向窜燃，电缆弯曲时绕包带易开裂、移位失效；绝缘层为实现阻燃耐火需要高填充无机填料，造成材料基体硬脆，电缆耐弯折、抗低温开裂性能下降，耐温、电气绝缘、阻燃耐火与力学性能难以协同兼顾；分步挤出工艺易造成绝缘界面污染；双层共挤对机头同心度、模具精度要求严苛，量产调试难度大，产品一致性难以保障。

4、因此，亟需开发一种耐高温低烟无卤电缆用复合绝缘层结构及成型方法，以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种耐高温低烟无卤电缆用复合绝缘层结构及成型方法，通过三层梯度复合绝缘一体共挤结构结合整体辐照交联工艺，消除层间微裂纹与分层隐患，实现本体耐火、去除云母绕包间隙窜燃缺陷，大幅提升绝缘可靠性与量产一致性，简化工艺、降低成本。

2、本技术提供的一种耐高温低烟无卤电缆用复合绝缘层结构，采用如下的技术方案：

3、一种耐高温低烟无卤电缆用复合绝缘层结构，包覆于导体外部，从内至外由过渡层、功能层和耐火层组成，三层构成一体化复合绝缘层结构；所述复合绝缘层结构的各层均为无卤高分子挤出层；所述复合绝缘层结构外侧不设置云母耐火绕包层；其中，

4、所述过渡层包括乙烯-醋酸乙烯酯共聚物-聚烯烃弹性体共混基体、硅烷接枝聚烯烃和第一无机填料；

5、所述功能层包括辐照交联型聚烯烃弹性体-乙烯-丙烯酸丁酯共聚物共混树脂、磷氮协效阻燃剂和第二无机填料；

6、所述耐火层包括聚烯烃弹性体基体和第三无机填料，所述第三无机填料包括低熔点硼硅酸盐玻璃粉和金属氢氧化物；

7、所述复合绝缘层结构由内向外三层无机填料填充量呈梯度递增分布，根据各层总质量为基准，所述第一无机填料占过渡层总质量的25-35wt%，所述第二无机填料占功能层总质量的40-48wt%，所述第三无机填料占耐火层总质量的50-58wt%。

8、通过采用上述技术方案，过渡层中硅烷接枝聚烯烃含有可水解的硅烷基团，在共挤高温条件下能够与相邻层的高分子链发生化学键合反应，形成界面桥接作用，显著提升层间粘结强度；同时乙烯-醋酸乙烯酯共聚物与聚烯烃弹性体的共混基体赋予过渡层优异的柔韧性和弹性变形能力，在冷热交变工况下能够有效吸收和缓冲因各层热膨胀系数差异产生的层间剪切应力，避免界面微裂纹的萌生与扩展。功能层作为主绝缘层，采用辐照交联型聚烯烃弹性体-乙烯-丙烯酸丁酯共聚物共混树脂为基体，兼具优异的高温电气绝缘性能和耐油耐老化特性，配合磷氮协效阻燃剂实现高效的气相和凝聚相阻燃。耐火层中低熔点硼硅酸盐玻璃粉在高温火焰下熔融并形成致密陶瓷化保护层，有效隔绝热量和氧气向内部传递，使绝缘层结构具备本体耐火能力，无需依赖外部云母绕包带。三层无机填料由内向外梯度递增的设计，使内层和中间层保留充足的高分子弹性基体以保证柔韧性和机械强度，外层集中高填充无机体系以实现高效阻燃耐火，从而同步优化了电气绝缘、阻燃耐火和力学性能。

9、优选的，过渡层的厚度为0.15-0.30mm，功能层的厚度为0.4-1.2mm，耐火层的厚度为0.2-0.4mm。

10、通过采用上述技术方案，过渡层厚度控制在0.15-0.30mm范围内，既保证足够的界面粘接层厚度和应力缓冲能力，又避免厚度过大导致绝缘层整体外径增加和材料成本上升；功能层厚度为0.4-1.2mm，作为主绝缘层承担主要的电气绝缘和耐电压功能，该厚度范围能够确保电缆在额定工作电压下具有足够的绝缘安全裕度，同时兼顾电缆的弯曲柔韧性；耐火层厚度为0.2-0.4mm，一方面足以容纳足够量的低熔点硼硅酸盐玻璃粉和金属氢氧化物，保证火焰条件下的陶瓷化成壳效果和阻燃抑烟性能，另一方面避免外层过厚导致电缆弯曲刚度过大和散热性能下降。三层厚度的上述协同匹配关系，使复合绝缘层在电气性能、耐火防护和机械柔韧性之间达到最佳平衡。

11、优选的，第一无机填料为表面活化处理的氢氧化铝；以重量百分比计，所述过渡层包括以下组分：乙烯-醋酸乙烯酯共聚物-聚烯烃弹性体共混基体42-50wt%、硅烷接枝聚烯烃7-12wt%、相容剂3-6wt%、复合抗氧剂1-2wt%、交联敏化剂1-2wt%和表面活化处理的氢氧化铝25-35wt%；其中，所述乙烯-醋酸乙烯酯共聚物-聚烯烃弹性体共混基体中乙烯-醋酸乙烯酯共聚物与聚烯烃弹性体的质量比为60:40-70:30，所述硅烷接枝聚烯烃为乙烯基三甲氧基硅烷接枝聚乙烯。

12、通过采用上述技术方案，过渡层中硅烷接枝聚烯烃的添加量为7-12wt%，该比例既能保证充足的接枝活性位点与相邻层发生界面化学键合，形成牢固的层间结合力，又避免过量硅烷组分导致基体交联度过高而丧失弹性缓冲功能；乙烯-醋酸乙烯酯共聚物与聚烯烃弹性体以60:40-70:30的质量比共混，使基体兼具乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的良好极性和加工流动性以及聚烯烃弹性体的高弹性与耐低温性能，确保过渡层在与内外两侧不同极性材料层结合时均具有优异的相容性和界面润湿性。表面活化处理的氢氧化铝经偶联剂表面改性，与高分子基体的界面结合力显著增强，分散均匀性提高，避免无机颗粒团聚造成的局部应力集中，同时氢氧化铝在受热分解时释放结晶水，起到一定的初期阻燃和降温作用。相容剂的加入进一步改善极性无机填料与非极性高分子基体之间的界面相容性，复合抗氧剂保证过渡层在高温挤出和长期使用过程中的抗热氧老化性能，交联敏化剂为后续辐照交联提供敏化促进功能。

13、优选的，所述第二无机填料为氢氧化镁与氢氧化铝的质量比=3:2的氢氧化镁与氢氧化铝复配物；以重量百分比计，所述功能层包括以下组分：辐照交联型聚烯烃弹性体-乙烯-丙烯酸丁酯共聚物共混树脂38-46wt%、磷氮协效阻燃剂6-9wt%、表面活化处理的氢氧化镁与氢氧化铝复配物40-48wt%、抗热氧老化剂1-2wt%和交联敏化剂1-2wt%；其中，所述聚烯烃弹性体-乙烯-丙烯酸丁酯共聚物共混树脂中聚烯烃弹性体与乙烯-丙烯酸丁酯共聚物的质量比为50:50-70:30，所述磷氮协效阻燃剂为焦磷酸哌嗪与三聚氰胺聚磷酸盐的复配物。

14、通过采用上述技术方案，功能层采用氢氧化镁与氢氧化铝质量比=3:2的复配金属氢氧化物作为第二无机填料，氢氧化镁分解温度为340℃左右、氢氧化铝分解温度约为200℃，两者复配使用可在较宽的温度范围内分阶段吸收热量并释放水蒸气，实现梯度热防护效果，同时氢氧化镁分解后形成的氧化镁层具有更好的成炭增强作用。磷氮协效阻燃剂以焦磷酸哌嗪与三聚氰胺聚磷酸盐复配，在受热时磷-氮协同发挥作用：磷组分促进成炭、氮组分释放不燃气体稀释可燃挥发物浓度，与金属氢氧化物的吸热降温作用形成多重阻燃机制，使功能层在中等填充量（40-48wt%）下即可达到优异的阻燃抑烟性能。辐照交联型聚烯烃弹性体-乙烯-丙烯酸丁酯共聚物共混树脂中，乙烯-丙烯酸丁酯共聚物含有极性酯基，与金属氢氧化物无机填料具有较好的亲和性，同时赋予材料良好的耐油性和低温韧性，聚烯烃弹性体则提供高弹性和加工流动性，两者以50:50-70:30配比实现性能互补。抗热氧老化剂提升功能层在长期高温服役条件下的绝缘电阻保持率和力学性能保留率。

15、优选的，所述耐火层中金属氢氧化物为氢氧化镁与氢氧化铝的质量比=1:1的氢氧化镁与氢氧化铝复配物；以重量百分比计，所述耐火层包括以下组分：聚烯烃弹性体基体32-38wt%、低熔点硼硅酸盐玻璃粉28-34wt%、氢氧化镁与氢氧化铝复配物22-26wt%、弹性增韧剂3-6wt%和交联敏化剂1-3wt%；其中，所述低熔点硼硅酸盐玻璃粉的软化点为450-550℃且粒径为5-15μm。

16、通过采用上述技术方案，耐火层中低熔点硼硅酸盐玻璃粉的添加量为28-34wt%，该玻璃粉的软化点450-550℃与电缆火灾温度区间匹配，当火焰温度达到玻璃粉软化点时，玻璃粉颗粒熔融并在金属氢氧化物分解释放的水蒸气作用下发泡膨胀，形成连续致密的陶瓷化阻隔层，有效阻挡火焰热量向内部传递。硼硅酸盐玻璃粉粒径控制在5-15μm范围内，既保证颗粒在基体中均匀分散，又确保熔融后能够快速铺展形成连续陶瓷层。金属氢氧化物采用氢氧化镁与氢氧化铝质量比=1:1的复配体系，与玻璃粉协同作用：金属氢氧化物早期分解吸热降温、释放的水蒸气稀释可燃气体，同时分解产物与熔融玻璃粉相互作用促进陶瓷化反应，提高陶瓷层的致密度和结构强度。聚烯烃弹性体基体赋予耐火层良好的柔韧性，弹性增韧剂进一步吸收无机填料带来的脆性应力，确保耐火层在常温下具有足够的弯曲耐受能力，避免高填充无机物导致的开裂问题。耐火层中无机填料总量达到50-58wt%，充分保证了火焰条件下的成瓷反应物质基础。

17、进一步的，本技术还提供一种成型方法，用于制备以上任一项所述的耐高温低烟无卤电缆用复合绝缘层结构，采用如下技术方案：

18、一种成型方法，包括以下步骤：

19、s1、将分别用于制备过渡层、功能层和耐火层的组分通过三层共挤机头一次性共挤包覆于导体表面，形成三层复合绝缘层坯体；

20、s2、对s1所得三层复合绝缘层坯体进行冷却定型，得到三层复合绝缘层半成品；

21、s3、对s2所得三层复合绝缘层半成品进行三层同步电子束辐照交联，三层复合绝缘层同时完成辐照交联形成三维交联网络，其中，辐照后过渡层的交联度为45-55%，功能层的交联度为60-70%，耐火层的交联度为50-60%。

22、通过采用上述技术方案，s1中采用三层共挤机头一次性共挤成型，三层熔体在挤出模头内汇合并同步包覆于导体表面，各层之间在高温熔融状态下紧密贴合，利用层间高分子链段的相互扩散和缠结形成物理结合，同时过渡层中的硅烷接枝基团在挤出温度下与相邻层的高分子活性位点发生化学键合，实现物理缠结与化学键联的双重界面增强效应。一次共挤工艺消除了分步挤出中半成品暴露于环境导致的界面污染风险，保证层间结合质量的一致性和可靠性。s2中冷却定型使三层熔体有序固化，固定各层的厚度尺寸和同心度。s3中采用电子束辐照方式对三层复合绝缘层进行同步交联，区别于传统化学交联需高温高压条件且易产生副产物，电子束辐照交联在常温下完成、交联程度精确可控、无小分子副产物释放；三层同步交联使各层在交联过程中形成协同的三维网络结构，层间界面的高分子链通过共辐照产生跨界面的交联键合，进一步提升界面结合强度。过渡层交联度控制在45-55%，功能层为60-70%，耐火层为50-60%，差异化交联度的设计使各层分别获得最优的性能平衡：过渡层适度交联保持弹性缓冲能力，功能层高交联度确保高温下的尺寸稳定性和绝缘保持率，耐火层中等交联度在保证结构强度的同时维持足够的柔韧性以适应电缆弯曲。

23、优选的，s1中，三层共挤机采用串联式或三层分配器式，三层共挤机头的共挤温度为140-180℃。

24、通过采用上述技术方案，共挤温度控制在140-180℃范围内，既保证各层高分子材料充分熔融塑化、具有良好的流动性以形成均匀厚度和光滑表面，又避免温度过高导致硅烷接枝聚烯烃提前水解交联或磷氮协效阻燃剂热分解失活。串联式和三层分配器式两种机头形式均可实现三层熔体的均匀汇合与同心包覆，适应不同电缆规格和生产线的配置需求。

25、优选的，s2中，冷却定型采用分段水冷方式，依次经过80℃温水段和25℃冷水段进行逐步冷却。

26、通过采用上述技术方案，采用分段水冷逐步降温方式，首先经过80℃温水段使三层熔体缓慢冷却定型，避免急冷导致层间热应力集中和界面微裂纹的产生，随后经25℃冷水段进一步冷却至室温。逐步冷却的工艺使各层热收缩过程平缓进行，利用过渡层的弹性缓冲作用释放冷却内应力，有效保证三层复合绝缘层的尺寸稳定性和层间结合完整性。

27、优选的，s3中，通过在过渡层、功能层和耐火层的配方中采用相同种类、不同添加量的交联敏化剂，使三层复合绝缘层获得不同的交联度；所述交联敏化剂为三烯丙基异氰脲酸酯。

28、通过采用上述技术方案，三烯丙基异氰脲酸酯作为辐照交联敏化剂，分子结构中含有多个烯丙基双键，在电子束辐照下能够快速产生自由基并参与交联反应，有效提高辐照交联效率。通过在过渡层、功能层和耐火层的配方中分别添加不同质量比例的三烯丙基异氰脲酸酯，在相同辐照剂量下三层获得不同的交联反应活性，从而实现差异化的交联度。该方案无需对辐照工序进行分区控制，单一辐照参数即可实现三层差异化交联，工艺控制简便、量产一致性好。

29、优选的，s3中，三层同步电子束辐照交联的辐照剂量为80-120kgy。

30、通过采用上述技术方案，辐照剂量控制在80-120kgy范围内，在该剂量下，配合各层配方中的交联敏化剂添加量，可分别达到过渡层45-55%、功能层60-70%、耐火层50-60%的目标交联度区间。该辐照剂量兼具经济性和效率优势，既避免了剂量过低导致的交联不足、耐热性和机械强度不达标问题，也避免了剂量过高导致的材料过度交联脆化和绝缘性能下降风险。

31、综上所述，本技术包括以下有益技术效果：

32、1.本技术通过过渡内层的硅烷接枝改性实现层间界面高强度粘接，同时依托弹性基体的形变缓冲作用，有效吸收冷热循环过程中层间产生的剪切内应力，解决了传统双层结构界面结合薄弱、易产生微裂纹及分层剥离的缺陷，大幅提升绝缘层界面可靠性与长期服役稳定性，同时可适度降低三层共挤对机头同心度的精度要求，降低量产调试难度，提升产品批次一致性。

33、2.本技术取消了传统云母带外部绕包结构，依靠耐火外层实现本体耐火防护，层间无物理装配间隙，杜绝了火焰纵向窜燃通道，规避了云母带弯曲开裂、移位失效的风险，简化生产工艺流程，有效提升生产效率、降低生产成本，同时避免电缆外径过度增大，适配狭小空间敷设场景。

34、3.本技术采用由内至外无机填料梯度递增的结构设计，将高填料耐火阻燃体系集中于外层，内层与主绝缘层保留完整的高分子弹性基体，有效解决高填充填料导致的材料硬脆缺陷，显著提升电缆耐弯折、抗低温开裂性能，打破传统绝缘材料耐高温、电气绝缘、阻燃耐火与力学性能相互制衡的技术壁垒，实现多项核心性能协同优化。

35、4.本技术采用三层一体同步共挤、整体同步辐照交联的成型工艺，摒弃分步挤出工艺，全程杜绝绝缘界面沾染灰尘、水汽等杂质，保证层间熔融结合质量；三层同步交联使整体结构性能均匀稳定，进一步提升复合绝缘层的耐高温老化、电气绝缘及整体结构稳定性，适配新能源、轨道交通、特种装备等高端严苛工况使用需求。