電纜保護(hù)管用PP/nano-CaCO3復(fù)合材料的研究

黃書琴

(福建和盛塑業(yè)有限公司，福建 福州 350206)

納米碳酸鈣按晶形可分為：紡錘體形、立方體晶形、玫瑰晶形等，其中應(yīng)用較好的晶體是玫瑰晶形，玫瑰晶形是由偏三角體聚集成的菊花狀和玫瑰花瓣形[1]。根據(jù)GB50217—2007《電力工程電力設(shè)計(jì)規(guī)范》5.4.5（2）的要求[2]，地中埋管，距地面深度不宜小于0.5 m。這就意味著地中埋管在承受至少土體靜載荷（若管道鋪設(shè)在機(jī)動車道，還必須承受機(jī)動車的動載荷）時(shí)，埋管的變形在規(guī)定的范圍內(nèi)。環(huán)剛度是測定管材在變形量為3%時(shí)所承受的力，是管材性能的重要指標(biāo)之一，也是判定管材是否符合使用環(huán)境的判定依據(jù)之一；在施工過程中，管材難免要承受一定高度的墜落沖擊，管材的落錘沖擊韌性也是管材性能的重要指標(biāo)之一。若采用普通碳酸鈣增強(qiáng)聚丙烯基體材料制成電纜保護(hù)管，填充量大，效果不好，本文研究了納米碳酸鈣含量、晶形對納米碳酸鈣增強(qiáng)聚丙烯基體材料制成的電纜保護(hù)管環(huán)剛度和落錘沖擊韌性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

無規(guī)共聚PP樹脂，J340，韓國曉星；納米碳酸鈣，玫瑰晶形、紡錘體晶形、立方體晶形，均來自福建省萬旗非金屬材料有限公司；硅烷偶聯(lián)劑，KH-560，常州新區(qū)利進(jìn)化工股份有限公司；聚丙烯接枝馬來酸酐（PP-g-MAH），CMG980，上海日之升新技術(shù)發(fā)展有限公司；

1.2 主要設(shè)備

電子萬能試驗(yàn)機(jī)，WDT-W型，承德市精密試驗(yàn)機(jī)有限公司；高低溫恒溫箱，XDK-25型，石家莊開發(fā)區(qū)中實(shí)驗(yàn)檢測設(shè)備有限公司；高速混合機(jī)，SHR-300，張家港市源豐機(jī)械制造有限公司；雙螺桿擠出造粒機(jī)組，HT-65，南京橡塑機(jī)械廠有限公司；管材落錘沖擊機(jī)，XJL-300D-630，石家莊開發(fā)區(qū)中實(shí)驗(yàn)檢測設(shè)備有限公司；掃描電子顯微鏡，KYKY-2800B型，北京中科科儀技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

（1）納米碳酸鈣表面處理

將玫瑰晶形納米碳酸鈣放入高低溫恒溫箱內(nèi)在80℃下干燥24 h，加入高速混合機(jī)中，升溫至80℃，以50 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌1 h后，按10:1的質(zhì)量份數(shù)加入硅烷偶聯(lián)劑，以300 r/min的轉(zhuǎn)速高速攪拌0.5 h后冷卻至常溫，用同樣方法將紡錘體晶形納米碳酸鈣和立方體晶形納米碳酸鈣表面處理。

（2）聚丙烯/納米碳酸鈣復(fù)合材料的制備

將表面處理過的納米碳酸鈣按質(zhì)量份數(shù)6:1加入PP-g-MAH，以500 r/min的轉(zhuǎn)速常溫?cái)嚢?.5 h，所得的共混材料分別按1:3、5:11、3:5、7:9、1:1的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與PP樹脂共混，通過雙螺桿擠出機(jī)熔融擠出造粒，其工藝參數(shù)如下：一區(qū)溫度為140℃，二區(qū)溫度為170℃，三區(qū)溫度為190℃，四區(qū)溫度為210℃，五區(qū)溫度為200℃，模頭溫度為180℃，喂料速度為100 r/min，螺桿轉(zhuǎn)速為160 r/min。用同樣方法制備聚丙烯/紡錘體晶形納米碳酸鈣復(fù)合材料和聚丙烯/立方體晶形納米碳酸鈣復(fù)合材料。

（3）樣品管的制備

將上述粒料在80℃下干燥12 h，再通過管道生產(chǎn)線擠出成形制得樣品管，其工藝參數(shù)如下：機(jī)筒1區(qū)溫度為160℃，機(jī)筒2區(qū)溫度為180℃，機(jī)筒3區(qū)溫度為190℃，機(jī)筒4區(qū)溫度為180℃，機(jī)筒5區(qū)溫度為160℃，機(jī)頭1區(qū)溫度為160℃，機(jī)筒2區(qū)溫度為180℃，機(jī)筒3區(qū)溫度為150℃，擠出成形速度1.6 m/min，制備成內(nèi)徑為150 mm，壁厚為12 mm的樣品管。

（4）試樣管段的制備及性能測試

從三根管材上各取長度為（300±10）mm 的管段試樣，試樣兩端應(yīng)切割平整并與軸線垂直，按GB/T9647—2015[3]的要求進(jìn)行測試，取三個(gè)試樣的試驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值為試驗(yàn)結(jié)果。

取10段200 mm長的試樣，試樣兩端應(yīng)垂直切平，經(jīng)（23±1）℃條件下放置8 h，用曲率半徑為50 mm，沖頭柱直徑為90 mm的落錘錘頭，落錘重量6.0 kg，高度2 m，按GB/T14152—2001[4]的要求進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)，每段沖擊一次，整個(gè)過程應(yīng)在30 s內(nèi)完成。

（5） SEM 觀察

將納米碳酸鈣增強(qiáng)聚丙烯基體材料制成的電纜保護(hù)管在液氮下冷卻2 h后沖斷，再將斷口放入加熱到120℃二甲苯中刻蝕0.5 h，然后將斷口用乙醇沖洗干凈后放入80℃的干燥箱內(nèi)干燥8 h，噴金后在掃描電鏡下觀察納米碳酸鈣在復(fù)合材料中的分布情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同晶形納米碳酸鈣對聚丙烯/納米碳酸鈣復(fù)合材料體系環(huán)剛度的影響

圖1示出不同晶形納米碳酸鈣在不同含量下，對聚丙烯/納米碳酸鈣復(fù)合材料制成管材環(huán)剛度的影響。從圖1中可以看出，在玫瑰晶形、紡錘體晶形和立方體晶形納米碳酸鈣增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料中，采用任意一種晶形的納米碳酸鈣增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料制成的管材，環(huán)剛度均隨著納米碳酸鈣含量的增加而增加，當(dāng)納米碳酸鈣含量達(dá)到37.5%時(shí)，管材的環(huán)剛度最大，其中采用玫瑰晶形納米碳酸鈣增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的環(huán)剛度最佳，為39 kPa，紡錘體晶形次之，為28.5 kPa。

圖1 納米碳酸鈣用量對聚丙烯/納米碳酸鈣復(fù)合材料制成管材環(huán)剛度的影響

2.2 不同晶形納米碳酸鈣對聚丙烯/納米碳酸鈣復(fù)合材料體系落錘沖擊韌性的影響

從表1可以看出，在玫瑰晶形、紡錘體晶形和立方體晶形納米碳酸鈣增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料中，采用任意一種晶形的納米碳酸鈣增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料，落錘沖擊韌性隨著納米碳酸鈣含量的增加而降低，其中采用玫瑰晶形納米碳酸鈣增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的落錘沖擊韌性最佳，紡錘體晶形次之。

表1 納米碳酸鈣對聚丙烯/納米碳酸鈣復(fù)合材料落錘沖擊韌性的影響

2.3 納米碳酸鈣在聚丙烯/納米碳酸鈣復(fù)合材料的分散情況

圖2列出了質(zhì)量分?jǐn)?shù)均是18.7%的玫瑰晶形、紡錘體晶形和立方體晶形的納米碳酸鈣增強(qiáng)聚丙烯基體材料制成的電纜保護(hù)管冷卻2 h后沖斷斷口刻蝕后的SEM圖片。表2根據(jù)圖2統(tǒng)計(jì)得到了納米碳酸鈣在聚丙烯基體材料中的平均粒徑，從圖2和表3中可以看出，采用玫瑰晶形納米碳酸鈣增強(qiáng)聚丙烯基體材料中納米碳酸鈣顆粒分散均勻，且粒徑小，粒徑范圍約為180～190 nm，采用立方體晶形納米碳酸鈣增強(qiáng)聚丙烯基體材料中的團(tuán)聚現(xiàn)象比較嚴(yán)重，納米碳酸鈣顆粒較大，粒徑范圍為405～415 nm，采用紡錘體晶形納米碳酸鈣增強(qiáng)聚丙烯基體材料中納米碳酸鈣顆粒居中，粒徑范圍為205～215 nm。

圖3列出了不同晶形的晶體照片，從圖中可以看出，玫瑰晶形納米碳酸鈣晶體長徑約比為5～6，紡錘體晶形納米碳酸鈣晶體長徑比約為3～4和立方體晶形納米碳酸鈣晶體長徑比為1。分析認(rèn)為，長徑比越大，與硅烷偶聯(lián)劑和聚丙烯接枝馬來酸酐結(jié)合越緊密，玫瑰晶形納米碳酸鈣在聚丙烯基體的分散越均勻，分散粒徑越小。

表2 納米碳酸鈣在聚丙烯基體材料中的平均粒徑

圖2 PP/nano-CaCO3復(fù)合材料脆斷面刻蝕后的SEM照片(×5 000)

圖3 納米碳酸鈣的SEM照片

3 結(jié)論

（1）隨著納米碳酸鈣在復(fù)合材料中含量的增加，剛性的納米碳酸鈣加固了聚丙烯基體材料，提高了納米碳酸鈣增強(qiáng)聚丙烯基體材料制成的電纜保護(hù)管的環(huán)剛度，但是落錘沖擊性能有所下降。

（2）玫瑰晶形納米碳酸鈣在復(fù)合材料中的分散較紡錘體晶形和立方體晶形碳酸鈣更佳，固由玫瑰晶形增強(qiáng)聚丙烯基體的復(fù)合材料制得的電纜保護(hù)管的環(huán)剛度和落錘沖擊性能最優(yōu)。