本發(fā)明涉及拖鏈電纜，具體涉及一種高韌性阻燃拖鏈電纜及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著工業(yè)自動(dòng)化、智能化和數(shù)字化的快速發(fā)展，高檔機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)化生產(chǎn)線等高端裝備的需求不斷增長。作為這些設(shè)備中電力和信號傳輸?shù)年P(guān)鍵組件，拖鏈電纜的重要性日益凸顯，其需求量也持續(xù)上升。

2、拖鏈電纜，又稱為拖曳電纜或坦克鏈電纜，是一種可以頻繁往返進(jìn)行來回移動(dòng)而不易磨損的高柔性專用電纜。它主要應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化生產(chǎn)線、包裝設(shè)備、起重機(jī)、港口機(jī)械、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備等需要頻繁移動(dòng)或彎曲的場景中。拖鏈電纜的主要特點(diǎn)是高柔韌性、高耐磨性和高抗疲勞性，能夠在復(fù)雜的工作環(huán)境中保持穩(wěn)定的電力和信號傳輸。

3、從結(jié)構(gòu)上看，拖鏈電纜通常由導(dǎo)體、絕緣層、填充物、屏蔽層、內(nèi)護(hù)套、加強(qiáng)件和外護(hù)套等部分組成。其中，外護(hù)套作為最外層的保護(hù)層，直接與外部環(huán)境接觸，是決定電纜整體性能的關(guān)鍵部分。

4、拖鏈電纜的使用環(huán)境通常較為苛刻，可能面臨高溫、低溫、潮濕、油污、化學(xué)品腐蝕、機(jī)械磨損等多種挑戰(zhàn)。因此，拖鏈電纜需要具備高柔韌性和回彈性、優(yōu)異的耐磨性、良好的耐油性和耐化學(xué)品性、優(yōu)良的耐溫性、適當(dāng)?shù)淖枞夹砸约翱估院涂古ば缘忍匦浴?/p>

5、目前，拖鏈電纜外護(hù)套常用的材料主要有以下幾種：

6、1.?聚氯乙烯（pvc）：價(jià)格低廉、耐腐蝕和易加工，但耐熱性和耐油性不理想，熱變形溫度低，耐沖擊性較差。

7、2.?聚乙烯（pe）：具有良好的電氣性能和化學(xué)穩(wěn)定性，但耐熱性和耐磨性相對較差。

8、3.?聚氨酯（pu）：具有優(yōu)良的耐磨性能、耐油性和力學(xué)性能，使用溫度范圍廣，但在添加阻燃劑時(shí)可能導(dǎo)致力學(xué)性能和加工性下降。

9、4.?熱塑性彈性體（tpe）：結(jié)合了塑料和橡膠的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的柔韌性和回彈性，但耐溫性和耐油性可能不如某些專用材料。

10、5.?氟塑料：如聚四氟乙烯（ptfe），具有優(yōu)異的耐化學(xué)性和耐高溫性，但價(jià)格昂貴，且加工難度大。

11、隨著應(yīng)用環(huán)境的日益苛刻，單一材料往往難以滿足拖鏈電纜外護(hù)套的全面要求。因此，研究人員開始嘗試通過材料復(fù)合來改善拖鏈電纜外護(hù)套的綜合性能。例如，將pvc與其他材料如丁腈橡膠（nbr）復(fù)合，可以在保持pvc良好加工性的同時(shí)，提高材料的柔韌性和耐油性。又如，在pu中添加阻燃劑，可以提高材料的阻燃性能。

12、cn115260673a公開了一種拖鏈電纜用柔軟高強(qiáng)度阻燃pvc電纜料及其制備方法，材料包括：聚合度為1300的pvc樹脂50~100份、聚合度為2500的pvc樹脂0~50份、偏苯三酸三辛酯10~20份、聚酯增塑劑2050?15~20份、三氧化二銻4~8份、硼酸鋅6~10份、填料4~8份、氫氧化鋁8~16份、鈣鋅熱穩(wěn)定劑8~12份、丁腈橡膠p95?10~15份、eva（va含量32%）10~15份、潤滑劑0.4~0.6份、加工改性劑p551j?0.4~1份、乙烯-醋酸乙烯-馬來酸酐共聚物3~5份、聚酯彈性體10~20份、無機(jī)硅酸鹽粘土1~2份。

13、然而，在進(jìn)行材料復(fù)合時(shí)，如何確保各組分之間的相容性，同時(shí)平衡高韌性、阻燃性、耐油性和加工性，仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。特別是在添加阻燃劑時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致材料的力學(xué)性能下降，這對于需要頻繁彎曲的拖鏈電纜來說是一個(gè)嚴(yán)重的問題。

14、因此，開發(fā)一種能夠同時(shí)具備高韌性、良好阻燃性、優(yōu)異耐油性和易加工性的拖鏈電纜外護(hù)套材料，對于提升拖鏈電纜的整體性能和使用壽命具有重要意義。這也是當(dāng)前行業(yè)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是本發(fā)明所要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種高韌性阻燃拖鏈電纜及其制備方法，本發(fā)明的外護(hù)套材料在保持高韌性的同時(shí)，還具備了優(yōu)異的阻燃性能和耐油性，滿足了拖鏈電纜在頻繁彎曲和復(fù)雜工作環(huán)境下的使用要求，有效解決了傳統(tǒng)材料在性能平衡方面的難題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種高韌性阻燃拖鏈電纜，包括外護(hù)套，所述外護(hù)套材料以重量份數(shù)計(jì)由以下組分制成：聚氯乙烯樹脂35~50份、丁腈橡膠15~25份、熱塑性聚氨酯彈性體4~8份、復(fù)合阻燃劑3~10份、二氧化硅2~8份、穩(wěn)定劑2~4份、潤滑劑0.1~0.5份、抗氧劑0.1~0.5份。

4、優(yōu)選的，所述丁腈橡膠的丙烯腈含量為32~35%；所述聚氯乙烯樹脂的k值為60~65。

5、優(yōu)選的，所述二氧化硅粒徑為5~60μm。

6、優(yōu)選的，所述穩(wěn)定劑為鈣鋅穩(wěn)定劑；所述抗氧劑為β-（3,5-二叔丁基-4-羥基苯基）丙酸正十八碳醇酯；所述潤滑劑為聚乙烯蠟或硬脂酸。

7、優(yōu)選的，所述復(fù)合阻燃劑的制備方法，包括如下步驟：

8、（1）將碳纖維加入到無水甲苯中，隨后滴加入3-異氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷，氮?dú)夥諊聰嚢?，將產(chǎn)物洗滌、真空干燥，得到改性碳纖維；

9、碳纖維的表面改性：3-異氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷與碳纖維表面的羥基（-oh）反應(yīng)。硅烷的甲氧基（-och3）與碳纖維表面的羥基發(fā)生縮合，形成si-o-c鍵，同時(shí)在碳纖維表面引入活性異氰酸酯基團(tuán)（-nco）。反應(yīng)簡式：cf-oh?+?(ch3o)3si-(ch2)3-nco?→?cf-o-si-(ch2)3-nco?+?3ch3oh（cf代表碳纖維）。

10、優(yōu)選的，步驟（1）中，碳纖維、無水甲苯、3-異氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷的用量比為10g：50ml：0.2~1g。

11、優(yōu)選的，步驟（1）中，攪拌條件為50~80℃下攪拌反應(yīng)2~12h。

12、優(yōu)選的，步驟（1）中，所述碳纖維為pan基碳纖維t300，直徑6.91μm，長度1~3mm。

13、（2）將2-羧乙基苯基次磷酸與氨基吡嗪加入到dmf中，隨后加入edc·hcl，在氮?dú)夥諊聰嚢璺磻?yīng)，將產(chǎn)物純化得到中間體；

14、中間體的合成：2-羧乙基苯基次磷酸的羧基（-cooh）與氨基吡嗪的氨基（-nh2）在edc·hcl催化下發(fā)生縮合反應(yīng)，形成含磷、氮的中間體，主要生成酰胺鍵（-conh-）。反應(yīng)簡式：r-cooh?+?h2n-py?+?edc·hcl?→?r-conh-py?+?h2o（r代表2-羧乙基苯基次磷酸主體，py代表吡嗪環(huán)）。

15、優(yōu)選的，步驟（2）中，2-羧乙基苯基次磷酸、氨基吡嗪、edc·hcl的用量比為1~2g：0.8~1.6g：0.1~0.3g；攪拌反應(yīng)條件為80~110℃下攪拌反應(yīng)6~16h。

16、優(yōu)選的，步驟（2）中，純化條件為將產(chǎn)物冷卻至室溫，倒入冰水中攪拌，用乙酸乙酯萃取，合并有機(jī)相，用無水硫酸鈉干燥，過濾并蒸發(fā)溶劑得到粗產(chǎn)品，然后用乙醇重結(jié)晶，收集晶體并真空干燥。

17、（3）將改性碳纖維、中間體加入到無水四氫呋喃中，然后加入二月桂酸二丁基錫，在氮?dú)夥諊聰嚢璺磻?yīng)，將產(chǎn)物過濾、洗滌、干燥，得到復(fù)合阻燃劑。

18、復(fù)合阻燃劑的合成：改性碳纖維表面的異氰酸酯基團(tuán)（-nco）與中間體上的羥基（-oh，來自次磷酸基團(tuán)）在二月桂酸二丁基錫（dbtdl）催化下反應(yīng)，形成氨基甲酸酯鍵（-nhcoo-），將含磷、氮的阻燃組分共價(jià)連接到碳纖維表面。反應(yīng)簡式：cf-o-si-(ch2)3-nco?+ho-r-conh-py?→?cf-o-si-(ch2)3-nhcoo-r-conh-py。

19、優(yōu)選的，步驟（3）中，改性碳纖維、中間體、二月桂酸二丁基錫的用量比為10g：1~3g：0.01~0.1g。

20、優(yōu)選的，步驟（3）中，攪拌反應(yīng)條件為50~65℃下攪拌反應(yīng)4~12h。

21、本發(fā)明還要求保護(hù)一種所述高韌性阻燃拖鏈電纜的制備方法，所述外護(hù)套材料的制備方法，包括如下步驟：將聚氯乙烯樹脂、丁腈橡膠、熱塑性聚氨酯彈性體攪拌均勻，得到樹脂混合物；將穩(wěn)定劑、潤滑劑、抗氧劑、復(fù)合阻燃劑混合均勻，在130~140℃、5000~8000r/min下攪拌6~12min，然后加入二氧化硅、樹脂混合物，在2000~4000r/min下攪拌3~6min，冷卻、擠出、造粒、成型，得到所述高韌性阻燃拖鏈電纜的外護(hù)套材料。

22、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

23、1、本發(fā)明提供了一種高韌性阻燃拖鏈電纜，聚氯乙烯樹脂作為基體材料，不僅提供了良好的加工性和成本效益，還具有優(yōu)異的電氣絕緣性能和耐候性。其k值為60~65，確保了適當(dāng)?shù)姆肿恿亢蜋C(jī)械強(qiáng)度。丁腈橡膠的添加顯著提升了材料的柔韌性、耐油性和抗疲勞性，特別是其32~35%的丙烯腈含量確保了優(yōu)異的耐油性能，同時(shí)改善了材料在低溫環(huán)境下的柔韌性。熱塑性聚氨酯彈性體進(jìn)一步增強(qiáng)了材料的彈性和耐磨性，提高了電纜在頻繁彎曲和摩擦條件下的使用壽命。復(fù)合阻燃劑的引入不僅有效改善了材料的阻燃性能，還通過其特殊結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了材料的機(jī)械強(qiáng)度，解決了傳統(tǒng)阻燃劑可能導(dǎo)致力學(xué)性能下降的問題。其他輔助原料如二氧化硅作為補(bǔ)強(qiáng)填料，提高了材料的抗張強(qiáng)度和耐磨性；穩(wěn)定劑改善了材料的熱穩(wěn)定性；潤滑劑優(yōu)化了加工流動(dòng)性；抗氧劑則增強(qiáng)了材料的抗老化性能。這種多組分復(fù)合體系不僅滿足了拖鏈電纜在頻繁彎曲和復(fù)雜工作環(huán)境下的使用要求，還保證了電纜的長期可靠性和安全性。特別是，本發(fā)明的外護(hù)套材料在保持高韌性的同時(shí)，還具備了優(yōu)異的阻燃性能和耐油性，為高性能拖鏈電纜的發(fā)展提供了新的技術(shù)方案，有效解決了傳統(tǒng)材料在性能平衡方面的難題。

24、2、本發(fā)明提供了一種復(fù)合阻燃劑的制備方法，首先，通過3-異氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷對碳纖維進(jìn)行表面改性。在這一步驟中，硅烷的甲氧基（-och3）與碳纖維表面的羥基（-oh）發(fā)生縮合反應(yīng)，形成si-o-c鍵，同時(shí)在碳纖維表面引入了活性異氰酸酯基團(tuán)（-nco）。這一過程顯著增加了碳纖維的表面活性，為后續(xù)反應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。其次，將2-羧乙基苯基次磷酸與氨基吡嗪反應(yīng)，合成含磷、氮的中間體。在這一步驟中，2-羧乙基苯基次磷酸的羧基（-cooh）與氨基吡嗪的氨基（-nh2）在edc·hcl的催化下發(fā)生縮合反應(yīng)，形成酰胺鍵（-conh-）。這一反應(yīng)不僅引入了含磷、含氮的阻燃元素，還保留了次磷酸基團(tuán)的活性，為最終復(fù)合物的形成提供了反應(yīng)位點(diǎn)。最后，將改性碳纖維與中間體在二月桂酸二丁基錫的催化下反應(yīng)，得到最終的復(fù)合阻燃劑。在這一步驟中，改性碳纖維表面的異氰酸酯基團(tuán)（-nco）與中間體上的羥基（來自次磷酸基團(tuán)）反應(yīng)，形成氨基甲酸酯鍵（-nhcoo-）。將碳纖維、含磷和含氮化合物通過化學(xué)鍵結(jié)合在一起，形成了一種新型的多功能復(fù)合阻燃劑。

25、3、本發(fā)明提供了一種復(fù)合阻燃劑，首先，碳纖維表面經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理，顯著提升了碳纖維的表面活性和反應(yīng)性。經(jīng)過改性的碳纖維不僅具有更大的比表面積，還能與樹脂基體形成更強(qiáng)的界面結(jié)合。這種改善后的界面特性有利于應(yīng)力的有效傳遞，從而提高了外護(hù)套材料的整體強(qiáng)度和韌性。此外，改性后的碳纖維表面形成了特殊的分子結(jié)構(gòu)，在高溫條件下能夠快速轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的炭層，這種炭層具有獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)，能夠有效阻隔熱量和氧氣的傳遞。其次，通過2-羧乙基苯基次磷酸引入含磷化合物，本發(fā)明進(jìn)一步增強(qiáng)了材料的阻燃性能。這種含磷結(jié)構(gòu)在燃燒過程中能夠促進(jìn)形成致密的磷酸酯炭層，有效抑制燃燒的繼續(xù)進(jìn)行。同時(shí)，這種化合物中的芳香結(jié)構(gòu)不僅提高了材料的熱穩(wěn)定性，還增加了樹脂基體的剛性，從而改善了外護(hù)套材料的整體機(jī)械性能。芳香環(huán)的存在還能增大分子間的自由體積，這一特性有助于提高材料的抗沖擊能力和整體韌性，對于經(jīng)常處于動(dòng)態(tài)負(fù)荷下的拖鏈電纜尤為重要。最后，含氮環(huán)狀化合物氨基吡嗪的引入為阻燃系統(tǒng)帶來了協(xié)同效應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)不僅能與前述含磷化合物協(xié)同作用，促進(jìn)形成更為有效的膨脹炭層，還能在燃燒過程中釋放出不燃?xì)怏w，從氣相和凝聚相兩個(gè)方面共同抑制燃燒過程。這種多重阻燃機(jī)制顯著提升了護(hù)套材料的整體阻燃性能。從整體來看，本發(fā)明提供的新型復(fù)合阻燃劑通過化學(xué)鍵將各功能組分有機(jī)結(jié)合，克服了傳統(tǒng)物理混合阻燃劑易遷移、易析出的缺點(diǎn)，確保了阻燃效果的長期穩(wěn)定性。同時(shí)，由于采用了易得的原材料和相對簡單的合成路線，該方法具有良好的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。這種復(fù)合阻燃劑不僅顯著提高了材料的阻燃性能，還增強(qiáng)了其機(jī)械強(qiáng)度和韌性，同時(shí)保持了良好的加工性。它為解決高性能拖鏈電纜外護(hù)套材料在阻燃性能和力學(xué)性能之間的平衡難題提供了一種新的思路，為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新開辟了新的方向。