一种轻量化、高机械性能的无卤膨胀型高阻燃复合材料及其在制备成缆带中的应用的制作方法

本发明涉及高分子功能复合材料，尤其涉及一种轻量化、高机械性能的无卤膨胀型高阻燃复合材料及其在制备成缆带中的应用。

背景技术：

1、随着信息产业和能源技术的飞速发展，电力与信号传输的电缆作为核心基础设施，其性能正面对日益严苛的挑战。作为电缆核心构件之一的成缆带，是保证缆芯结构完整性的关键材料，其性能优劣直接决定了电缆的整体可靠性、安全性和服役寿命。面对高端应用领域对成缆带材料的轻量化、力学强度、防火安全的综合要求，开发新一代高性能成缆带已成为行业的迫切需求。

2、然而，当前市场上常见的成缆带材料多采用聚丙烯、聚乙烯或简单共混体系，并通过添加高填充量阻燃剂以满足基本的阻燃要求。但这类材料体系存在显著缺陷：首先，大量阻燃剂的加入严重损害材料的力学性能，导致成缆带柔韧性下降，在动态弯曲或震动工况下易发生断裂；其次，高填充量的阻燃剂大幅度提高了成缆带的密度，违背了轻量化的发展趋势，对运输和安装过程造成了巨大的困扰。此外，卤系阻燃剂在燃烧过程中会释放有毒气体，会急剧恶化火场环境，对人类生命安全构成严重威胁。

3、为了改善传统成缆带材料的体系缺陷，有研究尝试引入弹性体改善韧性或采用膨胀型无卤阻燃体系提高阻燃安全性。然而，弹性体的加入往往会牺牲体系的刚性和强度，并伴随相容性不良引发相分离的问题；而阻燃体系的加入易引起体系脆化和密度上升，违背轻量化设计要求。此外，尽管碳纤维等增强体可显著提高材料强度，但其与聚合物基体的界面结合力弱易导致应力集中，无法达到理想的增强效果。综上，现有技术手段仍难以突破阻燃性、力学性能与轻量化设计之间的制约关系，无法满足高端电缆对成缆带综合性能的严苛要求。因此，构建一种能协同提升刚性、韧性、阻燃性并实现轻量化的复合材料体系，是突破当前技术瓶颈的关键所在。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种轻量化、高机械性能的无卤膨胀型高阻燃复合材料及其在制备成缆带中的应用。

2、本发明集成了聚丙烯（pp）、烯烃嵌段共聚物（obc）与乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（eva）的三元协同基体，并复合表面富含羧基、羟基等极性官能团的改性短切碳纤维与膨胀型阻燃体系，通过精准协同调控各组分配比，利用碳纤维增强、eva增韧和obc相容作用的同时，成功克服了诸多的技术障碍，例如相分离、加工流变性与填料分散的冲突以及阻燃协同失效等核心技术难题，提供了一种真正实现轻量化、高机械性能与无卤高阻燃性完美平衡的复合材料、成缆带及其制备方法。

3、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

4、第一方面，本发明提供了一种轻量化、高机械性能的无卤膨胀型高阻燃复合材料，包括基体树脂、改性碳纤维和阻燃剂，

5、所述基体树脂由聚丙烯、烯烃嵌段共聚物和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物组成，

6、所述聚丙烯、烯烃嵌段共聚物和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的质量比为(50~60):(15~25):(20~30)；

7、所述阻燃剂为无卤膨胀型阻燃剂。

8、本发明所述改性碳纤维是表面富含羧基(-cooh)、羟基(-oh)和羰基(c=o)等极性官能团的短切碳纤维，是本发明实现高界面结合力的关键。本发明的改性碳纤维可选用通过硝酸氧化法或空气氧化法处理的短切碳纤维，或直接采用市售的、经水溶性上浆剂改性的短切碳纤维颗粒。

9、本发明利用聚丙烯、烯烃嵌段共聚物和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物三种聚合物的特定组合作为基体树脂，并结合特定的配比，形成“刚-韧-柔”网络，与改性碳纤维和无卤膨胀型阻燃剂结合得到阻燃性能更好、拉伸强度更大、密度更低的复合材料，实现了复合材料的轻量化、高机械性能与高阻燃性能的统一结合。

10、基体树脂中，聚丙烯作为刚性骨架提供一定的强度和耐热性；烯烃嵌段共聚物作为增韧剂和聚丙烯与乙烯-醋酸乙烯酯之间的相容剂，提高相容性和抗冲击强度；乙烯-醋酸乙烯酯作为柔性调节剂，提供优异的柔韧性和延展性。

11、基体树脂与表面富含极性官能团的改性碳纤维、阻燃剂熔融共混，改性的碳纤维与聚合物界面具有较强的结合力，并与膨胀石墨和改性层状硅酸盐阻燃剂组成复合阻燃增强体系，碳纤维在提升力学性能的同时协同阻燃剂中改性层状硅酸盐形成更加稳定致密的膨胀碳层结构，实现气相-凝聚相双重阻燃机制。最终使所制备的成缆带在保持低密度的同时，兼顾高强度、高韧性以及高阻燃性能。

12、作为本发明所述无卤膨胀型高阻燃复合材料的优选实施方式，所述聚丙烯、烯烃嵌段共聚物和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的质量比为(55~60):(18~22):(20~25)。

13、作为本发明所述无卤膨胀型高阻燃复合材料的优选实施方式，所述聚丙烯、烯烃嵌段共聚物和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的质量比为56:20:24。

14、作为本发明所述无卤膨胀型高阻燃复合材料的优选实施方式，所述阻燃剂包括膨胀石墨和有机改性层状矿物。

15、作为本发明所述无卤膨胀型高阻燃复合材料的优选实施方式，所述阻燃剂中膨胀石墨和有机改性层状矿物的质量比为1:(1~2)。

16、作为本发明所述无卤膨胀型高阻燃复合材料的优选实施方式，所述阻燃剂中膨胀石墨和有机改性层状矿物的质量比为1:1.5。

17、作为本发明所述无卤膨胀型高阻燃复合材料的优选实施方式，所述有机改性层状矿物是指经插层剂处理的改性层状硅酸盐；所述插层剂包括季铵盐类偶联剂、磷盐类偶联剂、氨基酸类偶联剂或有机硅烷偶联剂。

18、作为本发明所述无卤膨胀型高阻燃复合材料的优选实施方式，所述季铵盐类偶联剂包括十六烷基三甲基溴化铵、双十八烷基二甲基氯化铵等。

19、作为本发明所述无卤膨胀型高阻燃复合材料的优选实施方式，所述有机改性层状矿物包括有机改性蒙脱土、有机改性高岭石、有机改性滑石中的一种或多种。

20、作为本发明所述无卤膨胀型高阻燃复合材料的优选实施方式，所述有机改性蒙脱土为有机硅烷偶联剂改性蒙脱土。

21、作为本发明所述无卤膨胀型高阻燃复合材料的优选实施方式，所述基体树脂、改性碳纤维和阻燃剂的质量比为100:(5~25):(5~10)。

22、作为本发明所述无卤膨胀型高阻燃复合材料的优选实施方式，所述基体树脂、改性碳纤维和阻燃剂的质量比为100:(15~20):(9~10)。

23、作为本发明所述无卤膨胀型高阻燃复合材料的优选实施方式，所述无卤膨胀型高阻燃复合材料还包括助剂，所述助剂与基体树脂的质量比为(3.7~10):100。

24、作为本发明所述无卤膨胀型高阻燃复合材料的优选实施方式，所述助剂与基体树脂的质量比为(7.3~10):100。

25、作为本发明所述无卤膨胀型高阻燃复合材料的优选实施方式，所述助剂包括相容剂、抗氧剂或润滑剂中的至少一种。

26、作为本发明所述无卤膨胀型高阻燃复合材料的优选实施方式，所述助剂包括相容剂、抗氧剂和润滑剂；所述相容剂、抗氧剂、润滑剂与基体树脂的质量比为(3~8):(0.2~0.5):(0.5~1.5):100。

27、作为本发明所述无卤膨胀型高阻燃复合材料的优选实施方式，所述相容剂、抗氧剂、润滑剂与基体树脂的质量比为(6~8):(0.3~0.5):(1~1.5):100。

28、作为本发明所述无卤膨胀型高阻燃复合材料的优选实施方式，所述相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯；所述抗氧剂为抗氧剂168、抗氧剂1010中的至少一种，所述润滑剂为硬脂酸钙、聚乙烯蜡中的至少一种。

29、第二方面，本发明提供了上述无卤膨胀型高阻燃复合材料的制备方法，包括以下步骤：

30、s1、将聚丙烯、烯烃嵌段共聚物和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物混匀，得到基体树脂；

31、s2、将步骤s1所得基体树脂与改性碳纤维、阻燃剂和助剂混合，熔融共混，得到复合树脂基料；

32、s3、将步骤s2所得复合树脂基料熔融共混并挤出，冷却、切粒、干燥，得到无卤膨胀型高阻燃复合材料。

33、作为本发明所述制备方法的优选实施方式，步骤s2中，所述熔融共混是利用转矩流变仪或高速剪切机熔融共混。

34、作为本发明所述制备方法的优选实施方式，步骤s2中，所述熔融共混的条件为170~190℃熔融，60~90 rpm共混6~12分钟。

35、作为本发明所述制备方法的优选实施方式，步骤s3中，所述熔融共混并挤出是利用挤出机熔融共混并挤出；所述挤出机的各区温度为170~200℃，转速为200~400 rpm。

36、作为本发明所述制备方法的优选实施方式，所述挤出机为单螺杆挤出机。

37、作为本发明所述制备方法的优选实施方式，步骤s3中，所述冷却是利用冷却水槽冷却。

38、第三方面，本发明提供了上述无卤膨胀型高阻燃复合材料在制备成缆带中的应用。

39、作为本发明所述应用的优选实施方式，所述成缆带为电缆成缆带。

40、第四方面，本发明提供了一种电缆成缆带，利用所述无卤膨胀型高阻燃复合材料制备而成。

41、第五方面，本发明提供了上述电缆成缆带的制备方法，所述制备方法为：将所得无卤膨胀型高阻燃复合材料挤出成型，冷却定型、牵引收卷，得到所述电缆成缆带。

42、作为本发明所述电缆成缆带的制备方法的优选实施方式，所述挤出成型利用的挤出机各区温度为60~190℃，口模温度为170~190℃。

43、作为本发明所述电缆成缆带的制备方法的优选实施方式，所述冷却的温度为15~30℃；所述冷却是利用冷却水槽冷却。

44、作为本发明所述电缆成缆带的制备方法的优选实施方式，所述牵引的牵引比为1.05~1.2；牵引速度与挤出速度相匹配。

45、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

46、本发明利用基体树脂、改性碳纤维和无卤膨胀型阻燃剂组合制备无卤膨胀型高阻燃复合材料，以特定配比的聚丙烯、烯烃嵌段共聚物和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的共混物作为无卤膨胀型高阻燃复合材料的基体树脂，基体树脂中，聚丙烯作为刚性骨架提供一定的强度和耐热性；烯烃嵌段共聚物作为增韧剂和聚丙烯与乙烯-醋酸乙烯酯之间的相容剂，提高相容性和抗冲击强度；乙烯-醋酸乙烯酯共聚物作为柔性调节剂，提供优异的柔韧性和延展性；通过熔融共混构建“刚-韧-柔”协同互补的三相网络结构，更好的平衡复合材料的轻量化与机械性能，同时也为阻燃体系提供理想的形成环境，保证复合材料整体的相容性与阻燃体系碳层的形成和致密性。改性碳纤维与阻燃剂组成复合阻燃增强体系，同时，改性碳纤维与基体树脂聚合物界面具有较强的结合力，在提升力学性能的同时协同阻燃剂形成更加稳定致密的膨胀碳层结构，实现气相-凝聚相双重阻燃，提升阻燃性能，使复合材料在保持低密度的同时，兼顾高强度、高韧性以及高阻燃性能。