一种盾构机用耐弯折的高柔性中压电缆的制作方法

本发明涉及电缆，具体涉及一种盾构机用耐弯折的高柔性中压电缆。

背景技术：

1、盾构机作为隧道工程掘进的核心装备，其作业环境空间狭小、工况复杂，电缆在运行过程中需频繁承受弯折、往复挠曲及拖拽等机械应力，对电缆的柔韧性和阻燃性能提出较高要求。

2、目前，盾构机用中压电缆通常采用铜导体配合半导电交联聚乙烯导体屏蔽层、乙丙橡胶绝缘层及传统高分子护套材料的结构形式，护套材料多采用聚氯乙烯、氯丁橡胶或普通热塑性聚氨酯等，并通过添加无机填料或阻燃剂等方式来提升护套的阻燃性能。

3、上述的传统技术在一定的工况条件下，虽能够满足盾构机电缆的基本使用需求，但在实际工程应用中仍存在一定的提升空间，盾构机在掘进过程中电缆承受频繁的弯折与往复挠曲，传统的护套材料在长期动态应力作用下，柔韧性和耐弯折性能有时难以充分满足工况要求，护套出现开裂的风险相对较高；

4、以及，常规的阻燃改性方案在提升阻燃性能的同时，往往对护套的力学性能和柔韧性产生一定影响，柔韧性与阻燃性之间的协同优化仍面临挑战，此外，无机填料与有机高分子基体之间的界面相容性问题，也在一定程度上限制护套综合性能的进一步提升。

5、针对此方面的技术缺陷，现提出一种解决方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种盾构机用耐弯折的高柔性中压电缆，用于解决在现有技术中的盾构机用耐弯折的高柔性中压电缆的柔韧性能和阻燃性能有待进一步提高的技术问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种盾构机用耐弯折的高柔性中压电缆，包括导体、导体屏蔽层、绝缘层、绕包层和外护套层，导体由3组镀锡铜绞线组成；

3、所述导体屏蔽层为包覆在导体外部的半导电交联聚乙烯层；

4、所述绝缘层为包覆在导体屏蔽层外部的乙丙橡胶层；

5、所述绕包层为用绕包带将3组由乙丙橡胶层包覆的镀锡铜绞线绞合成缆，在空隙中填充填充绳后的材料进行绕包固定，再由乙丙橡胶层包覆的镀锡铜绞线和填充绳外部形成绕包层；

6、所述外护套层由热塑性聚氨酯弹性体、多羰基芳醚砜增韧树脂、硅烷功能化粉煤灰、席夫碱膦菲阻燃剂和辅助添加剂组成的预混料，经熔融挤出包覆在绕包层外部后，经冷却定型形成外护套层。

7、进一步的，所述多羰基芳醚砜增韧树脂的制备方法为：在氮气氛围下，将1,4-双（4-氯苯基）-1,4-丁二酮、4,4'-二氯二苯砜、3,3-双（4-羟基苯基）-2-苯基丙-1-酮和碳酸钾加入盛有环丁砜和甲苯的反应釜中，先升温至140-150℃，搅拌1-2h，接着升温至180-200℃反应2-3h后，反应结束后，再向其中加入1体积倍的n,n-二甲基乙酰胺，继续搅拌5-10min后，向其中加入6-8体积倍的75wt%乙醇水溶液，再搅拌10-20min后过滤，将滤饼用去离子水洗涤3-4次后，转移至烘干箱中，在100-120℃下干燥至恒重，得到多羰基芳醚砜增韧树脂。

8、制备多羰基芳醚砜增韧树脂的反应式：

9、

10、式中：

11、

12、进一步的，所述1,4-双（4-氯苯基）-1,4-丁二酮、4,4'-二氯二苯砜、3,3-双（4-羟基苯基）-2-苯基丙-1-酮、碳酸钾、环丁砜和甲苯的用量比为22-25g:21-23g:50g:24-25g:400-500ml:80-100ml。

13、进一步的，所述硅烷功能化粉煤灰由以下步骤制备得到：

14、a1、将粉煤灰加入马弗炉中，在600-700℃下烧结5-6h后，随炉冷却至室温，取出研磨过325目筛，得到预处理粉煤灰；

15、a2、将γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷加入盛有去离子水和无水乙醇的反应釜中，向其中滴加冰醋酸调体系ph至4.5-5.0后，在20-30℃下搅拌40-60min后，再向其中加入预处理粉煤灰，在50-60℃下搅拌1-2h后，反应结束后，过滤，将滤饼用无水乙醇洗涤3-4次后，转移至真空干燥箱中，在60-70℃下干燥至恒重，得到硅烷功能化粉煤灰。

16、进一步的，步骤a2中，所述γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、去离子水、无水乙醇和预处理粉煤灰的用量比为1g:80ml:300-400ml:20g。

17、进一步的，所述席夫碱膦菲阻燃剂由以下步骤制备得到：

18、b1、在氮气氛围下，将9,10-二氢-9-氧杂-10-膦菲-10-氧化物加入盛有n,n-二甲基甲酰胺的反应釜中，搅拌至完全溶解后，在0-5℃下向其中加入三乙胺搅拌5-10min，再向其中滴加碱性红9的n,n-二甲基甲酰胺溶液，滴加完毕后，先在20-30℃下搅拌40-60min，再升温至70-80℃反应10-12h，反应结束后，冷却至室温，过滤，向滤液中加入5-6体积倍的无水甲醇，搅拌10-20min，过滤，将滤饼用无水甲醇洗涤3-5次后，转移至真空干燥箱中，在40-50℃下干燥至恒重，得到膦菲共轭芳胺；

19、制备膦菲共轭芳胺的反应式：

20、

21、膦菲共轭芳胺的质谱数据为：m/z: 503.18 (100.0%), 504.18 (33.9%), 505.18(6.2%), 504.17 (1.1%)。

22、膦菲共轭芳胺的hnmr数据为：1h nmr (400 mhz, dmso-d6): δ 7.80-7.70 (m,2h), 7.65-7.55 (m, 2h), 7.45-7.30 (m, 4h), 7.10-6.95 (d, j = 8.4 hz, 6h),6.55-6.40 (d, j = 8.4 hz, 6h), 4.90-4.60 (s, 6h)。

23、b2、在氮气氛围下，将膦菲共轭芳胺加入盛有n,n-二甲基甲酰胺的反应釜中，搅拌至完全溶解后，向其中加入水杨醛，搅拌5-10min后，再向其中滴加冰醋酸，调节体系ph至5.0-5.5后，升温至80-90℃反应10-12h，反应结束后，将体系冷却至室温，过滤，向滤液中加入8-10体积倍的去离子水，搅拌30-40min后，过滤，将滤饼分别用去离子水和无水乙醇洗涤3-5次后，转移至真空，在50-60℃下干燥至恒重，得到席夫碱膦菲阻燃剂。

24、制备席夫碱膦菲阻燃剂的反应式：

25、

26、席夫碱膦菲阻燃剂的质谱数据为：m/z: 815.25 (100.0%), 816.26 (56.9%),817.26 (17.5%), 818.26 (3.6%), 816.25 (1.1%)。

27、席夫碱膦菲阻燃剂的hnmr数据为：1h nmr (400 mhz, dmso-d6): δ 13.10-12.90(s, 3h), 8.55-8.35 (s, 3h), 8.05-7.85 (m, 2h), 7.75-7.55 (m, 4h), 7.45-7.20(m, 12h), 7.05-6.85 (d, j = 8.4 hz, 6h), 6.75-6.55 (d, j = 8.4 hz, 6h)。

28、进一步的，步骤b1中，所述9,10-二氢-9-氧杂-10-膦菲-10-氧化物、n,n-二甲基甲酰胺、三乙胺和碱性红9的n,n-二甲基甲酰胺溶液的用量比为1g:20-30ml:0.5g:25-30ml，所述碱性红9的n,n-二甲基甲酰胺溶液的质量分数为5%；步骤b2中，所述膦菲共轭芳胺、n,n-二甲基甲酰胺和水杨醛的用量比为1g:25-30ml:0.98-1.00g。

29、进一步的，所述热塑性聚氨酯弹性体、多羰基芳醚砜增韧树脂、硅烷功能化粉煤灰、席夫碱膦菲阻燃剂和辅助添加剂的用量比为按重量份计的100份：7-9份：10-12份：14-16份：4.1-4.9份；所述辅助添加剂由1.8-2.0份马来酸酐接枝聚氨酯、1.0-1.2份聚碳化二亚胺、0.3-0.4份抗氧剂1010、0.2-0.3份乙撑双硬脂酰胺和0.8-1.0份炭黑按重量份计混合均匀得到。

30、本发明具备下述有益效果：

31、1、本发明中，多羰基芳醚砜增韧树脂的主链含有芳醚砜及多羰基结构，借助羰基基团可与热塑性聚氨酯基体形成分子间氢键，改善聚氨酯基体分子链的运动能力；席夫碱膦菲阻燃剂分子含有大量芳环与亚胺基团，能够和多羰基芳醚砜增韧树脂的羰基发生分子间缠结，进而在高分子基体内部构筑界面协同增强网络；硅烷功能化粉煤灰经过硅烷接枝改性处理，颗粒表面接枝有机活性链段，该链段一端锚定在粉煤灰无机内核上，另一端则分别与增韧树脂、席夫碱膦菲阻燃剂产生界面结合，弥补无机填料与有机高分子基体之间的界面缺陷，在各物质的协同作用下，护套内部无机-有机两相界面结合更为牢固，各组分在基体中分散均匀，有效抑制应力集中现象的发生，当护套承受外力拉伸时，内部形成的界面协同增强网络可以高效传递、分散外部载荷，延缓裂纹的萌生与扩张，由此提升护套材料的拉伸应力、抗张强度和断裂伸长率，让电缆护套拥有优异的柔韧性，能够适应盾构机现场频繁弯折、往复挠曲的工作工况，降低护套在反复弯折过程中出现开裂失效的概率。

32、2、本发明的多羰基芳醚砜增韧树脂自带砜基、羰基耐热结构单元，材料受热时，该类结构可以诱导基体构筑起基础稳定的炭层骨架；席夫碱膦菲阻燃剂兼具膦菲磷系阻燃基团与芳香亚胺结构，受热后不仅可以释放含磷自由基捕捉燃烧链式自由基，中断燃烧反应，还能催化高分子基体发生脱水成炭反应；硅烷功能化粉煤灰所携带的硅铝无机组分作为成炭填料，可填充炭层内部的孔隙缺陷，席夫碱膦菲阻燃剂与多羰基芳醚砜增韧树脂依靠分子间相互作用，将磷-氮型芳香阻燃结构结合至耐热芳醚砜骨架之上，同时硅烷功能化粉煤灰依托表面接枝的有机链段均匀嵌合进炭层结构当中，在各物质的协同作用下形成致密连续的物理阻隔炭层，既阻挡外界热量与氧气向材料内部渗透，又抑制内部可燃裂解产物向外溢出，以此提升电缆护套的燃烧性能等级，使电缆具备可靠的阻燃能力，满足盾构隧道高危作业环境的安全使用要求。