阻燃劑對低煙無鹵聚烯烴電纜料性能的影響

遲曉紅

摘 要：以EVA/LLDPE/POE共混物為基體，氫氧化鋁（ATH）和氫氧化鎂（MDH）為阻燃劑，采用熔融共混法制備了無鹵阻燃聚烯烴電纜料。采用SEM觀察無機阻燃劑在基體中的分散狀態(tài)，并研究不同種類阻燃劑及其用量對無鹵阻燃電纜料力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和阻燃性能的影響。結(jié)果表明：當ATH和MDH的質(zhì)量比為126∶12時，阻燃劑在聚合物基體中的分散狀態(tài)最佳;隨著阻燃劑用量的增加，復(fù)合材料的力學(xué)性能下降，氧指數(shù)提高;與單一ATH阻燃體系相比，ATH/MDH復(fù)配使材料的熱降解溫度提高，熱穩(wěn)定性增強;ATH/MDH的加入使材料的熱釋放速率峰值和煙生成速率峰值降低，火災(zāi)性能指數(shù)提高，炭層結(jié)構(gòu)更優(yōu)，殘?zhí)苛扛哌_42.74%。

關(guān)鍵詞：無鹵阻燃;熱穩(wěn)定性;氧指數(shù);錐形量熱法;殘?zhí)苛?/p>

引言

隨著工業(yè)的發(fā)展，對電線電纜的需求越來越大，而電線電纜的壓倒性層和護套主要是有機聚合物，這種電線電纜在高壓、熱源、特定溫度、氧濃度等條件下容易引起燃燒，因此電纜材料的阻燃性顯得非常必要

1、概述

隨著我國地鐵、輕軌等城市交通運輸系統(tǒng)的迅速發(fā)展，機車車輛電纜的需求量逐漸增大。為了降低軌道線路發(fā)生火災(zāi)的風險，加強機車車輛電纜運行的安全性成為軌道交通發(fā)展的必然要求。因此，對在密閉性更強的環(huán)境中運行的機車車輛、地鐵所用電纜提出了更高的要求，開發(fā)耐油、耐高低溫、力學(xué)和電氣性能優(yōu)異的低煙無鹵阻燃電纜料成為機車車輛電纜的發(fā)展方向。研究表明，通過添加大量的無機氫氧化物可顯著提高復(fù)合材料的阻燃性能，但通常會降低力學(xué)性能，對無機氫氧化物進行表面改性或添加協(xié)效劑，可使復(fù)合材料的性能得到改善。將硬脂酸改性處理的氫氧化鎂（MDH）加入到乙烯-醋酸乙烯酯共聚物/極低密度聚乙烯（EVA/VLDPE中，發(fā)現(xiàn)硬脂酸可加速MDH的脫水反應(yīng)和減緩基體主鏈降解，促進復(fù)合材料成炭，使其阻燃效率提高。研究發(fā)現(xiàn)，有機硅阻燃增效劑可增強阻燃粉體與基體樹脂的界面作用力，使粉體在基體中分散更均勻，從而提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。將環(huán)氧基有機化合物通過硅烷偶聯(lián)劑KH-550錨固在MDH上，制備了插層接枝的MDH阻燃劑，并將其與EVA共混制備了復(fù)合材料，結(jié)果表明改性的EVA復(fù)合材料斷裂伸長率明顯提高，垂直燃燒性能提高至ULV-0級。影響無鹵阻燃材料性能的因素較多，如阻燃劑添加量、粒徑、種類等。將有機蒙脫土加入到PP/MDH中，發(fā)現(xiàn)隨著蒙脫土用量的增加，引入了雜質(zhì)離子，復(fù)合材料的體積電阻率降低。將可膨脹石墨（EG）與MDH復(fù)配加入到EVA中，發(fā)現(xiàn)隨著EG粒徑和膨脹率的增加，復(fù)合材料的熱分解溫度上升，熱穩(wěn)定性提高。研究發(fā)現(xiàn)氫氧化鋁（ATH）粒徑越小，比表面積越大，活性位置點越多，吸熱脫水反應(yīng)速率越快，EVA/ATH復(fù)合材料的氧指數(shù)越高。研究了三聚氰胺氰尿酸鹽與MDH的阻燃作用，發(fā)現(xiàn)兩者具有協(xié)效性，將其作為填料加入EVA中制備得到的復(fù)合材料氧指數(shù)提升，力學(xué)性能得到改善，斷裂伸長率明顯提高。通常無機阻燃劑的添加量要達到50%以上才能達到良好的阻燃效果，但添加量太高時，其在基體中的分散存在不確定性，而復(fù)合材料的燃燒行為與填料種類、分散狀態(tài)之間關(guān)系的研究報道較少。

2、阻燃劑對低煙無鹵聚烯烴電纜料性能的影響

2.1阻燃劑對電纜料性能的影響

目前，大多數(shù)低煙無鹵聚烯烴電纜都是由氫氧化制成的阻燃劑。為了獲得更好的阻燃性能，氫氧化物的注入量通常應(yīng)大于150，但使用這些聚酰亞胺電纜作為絕緣或護套的小直徑電纜仍不能通過垂直燃燒試驗。磷是一種可大大減少使用量的耐燃燒阻燃劑，但由于其耐水性較低，通常與氮阻燃劑一起使用，形成一種可顯著提高點火效率的膨脹點火系統(tǒng)。然而，磷阻燃劑與樹脂基材的兼容性差，且發(fā)煙量較大， 所以少量添加氫氧化鋁， 可提高填料與基體間的相容性以及降低電纜料燃燒時的煙密度。我們比較了磷p、氮n、Al（OH）3阻燃劑及其組合對聚酰亞胺材料的機械和阻燃性能的影響，以增加110種低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料、各種阻燃劑和復(fù)合阻燃劑。各種阻燃劑和復(fù)合阻燃劑的物質(zhì)特性眾所周知，如果只使用磷或氮阻燃劑，燃燒試驗可能會成功，但材料的力學(xué)性能較低;該材料具有良好的力學(xué)性能，但僅有Al（OH）3阻燃劑的燃燒試驗未能成功;采用磷氮體系防火連接得到機械性能良好的聚烯烴材料，垂直燃燒可達到V-0級，但斷裂伸長率仍不滿足產(chǎn)品要求;與磷阻燃劑、氮等（OH）3聯(lián)合制備的聚烯烴材料不僅具有V-0級阻燃性能，而且還具有一定程度的斷裂延伸，以滿足電纜中使用的聚烯烴材料的力學(xué)性能要求。為了實現(xiàn)添加大量阻燃劑的V-0聚烯烴材料的阻燃效果，樹脂基體與阻燃填料的兼容性較差，通過添加少量EVA-g-MAH增容劑提高阻燃劑與分散樹脂基體間的相容結(jié)合度，使體系分散均勻，進而提高了材料的物理機械性能。

2.2表面處理劑對阻燃劑作用的影響

雖然使用復(fù)合阻燃劑的聚烯烴材料的性能符合產(chǎn)品要求，但材料的性能不穩(wěn)定，主要原因是阻燃劑分布不均。由于系統(tǒng)中添加了大量阻燃材料，有必要處理表面阻燃劑，原因一方面是與基本樹脂的相容性低，阻燃劑的分散程度低，另一方面是有助于聚合和分散的大量點火。表面劑通常有兩個功能組：可吸附在無機填充材料表面的極地功能組和非極地功能組，以及作用于形成弱化學(xué)鍵的非極地功能組和樹脂。這提高了阻燃負荷的分散性，同時減少了聚集灰塵的可能性。我們分別使用硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸、戊四烯和十六醇處理阻燃劑，獲得多聚物材料的性能數(shù)據(jù)。眾所周知，各種表面劑添加的材料的性能無助于提高材料的機械性能，十六醇對材料力學(xué)性能的影響也不大;鈦酸鹽和五氯苯甲醚對提高聚烯烴材料的力學(xué)性能有著顯著影響，這表明用這些物質(zhì)處理的阻燃劑可能更分散 電纜材料通過擠壓獲得鋼絲試驗導(dǎo)體，VW-1燃燒性能試驗表明，得到的兩個導(dǎo)體均不能通過VW-1試驗。 對壓縮電纜材料進行的紅外分析表明，在更換了添加到瀝青中的電纜材料后，氮系統(tǒng)的阻燃劑發(fā)生了斷裂，導(dǎo)致在雙螺桿壓縮過程中混合料溫度升高，導(dǎo)致雙螺桿擠壓過程中混合物溫度升高， 并且擠壓過程的溫度必須嚴格控制。因此，我們嘗試將鈦酸酯和季戊四醇混合對阻燃劑進行處理，用于無鹵素低煙阻燃聚烯烴材料，進一步提高了制備材料的材料性能和力學(xué)性能。且擠包的線材可以通過VW-1測試。

結(jié)束語

（1）隨著阻燃劑填充量的增加，試樣的拉伸強度和斷裂伸長率降低，彈性模量提高，氧指數(shù)提高;而在相近填充量下，填充ATH/MDH復(fù)配阻燃體系試樣的拉伸強度和斷裂伸長率較低，MDH對氧指數(shù)的影響不大。（2）與單一ATH阻燃體系相比，ATH/MDH復(fù)配體系使材料在更寬范圍內(nèi)吸熱分解，生成的金屬氧化物固熔體可與基體樹脂形成多層次的結(jié)構(gòu)層，能有效延緩聚烯烴的熱降解和提高復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性。（3）ATH/MDH復(fù)配具有良好的協(xié)效阻燃作用，使復(fù)合材料的pHRR和pSPR降低、FPI提高。炭層結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與阻燃劑在基體中的分散狀態(tài)有關(guān)，當ATH和MDH的質(zhì)量比為126∶12時，試樣中阻燃劑與基體界面結(jié)合較好，炭層結(jié)構(gòu)更連續(xù)致密，呈現(xiàn)出光滑緊湊的殘余物外觀。

參考文獻：

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