室溫硅烷交聯型低煙無鹵阻燃電纜料的研制

郭偉杰

摘要：主要進行一種室溫硅烷交聯型低煙無鹵阻燃電纜料的研究，將低煙無鹵的阻燃性和硅烷交聯電纜料因為交聯結構形成的優良電氣性能、物理性能等優點相結合，并且實現電纜成品在自然條件下放置一段時間可以自發進行交聯反應，降低電纜蒸煮能耗，實現環保型產品對傳統電纜料產品的替代。在實驗過程中還研究了不同填料含量對產品力學性能的效果，以及不同的催化劑對交聯速度以及電纜表面光潔度的影響。

關鍵詞：低煙無鹵；室溫硅烷交聯；阻燃；電纜料

本課題希望研發一種室溫硅烷交聯型低煙無鹵阻燃電纜料，它與硅烷交聯聚乙烯一樣，A、B料混合后擠出電纜即可，最大的特點是能夠在室溫條件下經過一定時間后自然交聯，并且具有良好的阻燃性能。本實驗以線性低密度聚乙烯為主要原料，經接枝加工后再加入阻燃劑、潤滑劑和抗銅劑等，以不同配比在密煉機中進行共混，制備出具有阻燃性能的阻燃A料，同時將催化劑、抗氧劑等加入聚乙烯樹脂加工成催化劑母料B料。制造電纜時將A、B料按一定比例混合后擠出即可，生產出的電纜能夠在室溫條件下經過一定時間后自然交聯，具有良好的電氣性能。

1實驗部分

1.1試樣制備

1.1.1接枝聚乙烯材料的制備根據我們所要求的材料性能，本產品的工作溫度，以及普及多年的兩步法硅烷交聯聚乙烯絕緣料的配方，我們選用LLDPE和LDPE混合作為主要基材，接枝交聯劑選用乙烯基三甲氧基硅烷，通過雙螺桿擠出機擠出樹脂的同時按一定量加入，擠出造粒即可得到接枝聚乙烯材料。

1.1.2阻燃A料的制備將接枝聚乙烯材料和阻燃劑以及各種助劑等材料準確稱量后加入密煉機，密煉時間10～20min，密煉溫度130～140℃，密煉完成后進入雙螺桿擠出機，經過擠出造粒冷卻后得到阻燃A料。

1.1.3催化母料B料的制備將低密度聚乙烯、催化劑、和抗氧劑按配方稱好后加入高速混合機混合均勻后一起加入雙螺桿擠出機，經過水冷拉條切粒，干燥后得到催化母料B料。

1.1.4A、B料混合擠出制備樣品在阻燃A料和催化母料B料均制備完成后，即可進行擠出實驗，將阻燃A料和B料按一定比例混合均勻后在小型擠出機上擠出制片，要求厚度在（1.0±0.1）mm，在擠出模口采用壓輥軋光試樣，取其中部分片材裁成小段后用平板硫化機壓制成3mm厚的片材，用專用工具裁成氧指數測試樣條，然后在在自然條件下（（23±2）℃，濕度>50%）放置72小時后進行各項性能測試。

2測試結果分析

2.1交聯劑比例對接枝聚乙烯交聯度的影響

制備硅烷交聯聚乙烯主要包含兩個過程：接枝和交聯。在接枝過程中，聚合物在過氧化物引發劑的自由基作用下，失去叔碳原子上的H原子產生自由基，該自由基與乙烯基硅烷的-CH=CH2基反應，生成含有三氧基硅酯基的接枝聚合物。在交聯過程中，接枝聚合物首先在水的作用下發生水解生成硅醇，-OH與鄰近的Si-O-H基團縮合形成Si-O-Si鍵，從而使聚合物大分子間產生交聯。本實驗獨創的工藝流程中的第一個步驟就是制備接枝聚乙烯。采用雙螺桿雙階造粒機，首先按比例準確混合LDPE和LLDPE兩種樹脂，同時將交聯劑DCP和抗氧劑混合加入乙烯基三甲氧基硅烷中混合均勻，溶解后形成復配硅烷待用。然后將混合樹脂根據擠出速度按量投入雙螺桿擠出機料斗中，通過調節硅烷注射槍來調節復配硅烷的加入量，然后經過擠出造粒即得到接枝聚乙烯材料。

2.2填料種類及含量對材料性能的影響

根據國家標準GB/T32129-2015對本材料的性能要求，制備阻燃A料的主要目的是使材料的阻燃性能達到要求，并且在一定條件下能進行交聯反應，同時其他機械性能、電氣性能也必須在合格范圍內。阻燃劑的種類和加入量對材料的阻燃性能有著決定性的影響，所以需要對配方進行多次調試。

氫氧化鋁具有十分良好的阻燃抑煙效果，且由于分解溫度高于一般聚烯烴加工溫度，價格低廉，在低煙無鹵阻燃電纜料中使用量最大，但由于本實驗材料是硅烷交聯類型，而氫氧化鋁中由于-OH含量較高并且易吸收水分，對硅烷的交聯反應有促進作用，所以添加大量氫氧化鋁的材料在擠出過程中容易產生預交聯，影響電纜的加工性能和表面光潔度，作者經過多次試驗最終采取了多種阻燃劑復配的填料體系。實驗結果表明，隨著磷氮阻燃劑比例的增加，材料的氧指數提高，并且預交聯時間大大的延長，但由于磷氮阻燃劑成本較高，而實際生產中僅需要保證預交聯時間大于20min即可，所以磷氮阻燃劑用量為20～40份可以使材料具有較為優良的性能。

2.3相容劑對阻燃A料力學性能的影響

在制備低煙無鹵阻燃材料的過程中，為了達到較好的阻燃效果，往往阻燃填料的添加量很大，這會引起材料的機械性能大幅下降，一般采用各種手段提高阻燃劑與樹脂體系間的相容結合程度，改善體系的分散塑化效果，以此來有效提高材料的物理機械性能。由于本實驗所制備的材料需要在最后才進行硅烷交聯反應，所以不適合用硅烷類偶聯劑進行填料處理來提高物理性能。本實驗采取增加馬來酸酐接枝聚乙烯相容劑來提高無機填料和樹脂之間的結合強度，由此來提高材料整體的物理機械性能。本實驗研究了不同相容劑用量的情況下對材料力學性能的影響。

2.4 不同催化劑對材料自然條件下交聯速度的影響

室溫硅烷交聯型低煙無鹵阻燃電纜料在生產成電纜以后在自然條件下的交聯速度，跟催化母粒B料有著極大的關系，催化劑在電纜加工溫度下的反應速度越快，后面電纜的交聯速度越快，但當交聯速度太快，以至于在加工過程中就已經完成交聯反應時，則會造成電纜表面出現不光滑的現象，本產品要求達到電纜在自然條件下能夠盡快交聯的同時保證電纜加工過程中表面情況良好。

2.5 室溫交聯型無鹵阻燃硅烷絕緣料的性能

本實驗通過研究不同材料組分對材料力學性能和電氣性能的影響，以及對電纜料擠出工藝性能的影響，經過多次對配方及工藝的調整，制備出了各項性能均能達到電線電纜相關標準要求的材料，測得性能。

3結論

（1）硅烷接枝聚乙烯材料的制備過程中硅烷和催化劑的比例需要相互配合，并且催化劑的品種在硅烷交聯聚烯烴電纜料的制備中，必須保證有機錫催化劑和硅烷的最佳配比，本實驗進行了不同品種催化劑以及復配催化劑交聯反應速度的對比試驗。對于材料制成電纜后在室溫條件下的交聯速度有很大影響，采用復合催化劑可得到最佳效果。（2）大量使用氫氧化鋁作為阻燃填料容易引起預交聯，對產品的擠出表面有所影響，需要將氫氧化鋁和其他非金屬氫氧化物的阻燃劑配合使用，并且氫氧化鋁含量不能超過30%。（3）加入相容劑馬來酸酐接枝聚乙烯能改善阻燃填料與基體樹脂的界面結合強度，從而有效提升材料的力學性能，但添加量有一個最佳范圍，本試驗中的最佳添加量為7.5%～12.5%。

參考文獻：

[1]張顯友，韓志東，吳澤.硅烷交聯阻燃聚烯烴電纜料的研究[J].絕緣材料通訊，2000，1：15-19.

（作者單位：南京中超新材料股份有限公司）