一种B1级电缆材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及电缆包覆材料，尤其涉及一种b1级电缆材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、根据新版民用建筑电气防火设计标准dg/tj08-2048-2024相关规定，对于建筑高度大于250m的建筑、建筑面积大于250000m2的高层公共建筑以及学校、医院、幼儿园、托儿所、老年人照料设施建筑中的电缆应满足gb/t31247-2014《电缆及光缆燃烧性能分级》中燃烧性能达到b1级的电线电缆，燃烧滴落物/微粒d0级、产烟毒性t0级、腐蚀性等级a1级的要求。

2、b1级电缆阻燃性能要求高，要达到在规定条件下火焰蔓延距离短、自熄时间快等严格阻燃标准，这就意味着需要在电缆护套材料选择上精准配比阻燃剂等添加物，既要保证足够的阻燃效果，又不能过多影响电缆原本的电气性能、机械性能等，因此，找到这个平衡点是难点之一。其次b1级电缆要求燃烧时产生的发烟量少且毒性低，尤其要做到d0级（1200s内无燃烧滴落物/微粒）这项等级，目前单一地通过调整b1级电缆料配方很难达到，还需要对电缆的绝缘、线缆结构以及护套等材料进行特殊处理和筛选，要确保线芯结构与护套之间能够达到互补的效果，线芯结构选择稍有偏差就可能影响电缆燃烧时的整体性能。因此制造合适的b1级电缆料并搭配合适的线缆结构成为制造b1级标准电缆的技术难点。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供一种b1级电缆材料及其制备方法和应用。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

3、本发明第一个方面提供一种b1级电缆材料，包括如下质量百分含量的原料组分：基体树脂15%-30%，相容剂4%-8%，阻燃剂50%-70%，润滑剂1%-3%，抗氧剂0.3%-1%，抑烟成炭剂3%-8%，纳米二氧化硅3%-8%和硅烷偶联剂1%-5%；

4、其中，所述基体树脂为线性低密度聚乙烯树脂、乙烯-辛烯共聚物、茂金属聚乙烯和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的混合物；

5、所述阻燃剂为氢氧化镁、氢氧化铝和水滑石的混合物；

6、所述抑烟成炭剂为含水硅酸镁和改性蒙脱土的混合物，所述改性蒙脱土为季铵盐和聚乙二醇改性的蒙脱土；

7、所述硅烷偶联剂为乙烯基硅烷和双氨基硅烷的混合物。

8、相对于现有技术，本发明提供的电缆材料基体树脂中，选择线性低密度聚乙烯树脂、乙烯-辛烯共聚物、茂金属聚乙烯和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物作为复配基体树脂；其中，线性低密度聚乙烯树脂和茂金属聚乙烯在燃烧时会产生结晶区，其可作为物理屏障，减缓热量和氧气的传递，达到阻燃效果；乙烯-辛烯共聚物和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中的柔性高分子链能够在燃烧过程中发生构象变化进而相互交织形成紧密的炭层，减少热量释放，进而达到阻燃效果；乙烯-辛烯共聚物、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物与线性低密度聚乙烯树脂和茂金属聚乙烯之间通过协同作用，形成更稳定、连续的炭层结构，提高阻燃效果；并且，乙烯-辛烯共聚物还能改善其他基体树脂的加工流动性，使基体树脂和其他助剂之间更好地混合均匀，提高电缆材料的整体性能；乙烯-醋酸乙烯酯共聚物通过其极性基团增强与其他基体树脂的相容性，促进各组分协同作用，进而有利于形成均匀一致的炭层，避免出现燃烧滴落物，还能提高阻燃效果。

9、乙烯基硅烷和双氨基硅烷在燃烧条件下能够发生缩聚反应，形成稳定的交联网状结构，这种交联网状结构在燃烧时能贯穿于基体树脂形成的炭层中，通过限制基体树脂分子链的运动，进而增强炭层的稳定性；并且硅烷偶联剂中特定含量的硅元素在燃烧时还能促进炭层的石墨化，通过提高炭层的热稳定性进而使炭层更好地阻隔热量和氧气，阻止火焰蔓延，提高阻燃效率，增强阻燃效果；特定的硅烷偶联剂中一些官能团还能够与基体树脂发生化学键合，提高基体和树脂之间的界面结合力，使其他助剂更好地固定在电缆材料中，进而提高阻燃性能；并且特定的硅烷偶联剂还能通过在电缆材料表面形成保护膜、增加材料黏度等方式缓解电缆材料的燃烧速度、抑制燃烧物滴落等提高阻燃效果。

10、阻燃剂中氢氧化铝在燃烧过程中首先分解产生水汽吸热，在一定程度上阻止可燃物燃烧，当温度进一步升高时，氢氧化镁同时开始分解产生水汽吸热，两者结合形成梯度阻燃，极大地提高了电缆材料的阻燃效果；水滑石受热会释放水和二氧化碳，在一定程度上稀释可燃气体浓度，降低燃烧区域温度，其层状结构的金属离子还能够与硅烷偶联剂中官能团相互结合，通过提高炭层结构稳定性进而提高阻燃效果；氢氧化镁、氢氧化铝和水滑石三种阻燃剂协同作用，在燃烧时形成更有效的阻隔层，提高电缆材料的阻燃效果，氢氧化镁、氢氧化铝和水滑石三种不同晶型结构的阻燃材料配合使用，达到阻燃剂粉体的晶型互补效应，不同的化学组成差异能够有效弥补单一氢氧化物阻燃效率低下的问题。

11、本发明选择含水硅酸镁和改性蒙脱土的混合物作为抑烟成炭剂，其中，含水硅酸镁的特殊结构在燃烧过程中能在材料表面形成一层物理阻隔层，通过阻挡热量和氧气向电缆材料内部传递进而提高阻燃效果；季铵盐和聚乙二醇能够使蒙脱土由亲水性变成亲油性，使改性蒙脱土均匀分散在材料的基体中，并且季铵盐能与基体树脂的官能团发生反应，使树脂分子在改性蒙脱土的层间结构和表面发生交联，进而提高炭层强度，达到优异的阻燃效果；纳米二氧化硅能与阻燃剂中的阻燃剂燃烧后产生的金属氧化物在高温条件下生成硅酸盐，进一步增强炭层强度，提高阻燃效果。

12、本发明提供的b1级电缆材料，通过选择特定的基体树脂、阻燃剂、抑烟成炭剂和硅烷偶联剂并结合本发明提供的相容剂、润滑剂、抗氧剂和纳米二氧化硅等助剂作为原料，各个成分之间起到复合强化的作用，使b1级电缆材料具有优异成炭结壳效果，还极大地提高了b1级电缆材料的阻燃效果。

13、优选的，所述基体树脂中乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、乙烯-辛烯共聚物、茂金属聚乙烯和线性低密度聚乙烯树脂的质量比为（4-7）:（3-5）:（6-8）:（10-16）。

14、优选的基体树脂以及限定在一定比例范围内，有利于进一步提高电缆材料的阻燃效果。

15、优选的，所述线性低密度聚乙烯树脂的熔体流动速率1g/10min-3g/10min，拉伸强度为25mpa-27mpa，断裂伸长率为775%-785%。

16、进一步优选的，所述线性低密度聚乙烯树脂为北欧化工fb2230。

17、优选的，所述乙烯-辛烯共聚物的熔体流动速率为1.2g/10min-1.6g/10min，拉伸强度为7mpa-9mpa，断裂伸长率为1190%-1210%。

18、进一步优选的，所述乙烯-辛烯共聚物为埃克森美孚5371。

19、优选的，所述茂金属聚乙烯的熔体流动速率为1.26g/10min-1.30g/10min，拉伸强度为38mpa-42mpa，断裂伸长率为725%-735%。

20、进一步优选的，所述茂金属聚乙烯为埃克森美孚3518。

21、优选的，所述乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的醋酸乙烯酯质量含量为25-28%，熔体流动速率为5g/10min-7g/10min，拉伸强度为24mpa-27mpa，断裂伸长率为942%-945%。

22、进一步优选的，所述乙烯-醋酸乙烯酯共聚物为浙江石化v6110m。

23、优选的，所述相容剂为马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物。

24、进一步优选的，所述马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物中马来酸酐的接枝率为0.8%-2%。

25、进一步优选的，所述马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物为江苏久聚高分子1241。

26、优选的，所述阻燃剂中氢氧化镁、氢氧化铝和水滑石的质量比为（2-4）:（1-3）:（15-30）。

27、本发明进一步限定了阻燃剂中氢氧化镁、氢氧化铝和水滑石的比例，使三种阻燃剂材料进一步达到协同增效的作用，提高电缆材料的阻燃效果。

28、优选的，所述润滑剂为马来酸酐接枝聚乙烯蜡和乙撑双硬脂酰胺的混合物。

29、进一步优选的，所述润滑剂中马来酸酐接枝聚乙烯蜡和乙撑双硬脂酰胺的质量比为1:（3-5）。

30、优选的，所述抗氧剂为多元受阻酚类抗氧剂。

31、进一步优选的，所述抗氧剂为德国巴斯夫1010。

32、优选的，所述抑烟成炭剂中含水硅酸镁和改性蒙脱土的质量比为1:（3-5）。

33、优选的，所述改性蒙脱土的制备方法包括如下步骤：

34、s1、将蒙脱土加入至乙醇水溶液，得蒙脱土分散液；

35、s2、将所述季铵盐加入至乙醇水溶液，得季铵盐溶液；

36、s3、将所述蒙脱土分散液、季铵盐溶液加入至盐酸水溶液，然后加入聚乙二醇，于80℃-82℃下进行反应，抽滤，洗涤，干燥，得改性蒙脱土。

37、本发明提供的改性蒙脱土的制备方法，改性方法简单，且利用季铵盐和聚乙二醇改性能使蒙脱土由亲水性变成亲油性，使改性蒙脱土均匀分散在电缆材料中，提高电缆材料的阻燃性能。

38、优选的，s1中，所述蒙脱土和乙醇水溶液的质量体积比为110g:（1-1.1）l，所述乙醇水溶液的体积含量为50%-52%。

39、优选的，s2中，所述季铵盐为十六烷基三甲基溴化胺。

40、优选的季铵盐有利于进一步提高蒙脱土的改性效果，进而提高电缆材料的阻燃效果。

41、优选的，s2中，所述季铵盐和乙醇水溶液的质量体积比为（50-52）g:（200-210）ml，所述乙醇水溶液的体积含量为50%-52%。

42、优选的，s3中，所述蒙脱土和季铵盐的质量比为110:（50-52）。

43、优选的季铵盐用量有利于通过提高蒙脱土的改性效果进而提高电缆材料的阻燃性能。

44、优选的，s3中，所述蒙脱土和盐酸水溶液的质量体积比为110g:（30-35）ml，其中盐酸水溶液的浓度为1mol/l-1.1mol/l。

45、优选的，s3中，所述蒙脱土和聚乙二醇的质量比为11:（1-1.2）。

46、优选的聚乙二醇用量有利于通过提高蒙脱土的改性效果进而提高电缆材料的阻燃性能。

47、优选的，s3中，所述反应的时间为4h-5h。

48、优选的，s3中，所述改性蒙脱土的粒径为20nm-50nm。

49、优选的，所述硅烷偶联剂中乙烯基硅烷和双氨基硅烷的质量比为1:（0.5-0.7）。

50、本发明进一步限定硅烷偶联剂中乙烯基硅烷和双氨基硅烷的用量比，有利于进一步提高电缆材料的阻燃效果。

51、进一步优选的，所述乙烯基硅烷的型号为sico-v010。

52、进一步优选的，所述双氨基硅烷的型号为sico-anp26。

53、本发明第二个方面提供上述b1级电缆材料的制备方法，包括如下步骤：

54、将称取的基体树脂、相容剂、阻燃剂、润滑剂、抗氧剂、抑烟成炭剂、纳米二氧化硅和硅烷偶联剂于160℃-180℃下进行反应，依次然后通过双螺杆挤出机和单螺杆挤出机挤出，冷却，得b1级电缆材料。

55、优选的，所述反应的时间为10min-15min。

56、优选的，所述双螺杆挤出机的挤出温度为一区110℃，二区120℃，三区125℃，四区125℃，五区130℃，六区135℃，七区135℃，八区135℃。

57、优选的，所述单螺杆挤出机的挤出温度为一区100℃，二区110℃，三区120℃，四区125℃，五区130℃。

58、本发明第三个方面提供一种b1级电缆，所述b1级电缆的结构从内向外依次为导体层、绝缘层、填充层和绕包层和电缆护套。

59、优选的，所述导体层为铜芯或铝芯。

60、进一步优选的，所述导体层的横截面积为2.5mm2。

61、优选的，所述绝缘层为所述b1级电缆材料。

62、进一步优选的，所述绝缘层的厚度为0.7mm-0.8mm。

63、优选的，所述填充层为聚丙烯阻燃编织绳。

64、优选的，所述填充层中聚丙烯阻燃编织绳的直径为0.7mm-0.8mm。

65、优选的，所述绕包层为低烟无卤阻燃耐火绕包带或玻璃纤维绕包带。

66、优选的，所述绕包层中厚度低烟无卤阻燃耐火绕包带或玻璃纤维绕包带的厚度均为0.2mm。

67、优选的，所述电缆护套的材料为所述b1级电缆材料。

68、优选的，所述电缆护套的厚度为1.2mm-2.5mm。