有機硅粉對阻燃電纜護套管性能的研究

湯偉，侯欣鵬，李建君，龐艷鐸

（1.北京市射線應用研究中心，北京100015；2.北京富迪創(chuàng)業(yè)科技有限公司，北京101318）

有機硅粉對阻燃電纜護套管性能的研究

湯偉1，侯欣鵬2，李建君2，龐艷鐸2

（1.北京市射線應用研究中心，北京100015；2.北京富迪創(chuàng)業(yè)科技有限公司，北京101318）

以低密度聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯、聚烯烴彈性體（LDPE-EVA-PO E）共混為主體基體，膨脹型阻燃劑聚磷酸銨（APP）為主阻燃劑，使用有機硅粉作為體系的改性助劑，研究了膨脹型阻燃劑、有機硅粉對材料力學性能、阻燃性能和發(fā)煙性的影響。結果表明，隨著APP含量的增加，材料的阻燃性明顯增加，但拉伸強度和斷裂拉伸應變下降。有機硅粉與APP可產(chǎn)生較好的協(xié)同效應，提高氧指數(shù)。經(jīng)煙密度測試，有機硅粉在阻燃材料燃燒時能降低發(fā)煙量。電子顯微鏡掃描結果表明，有機硅粉有助于阻燃劑在基體材料中的分散，提高阻燃材料的力學性能。

有機硅粉；膨脹型阻燃劑；力學性能；發(fā)煙性

通常情況下，電線電纜外層選用的高分子合成材料極易燃燒，電線電纜傳輸能量中的自身發(fā)熱或外部火災極易引發(fā)火災[1]。電纜在燃燒中會釋放出大量的濃煙和腐蝕性氣體，煙霧阻擋視線，給火災現(xiàn)場逃生帶來困難；毒性氣體使人窒息，危及人的生命安全。這種潛在的“二次災害”的危險性往往比直接燃燒的危險性更大[2]。

隨著對阻燃產(chǎn)品的環(huán)境安全性和使用安全性要求日趨嚴格，低煙無鹵阻燃材料的研制和使用成為國內外電線電纜的研發(fā)方向之一，磷-銨類阻燃劑以其多方面的優(yōu)越性能，成為發(fā)展的主要方向[3]。膨脹型阻燃劑（IFR）是一種高效無鹵阻燃體系，具有填充量少、阻燃效果好的優(yōu)點[4]。IFR阻燃高分子材料時，會在聚合物的燃燒表面形成一層多孔膨脹炭層，此炭層可阻止熱量和氧氣向內部聚合物基材的傳遞，大大降低聚合物的熱降解速度，減少產(chǎn)生的可燃性氣體量。

高聚合度的聚磷酸銨（APP）可作為阻燃體系的酸源和氣源，APP在高溫條件下受熱脫水生成聚磷酸或偏磷酸，可作為強脫水劑與阻燃體系中的成炭物質發(fā)生脫水作用而形成單質碳層，通過氣源所產(chǎn)生的不燃性氣體的作用形成膨脹碳層起到隔絕空氣、阻隔火源，達到阻燃的目的[5]。

將微膠囊化應用于阻燃劑中，是近年來發(fā)展起來的一項新技術。微膠囊化的實質是把阻燃劑粉碎分散成微粒后，用有機物或無機物進行包囊，形成微膠囊阻燃劑，或以表面很大的無機物為載體，將阻燃劑吸附在這些無機物載體的空隙中，形成蜂窩式微膠囊阻燃劑[6]。同時，微膠囊化可大幅度減少阻燃劑粉末的吸濕性，降低團聚發(fā)生概率，有利于在高分子基材中分散。

為研究IFR阻燃電纜護套的情況，本文采用微膠囊化聚磷酸銨（APP）阻燃LDPE-EVA-POE復合型基材，對復合材料的阻燃性能和力學性能進行探討，并研究有機硅粉對復合材料的影響。

1　試驗部分

1.1試驗原料

低密度聚乙烯LDPE：1I2A-1，北京燕山石油化學工業(yè)公司；EVA，14-2，北京東方石油化工有限公司有機化工廠；POE，ENGAGE8150，陶氏化學公司；微膠囊化聚磷酸銨（APP）：AP462，德國克萊恩公司；有機硅粉：硅氧烷4-7081，道康寧公司。

1.2主要設備

開煉機，SK160B，無錫橡膠機械有限公司；平板硫化機，QLB100T，南海通海利特橡塑機械有限公司；微機控制電子萬能試驗機，CMT4104，美斯特工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司；臨界氧指數(shù)儀，EA04，意大利Noselab-ATS公司；掃描電子顯微鏡EVO18，德國蔡司公司。

1.3樣品制備

其次，物業(yè)服務企業(yè)與業(yè)主作為物業(yè)服務合同的雙方當事人，在履行合同義務時都應當遵循全面履行的原則，本著促使合同內容得以實現(xiàn)的目的，不能因為一方履行過程中存在瑕疵而減輕甚至免除自己的義務。物業(yè)服務企業(yè)提供的物業(yè)管理服務的種類多種多樣，如果物業(yè)服務企業(yè)已經(jīng)合格履行了大部分義務，只是某項服務工作做的差強人意，但只要該瑕疵不影響物業(yè)服務合同目的的實現(xiàn)，業(yè)主就只能就存在瑕疵的服務項目行使抗辯權。

雙輥開煉機的實測溫度控制在（135±5）℃，先按順序加入基體樹脂，待其充分熔融、混合均勻后，加入其他功能助劑繼續(xù)混合，最后加入阻燃劑、有機硅粉混合物，混煉均勻后下片。按照力學性能和極限氧指數(shù)測試的國家標準，在平板硫化機上模壓相應厚度的樣片，用專用刀具裁切成規(guī)定的樣條。

1.4性能測試與結構表征

按照GB/T2406.2-2009測試樣條的極限氧指數(shù)的測定；按照GB/T1040-2006進行拉伸性能的測定；按照GB/T832.2-2008進行煙密度測定；使用SEM噴碳觀察斷面，并拍照。

2　試驗結果與討論

2.1APP對電纜護套管復合材料性能的影響

APP是膨脹型阻燃劑的重要組成部分，具有酸源及氣源雙重功能，由于具有含磷量高、含氮量多、熱穩(wěn)定性好、近于中性和阻燃效果好等優(yōu)點，已成為阻燃技術研究領域中的一個熱點。本文選用的高聚合度、晶型Ⅱ和微膠囊包覆的APP進行阻燃研究。

首先研究APP在不同添加量的情況下對LDPEEVA-POE復合材料阻燃性能的影響，并進行拉伸強度、氧指數(shù)測試，試驗結果見表1。

表1　APP不同添加量對材料的影響

從表1可見，在阻燃方面，加入APP后，材料的阻燃效果顯著提高，且隨著添加量的增加，氧指數(shù)持續(xù)提高。但隨著APP的含量增加，材料的物理機械性能下降嚴重，原因可能為微膠囊包覆化的APP雖使阻燃劑的表面得到一定程度的改善，但在填充基材等非極性材料時，兩種材料間的相容性和結合性較差，導致拉伸強度和斷裂拉伸應變下降明顯。

2.2有機硅粉對電纜護套管復合材料拉伸強度的影響

為研究較大填充量的有機硅粉對材料阻燃和機械性能的影響，選用添加量為90份的配比作進一步研究。

有機硅粉對電纜護套管復合材料拉伸強度測試結果如圖1所示。圖1試驗結果表明，有機硅粉改善了阻燃材料的拉伸強度，但隨著添加量的升高，又有下降的趨勢。推測其原因可能是有機硅粉與基體樹脂有較好的相容性，降低了體系粘度，有利于添加劑顆粒的均勻分散，提高了拉伸強度和斷裂應變；但有機硅粉的含量過高時，混煉過程中無法均勻分散到納米級，從而發(fā)生了團聚，降低了材料的柔韌性，在拉伸過程中，造成應力集中，進而產(chǎn)生裂紋，裂紋擴張成裂縫引發(fā)斷裂，從而降低了拉伸強度及斷裂應變。

圖1　有機硅粉添加量對拉伸強度和斷裂應變的影響

2.2.1有機硅粉對電纜護套管復合材料SEM分析

圖2是基材-APP和基材-APP-有機硅粉兩組阻燃材料的斷面SEM照片。

圖2　阻燃材料斷面SEM照片

從圖2a可以看出，共混物斷面上APP粒子分散不均勻，有團聚現(xiàn)象產(chǎn)生，且粒子表面光滑，說明APP與非極性的基材缺乏界面黏附性，相容性較差。而從圖2b可以看出，加入有機硅粉后，黏結力顯著增強，大多數(shù)APP顆粒被基材所包覆，團聚體現(xiàn)象減少，粒徑也變小，分散性明顯改善，表明有機硅粉的加入改善了APP與基材的界面相容性，從而提高了共混物的力學性能。

2.2.2有機硅粉對電纜護套管復合材料氧指數(shù)影響

圖3　有機硅粉添加量對氧指數(shù)的影響

經(jīng)試驗表明，當有機硅粉添加量為2%時，其對阻燃材料的氧指數(shù)影響不大，但隨著有機硅粉添加量的增加有先降低后升高的趨勢，如圖3所示。其原因可能是有機硅粉的少量加入，并不會與主阻燃劑形成良好的協(xié)效作用，反而在一定程度上對材料的阻燃性能產(chǎn)生負面影響。但在添加一定比例后（約8%～10%），有機硅粉在阻燃體系中和APP產(chǎn)生了協(xié)效作用，使阻燃材料的氧指數(shù)有所提升。分析有可能是由于有機硅粉具有吸熱、降低熱釋放速率的作用，并可促進基體樹脂的分解和脫水，能強化聚合物的脫氫炭化作用。此外，有機硅粉在燃燒時生成二氧化硅，可為APP燃燒時補充碳源，形成阻燃隔離層，進而提高材料的氧指數(shù)。

2.2.3有機硅粉對電纜護套管復合材料煙密度影響

塑料燃燒成煙有黑煙白煙之別。黑煙指在缺氧條件下燃燒氣體產(chǎn)物中懸浮的固體顆粒；白煙是指蒸氣凝結物等懸浮在空氣中的微小粒子[7]。材料的發(fā)煙性評定通常用煙密度箱試驗的方法，使用一個密閉燃燒試驗箱，通過試樣的無焰受熱分解或有焰燃燒，借助于光學的方法，測量煙霧積聚而產(chǎn)生的光束的衰減。試驗結果用SDR表示。SDR越大，表示燃燒生成的煙濃度越大。有機硅粉對煙密度的影響如圖4所示。

圖4　有機硅粉對煙密度的影響

從圖4中可以看出，在APP阻燃體系中加入有機硅粉后，對基體材料燃燒的消煙效果明顯，煙密度下降約30%。分析有機硅粉的消煙機理，一方面是其燃燒時促進APP脫水并吸收熱量，因為熱的消散會減少熱解而有利于交聯(lián)反應的發(fā)生；另一方面是其在燃燒時有機硅向燃燒面富集，生成的二氧化硅隔離層，降低了碳顆粒的散逸，使煙濃度下降。

3　結論

膨脹型阻燃劑APP對LDPE-EVA-POE基材有明顯阻燃效果，且隨著含量的增加阻燃效果更明顯，但材料機械性能下降明顯。本項目選用微膠囊包覆型的阻燃劑，但其與非極性樹脂材料的相容性仍較差。添加有機硅粉后，可有效改善因加入阻燃劑而引起的機械性能下降現(xiàn)象，但隨添加量的增高，“團聚效應”明顯，拉伸強度有下降趨勢。有機硅粉可與膨脹型阻燃劑APP起到阻燃協(xié)效作用，提升了材料的氧指數(shù)，并可明顯減少煙密度。

[1]李云東,劉晨曦,王汝春,等.聚磷酸銨膨脹阻燃劑在PE電纜護套料中的應用[J].云南化工,2009,36(3):08-12.

[2]尹鏑,劉華.低煙無鹵阻燃電纜及其性能研究[J].東北電力技術.2008,29(9):08-11.

[3]李春燕.低煙無鹵阻燃電線電纜料的新進展[J].化工進展,1996,17(5):36-40.

[4]葛力天,黃宏海,伍社毛,等.膨脹型阻燃體系阻燃LDPE性能的研究[J].塑料,2008,37(6):9-11.

[5]程志凌,陳文捷.塑料阻燃劑技術的進展[J].齊魯石油化工,2002,30(1):56-58.

[6]王建祺.無鹵阻燃聚合物基礎與應用[M].北京:科學出版社,2005.

[7]田春明,葉霞,屈紅強,等.Al(OH)3和Mg(OH)2阻燃抑煙劑對軟PVC材料性能的影響[J].河北大學學報(自然科學版),2004,24(3):264-267.

Research on the Properties of Organic Silicon on Flame Retardant Cable Sheath

Tang Wei1,Hou Xin-peng2,Li Jian-jun2,Pang Yan-duo2
(1. Beijing Ray Application Research Center,Beijing 100015; 2. Beijing Fudi Technology Co. Ltd.,Beijing 101318)

In order to research the effect of intumescent flame retardant and organic silicon powder on mechanical properties,flame retardant properties and the smoke,using low density LDPE-EVA-POE blends as the main body,intumescent flame retardant APP as flame retardant,organic silicon powder as modified additives. The results showed that with the increase of the content of APP,the flame retardant property of the material was obviously increased,but the tensile strength and tensile strain decreased. Organic silicon and APP can produce good synergistic effect on improve the oxygen index. The smoke density test showed that organic silicon powder could reduce the amount of smoke in the combustion of flame retardant materials. Scanning electron microscopy results showed that the organic silicon helped flame retardant dispersed and improved the mechanical properties of flame retardant materials.

Organic silicon powder; Intumescent flame retardant; Mechanical properties; Smoking

TM246

A

2096-0387（2016）05-0018-04

湯偉（1987-），男，北京人，本科，助理研究員，研究方向：高分子材料復合改性。