ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННАЯ КОМПОЗИЦИЯ
ELECTRICALLY INSULATING COMPOSITION

Изобретение относится к области электротехники, а именно кабельной техники, и может быть использовано для изготовления оболочек электрических кабелей и проводов, применяемых для внутренних и наружных соединений подвижного состава рельсового транспорта, городского электротранспорта и метрополитена и других областей применения в условиях повышенной пожаробезопасности при эксплуатации кабелей и проводов в диапазоне температур от минус 60 до плюс 70°С.
В последние десятилетия требования по нераспространению горения кабельных изделий и снижению выделения дыма постоянно повышаются. Имеется большое количество публикаций в части повышения пожаробезопасности различных композиций на основе ПВХ, в которых предусмотрен комплексный подход к данной проблеме, а именно одновременное использование антипиренов для уменьшения горючести, дымоподавителей - для снижения дымообразования. В качестве антипиренов наиболее часто применяют трехокись сурьмы, хлорпарафины. В качестве дымоподавителей обычно рекомендуют тригидрат окиси алюминия (гидроокись алюминия) и гидроокись магния, которые также являются и хорошими антипиренами (Копылов В.В. и др. Полимерные материалы с пониженной горючестью. М.: Химия, 1986, с.151-159.). Однако следует отметить, что за счет применения большого количества добавок, снижающих пожароопасность ПВХ-композиций, далеко не всегда удается сохранить высокие упруго-прочностные характеристики материала, в том числе в условиях воздействия агрессивных углеводородных сред и температуры.
2
3
Известна электроизоляционная композиция, содержащая, мас.ч.: суспензионный поливинилхлорид 100, сложноэфирный пластификатор 40-90, свинцовый стабилизатор 2-8, трехокись сурьмы 2-10, окись цинка 2-4, борная кислота 2-5, охру с содержанием FeO 12-15 мас.% 10-70, стеарат кальция 1-3, дифенилолпропан 0,1-0,4. (Патент РФ №2321911, МПК H01В 3/44, опубл. 10.04.2008).
Композиция характеризуется высокой степенью негорючести и низким уровнем дымовыделения, однако из-за большой степени наполнения обладает низкой прочностью и эластичностью, а также недостаточно высокой стойкостью к различным нефтепродуктам в условиях повышенных (свыше 100°С) температур.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является электроизоляционная композиция, включающая мас.ч.: суспензионный поливинилхлорид 100, сложноэфирный пластификатор 40-80, свинцовый стабилизатор 3-7, карбонат кальция 30-500, тригидрат окиси алюминия 10-100, трехокись сурьмы 4-7,5, окись цинка 0,7-1,9, борную кислоту 0,4-0,6, ионол 0,1-0,6, дифенилолпропан 0,1-0,6. (Патент РФ №2195729, МПК Н01В 3/44, 27.12.2002 г.).
Указанная композиция удовлетворяет требованиям по уровню дымообразования в условиях горения и тления, и выделения хлористого водорода при горении.
Недостатками этой композиции являются недостаточно высокие физико-механические и технологические свойства, невысокая стойкость к углеводородам (масла, бензины, дизтопливо) при повышенных температурах, и, как следствие, ограниченный температурный диапазон эксплуатации материала, что снижает ресурс работы кабельных изделий и ограничивает области применения.
Техническая задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в разработке электроизоляционной композиции с высокими физико-механическими и технологическими свойствами, стойкостью к нефтепродуктам при повышенных температурах, а также расширение температурного диапазона эксплуатации материала при сохранении высокой степени негорючести и низкого уровня дымовыделения.
Поставленная техническая задача решается тем, что электроизоляционная композиция, содержащая суспензионный поливинилхлорид, сложноэфирный пластификатор, свинцовый стабилизатор и антипирен-дымоподавитель, включающий трехокись сурьмы, окись цинка, борную кислоту, антиоксиданты, согласно предложенному изобретению, дополнительно содержит бутадиен-нитрильный каучук с содержанием акрилонитрила от 15 до 40 мас.%, гидрооксид магния, стеарат кальция, производное стеариновой кислоты, выбранное из группы, включающей этиленгликоль моно- и дистеарат, или изооктилстеарат, этиленаминдистеарат и 12-оксистеарамид, а в качестве антиоксидантов Агидол-2 и Ирганокс 1010. при следующем соотношении компонентов, мас.ч.: Суспензионный поливинилхлорид - 100, бутадиен-нитрильный каучук с содержанием акрилонитрила от 15 до 40 мас.% - 10-30, гидрооксид магния - 20-40, сложноэфирный пластификатор - 20-40, свинцовый стабилизатор - 3-7, трехокись сурьмы - 3-10, окись цинка - 1,5-3, борная кислота - 0,8-1, Агидол 2 - 0,5-2,5, Ирганокс 1010 - 0,1-0,5, стеарат кальция - 0,5-1,5, производное стеариновой кислоты - 0,5-4. Композиция может дополнительно содержать 0,5-3 мас.ч. технического углерода.
Техническим результатом, достижение которого обеспечивается реализацией всей заявляемой совокупностью существенных признаков, является:
- повышенная огнестойкость композиции за счет заявленного сочетания в определенном соотношении компонентов;
- пониженная токсичность за счет снижения выделения хлористого водорода при горении и тлении
- стойкость к набуханию в нефтепродуктах,
- обеспечение высокого уровня физико-механических свойств предлагаемой композиции благодаря возможности использования в ней значительно меньшего количества наполнителей (порошкообразные компоненты композиции).
2
3
3
3
2
2
Предлагаемая композиция содержит следующие компоненты: суспензионный поливинилхлорид марки С-70 (ПВХ С-70) по ГОСТ 14332-78, известные сложноэфирные пластификаторы, такие как ди(2-этилгексил)фталат или диизононилфталат (ДИНФ) или диизодецилфталат (ДИДФ) и диоктиладипинат (ДОА) по ГОСТ 8728-77, известные свинцовые стабилизаторы, такие как трехосновной сульфат свинца (ТОСС) по ТУ 6-09-098-75, двухосновной фталат свинца (ДОФТС) по ТУ 6-09-098-76, трехокись сурьмы (SbO) по ТУ 48-14-1-88, окись цинка (ZnO) по ТУ 48-7-17-82, борную кислоту (HBO) по ГОСТ 18704-78, антиоксиданты - 2,2'-метиленбис(4-метил-6-трет-бутилфенол) (Агидол-2) по ТУ 2492-433-05742686-98 с изм.1,2 и метилен-3-(3,5-дитрет-бутил-4-гидрокси-фенил-пропионат)тетраметана (Ирганокс 1010), производитель «СIBА», Швейцария, этиленгликоль моно- и дистеарат или изооктилстеарат или этиленаминдистеарат или 12-оксистеарамид, гидроксид магния (Mg(OH)) по ТУ 2133-011-40705684-2005, бутадиен-нитрильный каучук с содержанием акрилонитрила от 15 до 40% мас. по ТУ 38.30313-2008 (например, БПКС-ЗЗАМ), стеарат кальция (CaSt) по ТУ 2634-003-48602470-99, технический углерод выпускается по спецификации ООО«Омсктехуглелерод» марки У-76.
Сущность изобретения поясняется таблицами 1 и 2.
В таблице 1 приведены составы поливинилхлоридных композиций (1-8 по изобретению, 9-11 - сравнительные, 12 - прототип).
В таблице 2 приведены свойства поливинилхлоридных композиций (1-8 по изобретению, 9-11 - сравнительные, 12 - прототип).
Ниже приводится пример осуществления изобретения
Пример.
В лабораторный двухроторный смеситель «Бенбери», нагретый до 90°С, загружают все сыпучие компоненты в количествах, предусмотренных рецептурой (таблица 1): поливинилхлорид суспензионный, сложноэфирный пластификатор, свинцовый стабилизатор, трехокись сурьмы, окись цинка, борную кислоту, гидроксид магния, стеарат кальция, антиоксиданты и компонент из группы: этиленгликоль моно- и дистеарат, изооктилстеарат, этиленаминдистеарат и 12-оксистеарамид, перемешивают в течение 3-5 минут, вводят бутадиен-нитрильный каучук, перемешивают еще 5-8 минут при температуре 165°С.
2
Полученную смесь охлаждают до комнатной температуры и вальцуют при температуре 155-165°С в течение 4-7 минут. Из вальцованного полотна прессуют стандартные образцы для испытаний при температуре 160-170°С в течение 3 минут под давлением 120 кгс/см.
Для определения основных физико-механических и реологических показателей композиций авторами проведены эксперименты. Физико-механические характеристики (прочность при растяжении и относительное удлинение при разрыве) определяют по ГОСТ 11262, показатель текучести расплава композиций по ГОСТ 11645.
HCl
Теплостойкость определяют в соответствии с ГОСТ 5960, кислородный индекс (КИ) определяют по ГОСТ 12.1.044, максимальную плотность дыма (Дм) в условиях горения и тления определяют по ГОСТ 24632, выделение хлористого водорода (Л%) определяют по ГОСТ Р МЭК 60754-1. Температуру хрупкости определяют по ГОСТ 5960, экспресс-методом. Стойкость к действию нефтепродуктов определяют по ГОСТ 5960 после выдержки образцов в трансформаторном масле (ГОСТ 10541) при 125°С в течение 70 часов и в дизельном топливе (ГОСТ 305) при 100°С в течение 24 часов.
Как следует из данных, представленных в таблице 2, предлагаемая электроизоляционная композиция имеет более высокие упруго-прочностные характеристики (прочность при растяжении выше на 30-50%, относительное удлинение при разрыве - на 50-60%); характеризуется более высокой (в 1,5-2 раза) текучестью расплава; обладает более высокой стойкостью к нефтепродуктам в условиях повышенных температур (степень сохранения эластических свойств в 3-4 раза выше); повышенной морозостойкостью (до минус 50°С) и стойкостью к действию высоких температур, чем известная, при равных показателях с ней по уровню дымообразования при горении и тлении и выделения хлористого водорода.
Использование компонентов вне заявляемых количеств или их смесей приводит к ухудшению характеристик композиций (9-11).
Таким образом, сочетание в определенном соотношении компонентов позволяет получить нужный комплекс огнестойкости, пониженной токсичности (за счет снижения выделения хлористого водорода при горении и тлении), стойкости к набуханию в нефтепродуктах, предлагаемой композиции. Благодаря возможности использования в ней значительно меньшего количества наполнителей (порошкообразные компоненты композиции) удалось достичь более высокого уровня ее физико-механических свойств. Указанный комплекс свойств композиции в конечном итоге позволяет улучшить характеристики кабельных изделий и обеспечить повышенный срок их службы.
Таблица 1
Состав поливинилхлоридных композиций
№ п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12 прототип
1.
Суспензионный поливинилхлорид
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
2.
Сложноэфирный пластификатор ДОФ, ДИДФ
40
40
40
40
10
20
0
30
40
10
20
50
3.
Сложноэфирный пластификатор ДОА
0
0
0
0
10
20
40
10
0
0
20
0
4.
Свинцовый стабилизатор
7
6
6
6
3
3
6
5
4
6
4
4
5.
Трехокись сурьмы
10
10
10
10
3
6
7
8
10
6
7
7
6.
Окись цинка
3
3
3
3
1,5
3
3
3
3
3
3
1,9
7.
Борная кислота
1
1
1
1
0,8
1
1
0,9
1
1
1
0,6
8.
Гидроксид магния
40
40
40
40
20
30
35
25
40
50
10
0
9.
2,2'-метиленбис(4-метил-6-трет-бутилфенол)
2,5
2,5
2,5
2,5
0,5
1,5
2,5
2
2
2
2
0
10.
Метилен-3-(3,5-дитрет-бутил-4-гидрокси-фенил-пропионат)тетраметан
0,5
0,5
0,5
0,5
0,1
0,5
0,5
0,3
0,5
0,5
0,5
0
11.
Этиленгликоль моно- и дистеарат
4
0
0
0
0,5
1,5
2,5
3
5
5
5
0
12.
Изооктилстеарат
0
4
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
13.
Этиленаминдистеарат
0
0
4
0
0
0
0
0
0
0
0
0
14.
12-оксистеарамид
0
0
0
4
0
0
0
0
0
0
0
0
15.
Стеарат кальция
1,5
1,5
1,5
1,5
0,2
1
0,5
1
1,5
1
1
0
16.
Бутадиен-нитрильный каучук
30
30
30
30
10
20
30
25
30
30
5
0
17.
Тригидрат окиси алюминия
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
60
18.
Ионол
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0,2
19.
Дифенилолпропан
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0,3
20.
Карбонат кальция (мел)
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
40
Таблица 2
Свойства поливинилхлоридных композиций
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
п/п
прототип
1.
Прочность при растяжении, МПа
15
14
13
13
12
13
12
13
10
8
9
9
2.
Относительное удлинение при разрыве, %
320
300
300
310
310
300
300
300
250
200
230
200
3.
Показатель текучести расплава (190°С, 2,16 кг), г/10 мин
1,3
1,3
1,3
1,3
1,3
1,0
1,1
1,2
0,8
0,9
1,0
0,6
4.
Стойкость к действию нефтепродуктов по сохранению относительного удлинения при разрыве после выдержки образцов в трансформаторном масле при 125°С - 70 час:
120
100
120
100
110
100
100
100
60
60
50
40
5.
Стойкость к действию нефтепродуктов по сохранению относительного удлинения при разрыве после выдержки образцов в дизтопливе при 100°С - 24 час:
100
90
100
95
100
90
95
95
50
50
50
30
6.
Теплостойкость по сохранению относительного удлинения при разрыве после выдержки образцов на воздухе при 100°С - 168 час:
120
100
100
100
100
95
98
100
80
70
80
83
7.
Температура хрупкости, °С
-45
-45
-45
-45
-45
-48
-50
-48
-40
-40
-42
-40
8.
КИ, %
33,0
32,2
33,0
33,4
33,0
32,3
32,5
32,1
30,5
31,0
29,5
33,0
9.
Д<sub>М</sub> - горение
200
202
201
200
203
208
205
207
209
208
210
205
10.
Д<sub>м</sub> - тление
180
181
178
182
179
180
181
179
188
186
190
180
11.
Л<sub>HCl</sub>%
8,9
9.0
9,0
9,0
9,1
8,9
9,0
8,9
9,4
9,3
9,8
9,1