НАНОКОМПОЗИТНЫЙ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
NANOCOMPOSITE ELECTRIC INSULATING MATERIAL

Изобретение относится к электроизоляционным материалам, а именно к кабельной промышленности, и может быть использовано для изготовления изоляционных оболочек для оптоволоконных и электрических кабелей, которые не будут поддерживать горение на воздухе.
Широкое использование полимеров ограничено из-за их высокой пожарной опасности. Опубликованы многочисленные работы, посвященные проблемам снижения пожарной опасности полимерных материалов, где в качестве огнезащитных добавок используются неорганические, галоген- и фосфорсодержащие соединения.
С ужесточением Европейской Комиссией норм по выделению хлористого водорода для проводов и кабелей исследователи начали обращать большое внимание на проблемы экологической безопасности противопожарных материалов. В этой связи приоритетной является задача снижения горючести изделий и понижения выделения дыма и ядовитых газов из полимеров, применяемых в строительстве, электронике и многих других областях.
Для снижения горючести чаще используются галогенированные ароматические соединения из-за их термической стабильности и низкой дымообразующей способности по сравнению с алифатическими галогенированными соединениями. Эффективность антипиренов возрастает, когда они используются в сочетании с оксидами металлов. Совместно с указанными системами используются специальные добавки для понижения дымообразующей способности, наиболее активными из которых являются окислы алюминия, цинка, олова и др. (Кюсак П.А., 1991, №2, стр.177-190).
Известны композитные материалы пониженной горючести на основе полиолефинов, где в качестве огнезащитного состава используются хлоропарафины в сочетании с оксидами тяжелых металлов (Патент США №4169082 от 1979.09.25). Недостатком композита является высокое дымообразование при горении и токсичность выделяемых газов.
Известны композитные материалы пониженной горючести на основе поливинилхлорида для кабельной промышленности (Патент РФ №2321090 от 2008.03.27). Поливинилхлоридная изоляция обладает удовлетворительными механическими и диэлектрическими характеристиками. Недостатком является то, что газы, выделяемые при горении поливинилхлорида, приводят к удушью и отравлению, обладают сильнейшим окисляющим воздействием на металлы, выводя из строя дорогостоящее оборудование.
Решением существующей проблемы является разработка композиционных материалов, не содержащих в своем составе галогенов.
Известна негорючая битумно-кровельная композиция, не содержащая галогенов (Патент США №74302 от 01.08.1995). Она включает 5-20% гидроксида магния или алюминия или их смесь, термопластичное связующее, добавки. В качестве связующего используется битум (не менее 45%), термопластичный полимер (блоксополимер стирола и бутадиена, стирола, этилена и бутадиена, стирола и изопрена, сополимер этилена и пропилена) - 2-25%, атактический полипропилен - 2-20% и их смеси. Недостатком композиционного материала является недостаточная адгезия к металлу, низкая температура размягчения и технологичность.
Известна электроизоляционная композиция на основе полиолефинов, не содержащая галогенов (Патент РФ №2394292 от 10.07.2010). Композит содержит в мас.ч.: сополимер этилена с винилацетатом 60-85, полиэтилен высокой плотности модифицированный малеиновым ангидридом 15-35, гидроксид магния или алюминия 130-170, полиэтиленовый воск 0,1-5, эфир 3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксифенилпропионовой кислоты и пентаэритрита или 1,3,5-триметил-2,4,6-трис(3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксибензил)бензол 0,05-0,7, бензопропионовой кислоты 3,5-бис (1,1-диметилэтил-4-гидрокси-2-[3-[3,5-бис(1,1-диметилэтил)-4-гидроксифенил]-1-оксопропил] гидразид 0,05-0,3, наноглина 10-20.
По своему составу и основным характеристикам данная композиция наиболее близка к настоящему изобретению и принята нами за прототип.
К недостаткам электроизоляционной композиции по прототипу следует отнести недостаточно высокие физико-механические показатели, что ограничивает возможность его применения в кабельной промышленности.
Задачей изобретения является разработка накомпозиционного материала, не выделяющего при горении коррозионно-активных и токсичных газов, который не поддерживает горение на воздухе и обладает пониженной дымообразующей способностью и высокими физико-механическими показателями.
Технический результат достигается за счет использования в качестве нанонаполнителя органомодифицированного слоистого силиката («Нальчикит» - Россия, КБР, Герпегежское месторождение) в сочетании с гидроксидом магния и карбонатом кальция, что дает синергический эффект, позволяющий уменьшить количество минеральных наполнителей в нанокомпозите и способствует сохранению более высоких значений физико-механических свойств. Соотношение компонентов, мас.ч.:
сополимер этилена с винилацетатом
25-30
полиэтилен высокой плотности
5-10
совместитель (Compoline)
3-5
гидроксид магния Mg(OH)<sub>2</sub>
25-30
карбонат кальция СаСО<sub>3</sub>
25-30
наноглина (Нальчикит)
5-10
антиоксидант (Ирганокс В225)
0,1-0,3
Основу приведенной выше композиции составляют гидроксид магния и карбонат кальция. Температурная деструкция гидроксида магния происходит в интервале 330-420°С с выделением воды (до 31% по массе). Продукты термического разложения гидроксида магния безвредны, создают паровую оболочку вокруг полимерного связующего и в сочетании с его коксующейся частью препятствуют доступу кислорода и потенциально опасных газов к поверхности горения, отчасти сорбируют выделяющиеся агрессивные газы. Процесс эндотермический, сопровождается поглощением тепла - до 328 ккал/г.
Термическая деструкция карбоната кальция происходит при температуре выше 600°С, продукты разложения безвредны. Использование карбоната кальция способствует удешевлению и улучшению реологических свойств нанокомпозита.
Нальчикит является органомодифицированной глиной российского происхождения. Органоглина способствует улучшению стойкости к возгоранию нанокомпозитов в связи с тем, что слоистый силикат препятствует доступу кислорода внутрь образца. При горении не позволяет материалу растекаться, что значительно снижает его пожарную опасность.
Композиты для лабораторных испытаний были получены методом экструзии при температуре 120-150°С. Образцы для измерения были получены методом литья под давлением на машине Politest компании Ray-Ran. Составы приведены в таблице 1.
Таблица 1
Состав композитов
Компоненты, мас.%
1
2
3
4 (известная)
Гидроксид магния
30
27
25
61
Карбонат кальция
30
27
25
-
Полиэтилен высокой плотности, модифицированный малеиновым ангидридом
7,6
Полиэтилен высокой плотности
10
7
5
-
Полиэтиленовый воск
-
-
-
0,8
Ирганокс 1330
-
-
-
0,08
Ирганокс MD 1024
-
-
-
0,04
Ирганокс В 225
0,3
0,2
0,1
-
Наноглина
-
-
-
7,6
Наноглина (Нальчикит)
10
7
5
-
Совместитель(Compline)
5
4
3
-
Сополимер этилена с винилацетатом
30
27
25
22,9
Испытания на горючесть проводили по стандарту UL 94, прочность и относительное удлинение определяли на универсальной разрывной машине согласно ГОСТ 11262-80. Результаты исследований приведены в таблице 2.
Таблица 2
Свойства композитов
Наименование параметров
1
2
3
4
(известная)
Прочность при разрыве, МПа
10,0
11,5
12,4
10,1
Относительное удлинение при разрыве, %
150
163
170
130
Стойкость к горению
V-0
V-0
V-0
V-0
Из приведенных в таблице 2 результатов видно, что предлагаемый нанокомпозитный материал обладает высокой прочностью и относительным удлинением при разрыве и по этим показателям превосходит прототип.