氢氧化铝粉末填充的聚乙烯通信电缆塑料力学强度优化设计
摘 要本人的实习单位为苏州亨利通信材料有限公司，岗位涉及到电缆线包层材料的生产与测试业务。聚乙烯(PE)是线缆中常用的工业聚合物，通常与无机阻燃颗粒混合使用。PE绝缘性、延展性相对较好，但强度却存在一些不足。本文围绕通信电缆外层PE绝缘材料展开，测试和分析了氢氧化铝(Al(OH)3)的尺寸大小、含量的质量分数对Al(OH)3和PE组成的复合材料弹性模量性能的影响，具体工作包含如下几个方面1) 利用球磨工艺，Al(OH)3颗粒尺寸从原始的1.6 um降低到0.59 um，两种尺寸颗粒按相同质量分数填充形成对照样品，测试发现，小尺寸Al(OH)3填充复合材料的拉伸模量比原始尺寸的对照样品提升30%左右。2) 对不同填充质量分数的样品进行微观测试的压缩模量测试，发现复合材料弹性模量在Al(OH)3质量分数为40%时达到最大，拉伸和微观压缩模量测试数值变化趋势基本相符。3) 通过微观弹性模量横向距离的估算，得出Al(OH)3质量分数为36.3%的填充复合材料模量数值最高，该估算结果与宏观测试中的实验数据相吻合。因此，改善PE电缆包层材料的强度，可以从降低Al(OH)3填充颗粒的尺寸和调配填充质量分数两方面来实现。本文获得国家自然科学基金项目(编号11404322)和江苏省自然科学基金项目(编号BK20160352)的资助。摘 要 i
目 录
Abstract ii
引 言 1
一、高分子材料背景概述 2
（一）高分子材料的发展历史 2
（二）高分子材料的相关特性 3
1.力学性能 3
2.安全性能 3
3.其他特殊性能 4
二、通信电缆包层材料简介 6
（一）通信电缆包层材料的性能要求 6
（二）PE材料性能简介 6
（三）PE材料的改性 7
1.化学类方法 7
2.物理类方法 7
三、通信电缆PE填充试样实验部分 9
（一）通信电缆应用中的PE填充方法 9
（二）力学性能的测试方法简介 10
1.宏观测试介绍 10
2.微观测试介绍 10
四、通信电缆PE填充实验结果与讨论 14
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
/> （一）PE填充试样的制备与形貌表征 14
1. Al(OH)3粉末粒子的表征 14
2.Al(OH)3粒子填充PE的表征 14
（二）PE填充试样的宏观拉伸测试 16
（三）PE填充试样的局域弹性模量 17
1.局域弹性模量表征原理简介 17
2.试样微观区域弹性模量测试 18
3.Al(OH)3单颗粒附近PE弹性模量分析 20
五、总结与展望 22
论文发表情况 23
参考文献 24
致 谢 26
引 言
高分子材料的应用范围非常广泛，比如，日常生活中的塑料盆，建筑材料中的塑料水管，电力工程中各种线缆的绝缘包层等。其中，通信线缆常应用在外界条件较为恶劣的自然或人工环境中，因使用环境和要求所限，包层材料不仅需要有良好的绝缘性、延展性，还要有足够的强度等。
聚乙烯(PE)是一种常见的工业聚合物，绝缘性、延展性相对较好，但强度却存在一些不足。材料应用性能的优化与其微观结构的调控密不可分，作为结晶的聚合物材料，PE的力学性能与其结晶过程中晶区与非晶区的状态有直接关系[1]。影响聚合物结晶生长过程的技术手段主要有外延法、空间受限法、应力法及电场调控法等几种[23]。其中，空间受限法由于具有较强的可操作性以及成本相对低廉等优点，被部分聚合物材料公司所使用。在聚合物材料生产中添加金属粉末可影响其内部凝聚态结构，进而显著改变材料的强度。在PE中填充金属粉末，能够通过聚合物内的异质结构显著影响PE的晶体生长，并借助填充浓度和颗粒大小的调节对晶体生长过程与体系结构进行有效控制。PE材料在其晶体受控生长和微观结构的关系方面已有一些研究者的结果，但如何通过填充工艺设计与填充材料性状选择去提升力学强度，还非常需要系统的研究。
工业生产中，通信电缆复合材料中的成分组成相对较为复杂，包括氢氧化铝(Al(OH)3)和PE外、氢氧化镁(Mg(OH)2)、碳酸钙(CaCO3)、乙烯乙酸乙烯共聚物(EVA)树脂及少量相容剂等。本文主要关注通信电缆外层绝缘材料的力学性能，通过实验测试Al(OH)3的尺寸大小、含量的质量分数对Al(OH)3填充于PE的复合材料的弹性模量性能变化影响，分析改善复合材料力学模量的影响因素。为了研究电缆材料中，无机颗粒成分填充后对PE复合材料的力学性能的影响，本文的实验简化了电缆中的实际复杂成分，仅针对Al(OH)3和PE两种成分的填充体系来进行力学性能的研究。
一、高分子材料背景概述
（一）高分子材料的发展历史
相比于金属材料，人类使用高分子材料有着更悠久的历史，早在数千年前，就已有棉、麻等材料被用于织物中。聚合物严格意义上包含低聚物和高聚物，高分子与聚合物的概念大部分相交叠。一般而言，聚合物代表的是高聚物，因此聚合物在绝大多数情况下和高分子是同义词。高分子材料有天然和非天然之分，天然高分子有较长使用历史，但非天然高分子的出现距今不到两百年，相关分类如图1中所示。
/
图1 高分子材料分类示意图
高分子材料真正被大规模应用，是在人工改性与合成技术发展之后。人们首次大规模改性天然高分子的时间是第一次鸦片战争前夕，天然橡胶有温度高时软温度低时脆的性质，美国人Charles Goodyear在天然橡胶中掺入硫磺并共热后，发现原来橡胶的弹性和可塑性都发生了较大改善，与这大大提升了橡胶的可应用领域，并推动了早期橡胶产业的工业化进程。第一种人造高分子一般认为是在十九世纪六十年代末，美国发明家John Wesley Hyatt利用乙醇、硝酸纤维素及樟脑混合加热，制成了一种被命名为赛璐珞的高分子材料，但这种高分子材料的制造过程中离不开天然纤维素的使用。直到1907年前后，酚醛树脂被美国发明家Leo Baekeland用甲醛和苯酚反应获得，人类才第一次制造出完全人工合成的塑料。在二十世纪五十年代，配位催化聚合技术的出现，让一大批高分子材料能够被工业化生产出来，成为日常生活与建设的基本材料。此后，高分子材料工业与研究领域均处于快速发展中，除了传统材料功能外，至今人们已在生物高分子、功能性高分子等诸多领域取得长足的发展。
目 录
Abstract ii
引 言 1
一、高分子材料背景概述 2
（一）高分子材料的发展历史 2
（二）高分子材料的相关特性 3
1.力学性能 3
2.安全性能 3
3.其他特殊性能 4
二、通信电缆包层材料简介 6
（一）通信电缆包层材料的性能要求 6
（二）PE材料性能简介 6
（三）PE材料的改性 7
1.化学类方法 7
2.物理类方法 7
三、通信电缆PE填充试样实验部分 9
（一）通信电缆应用中的PE填充方法 9
（二）力学性能的测试方法简介 10
1.宏观测试介绍 10
2.微观测试介绍 10
四、通信电缆PE填充实验结果与讨论 14
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
/> （一）PE填充试样的制备与形貌表征 14
1. Al(OH)3粉末粒子的表征 14
2.Al(OH)3粒子填充PE的表征 14
（二）PE填充试样的宏观拉伸测试 16
（三）PE填充试样的局域弹性模量 17
1.局域弹性模量表征原理简介 17
2.试样微观区域弹性模量测试 18
3.Al(OH)3单颗粒附近PE弹性模量分析 20
五、总结与展望 22
论文发表情况 23
参考文献 24
致 谢 26
引 言
高分子材料的应用范围非常广泛，比如，日常生活中的塑料盆，建筑材料中的塑料水管，电力工程中各种线缆的绝缘包层等。其中，通信线缆常应用在外界条件较为恶劣的自然或人工环境中，因使用环境和要求所限，包层材料不仅需要有良好的绝缘性、延展性，还要有足够的强度等。
聚乙烯(PE)是一种常见的工业聚合物，绝缘性、延展性相对较好，但强度却存在一些不足。材料应用性能的优化与其微观结构的调控密不可分，作为结晶的聚合物材料，PE的力学性能与其结晶过程中晶区与非晶区的状态有直接关系[1]。影响聚合物结晶生长过程的技术手段主要有外延法、空间受限法、应力法及电场调控法等几种[23]。其中，空间受限法由于具有较强的可操作性以及成本相对低廉等优点，被部分聚合物材料公司所使用。在聚合物材料生产中添加金属粉末可影响其内部凝聚态结构，进而显著改变材料的强度。在PE中填充金属粉末，能够通过聚合物内的异质结构显著影响PE的晶体生长，并借助填充浓度和颗粒大小的调节对晶体生长过程与体系结构进行有效控制。PE材料在其晶体受控生长和微观结构的关系方面已有一些研究者的结果，但如何通过填充工艺设计与填充材料性状选择去提升力学强度，还非常需要系统的研究。
工业生产中，通信电缆复合材料中的成分组成相对较为复杂，包括氢氧化铝(Al(OH)3)和PE外、氢氧化镁(Mg(OH)2)、碳酸钙(CaCO3)、乙烯乙酸乙烯共聚物(EVA)树脂及少量相容剂等。本文主要关注通信电缆外层绝缘材料的力学性能，通过实验测试Al(OH)3的尺寸大小、含量的质量分数对Al(OH)3填充于PE的复合材料的弹性模量性能变化影响，分析改善复合材料力学模量的影响因素。为了研究电缆材料中，无机颗粒成分填充后对PE复合材料的力学性能的影响，本文的实验简化了电缆中的实际复杂成分，仅针对Al(OH)3和PE两种成分的填充体系来进行力学性能的研究。
一、高分子材料背景概述
（一）高分子材料的发展历史
相比于金属材料，人类使用高分子材料有着更悠久的历史，早在数千年前，就已有棉、麻等材料被用于织物中。聚合物严格意义上包含低聚物和高聚物，高分子与聚合物的概念大部分相交叠。一般而言，聚合物代表的是高聚物，因此聚合物在绝大多数情况下和高分子是同义词。高分子材料有天然和非天然之分，天然高分子有较长使用历史，但非天然高分子的出现距今不到两百年，相关分类如图1中所示。
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图1 高分子材料分类示意图
高分子材料真正被大规模应用，是在人工改性与合成技术发展之后。人们首次大规模改性天然高分子的时间是第一次鸦片战争前夕，天然橡胶有温度高时软温度低时脆的性质，美国人Charles Goodyear在天然橡胶中掺入硫磺并共热后，发现原来橡胶的弹性和可塑性都发生了较大改善，与这大大提升了橡胶的可应用领域，并推动了早期橡胶产业的工业化进程。第一种人造高分子一般认为是在十九世纪六十年代末，美国发明家John Wesley Hyatt利用乙醇、硝酸纤维素及樟脑混合加热，制成了一种被命名为赛璐珞的高分子材料，但这种高分子材料的制造过程中离不开天然纤维素的使用。直到1907年前后，酚醛树脂被美国发明家Leo Baekeland用甲醛和苯酚反应获得，人类才第一次制造出完全人工合成的塑料。在二十世纪五十年代，配位催化聚合技术的出现，让一大批高分子材料能够被工业化生产出来，成为日常生活与建设的基本材料。此后，高分子材料工业与研究领域均处于快速发展中，除了传统材料功能外，至今人们已在生物高分子、功能性高分子等诸多领域取得长足的发展。
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