阻燃剂对低烟无卤聚烯烃电缆料性能的影响

迟晓红

摘 要：以EVA/LLDPE/POE共混物为基体，氢氧化铝（ATH）和氢氧化镁（MDH）为阻燃剂，采用熔融共混法制备了无卤阻燃聚烯烃电缆料。采用SEM观察无机阻燃剂在基体中的分散状态，并研究不同种类阻燃剂及其用量对无卤阻燃电缆料力学性能、热稳定性和阻燃性能的影响。结果表明：当ATH和MDH的质量比为126∶12时，阻燃剂在聚合物基体中的分散状态最佳;随着阻燃剂用量的增加，复合材料的力学性能下降，氧指数提高;与单一ATH阻燃体系相比，ATH/MDH复配使材料的热降解温度提高，热稳定性增强;ATH/MDH的加入使材料的热释放速率峰值和烟生成速率峰值降低，火灾性能指数提高，炭层结构更优，残炭量高达42.74%。

关键词：无卤阻燃;热稳定性;氧指数;锥形量热法;残炭量

引言

随着工业的发展，对电线电缆的需求越来越大，而电线电缆的压倒性层和护套主要是有机聚合物，这种电线电缆在高压、热源、特定温度、氧浓度等条件下容易引起燃烧，因此电缆材料的阻燃性显得非常必要

1、概述

随着我国地铁、轻轨等城市交通运输系统的迅速发展，机车车辆电缆的需求量逐渐增大。為了降低轨道线路发生火灾的风险，加强机车车辆电缆运行的安全性成为轨道交通发展的必然要求。因此，对在密闭性更强的环境中运行的机车车辆、地铁所用电缆提出了更高的要求，开发耐油、耐高低温、力学和电气性能优异的低烟无卤阻燃电缆料成为机车车辆电缆的发展方向。研究表明，通过添加大量的无机氢氧化物可显著提高复合材料的阻燃性能，但通常会降低力学性能，对无机氢氧化物进行表面改性或添加协效剂，可使复合材料的性能得到改善。将硬脂酸改性处理的氢氧化镁（MDH）加入到乙烯-醋酸乙烯酯共聚物/极低密度聚乙烯（EVA/VLDPE中，发现硬脂酸可加速MDH的脱水反应和减缓基体主链降解，促进复合材料成炭，使其阻燃效率提高。研究发现，有机硅阻燃增效剂可增强阻燃粉体与基体树脂的界面作用力，使粉体在基体中分散更均匀，从而提高复合材料的力学性能。将环氧基有机化合物通过硅烷偶联剂KH-550锚固在MDH上，制备了插层接枝的MDH阻燃剂，并将其与EVA共混制备了复合材料，结果表明改性的EVA复合材料断裂伸长率明显提高，垂直燃烧性能提高至ULV-0级。影响无卤阻燃材料性能的因素较多，如阻燃剂添加量、粒径、种类等。将有机蒙脱土加入到PP/MDH中，发现随着蒙脱土用量的增加，引入了杂质离子，复合材料的体积电阻率降低。将可膨胀石墨（EG）与MDH复配加入到EVA中，发现随着EG粒径和膨胀率的增加，复合材料的热分解温度上升，热稳定性提高。研究发现氢氧化铝（ATH）粒径越小，比表面积越大，活性位置点越多，吸热脱水反应速率越快，EVA/ATH复合材料的氧指数越高。研究了三聚氰胺氰尿酸盐与MDH的阻燃作用，发现两者具有协效性，将其作为填料加入EVA中制备得到的复合材料氧指数提升，力学性能得到改善，断裂伸长率明显提高。通常无机阻燃剂的添加量要达到50%以上才能达到良好的阻燃效果，但添加量太高时，其在基体中的分散存在不确定性，而复合材料的燃烧行为与填料种类、分散状态之间关系的研究报道较少。

2、阻燃剂对低烟无卤聚烯烃电缆料性能的影响

2.1阻燃剂对电缆料性能的影响

目前，大多数低烟无卤聚烯烃电缆都是由氢氧化制成的阻燃剂。为了获得更好的阻燃性能，氢氧化物的注入量通常应大于150，但使用这些聚酰亚胺电缆作为绝缘或护套的小直径电缆仍不能通过垂直燃烧试验。磷是一种可大大减少使用量的耐燃烧阻燃剂，但由于其耐水性较低，通常与氮阻燃剂一起使用，形成一种可显着提高点火效率的膨胀点火系统。然而，磷阻燃剂与树脂基材的兼容性差，且发烟量较大， 所以少量添加氢氧化铝， 可提高填料与基体间的相容性以及降低电缆料燃烧时的烟密度。我们比较了磷p、氮n、Al（OH）3阻燃剂及其组合对聚酰亚胺材料的机械和阻燃性能的影响，以增加110种低烟无卤阻燃聚烯烃电缆料、各种阻燃剂和复合阻燃剂。各种阻燃剂和复合阻燃剂的物质特性众所周知，如果只使用磷或氮阻燃剂，燃烧试验可能会成功，但材料的力学性能较低;该材料具有良好的力学性能，但仅有Al（OH）3阻燃剂的燃烧试验未能成功;采用磷氮体系防火连接得到机械性能良好的聚烯烃材料，垂直燃烧可达到V-0级，但断裂伸长率仍不满足产品要求;与磷阻燃剂、氮等（OH）3联合制备的聚烯烃材料不仅具有V-0级阻燃性能，而且还具有一定程度的断裂延伸，以满足电缆中使用的聚烯烃材料的力学性能要求。为了实现添加大量阻燃剂的V-0聚烯烃材料的阻燃效果，树脂基体与阻燃填料的兼容性较差，通过添加少量EVA-g-MAH增容剂提高阻燃剂与分散树脂基体间的相容结合度，使体系分散均匀，进而提高了材料的物理机械性能。

2.2表面处理剂对阻燃剂作用的影响

虽然使用复合阻燃剂的聚烯烃材料的性能符合产品要求，但材料的性能不稳定，主要原因是阻燃剂分布不均。由于系统中添加了大量阻燃材料，有必要处理表面阻燃剂，原因一方面是与基本树脂的相容性低，阻燃剂的分散程度低，另一方面是有助于聚合和分散的大量点火。表面剂通常有两个功能组：可吸附在无机填充材料表面的极地功能组和非极地功能组，以及作用于形成弱化学键的非极地功能组和树脂。这提高了阻燃负荷的分散性，同时减少了聚集灰尘的可能性。我们分别使用硅烷偶联剂、钛酸、戊四烯和十六醇处理阻燃剂，获得多聚物材料的性能数据。众所周知，各种表面剂添加的材料的性能无助于提高材料的机械性能，十六醇对材料力学性能的影响也不大;钛酸盐和五氯苯甲醚对提高聚烯烃材料的力学性能有着显着影响，这表明用这些物质处理的阻燃剂可能更分散 电缆材料通过挤压获得钢丝试验导体，VW-1燃烧性能试验表明，得到的两个导体均不能通过VW-1试验。 对压缩电缆材料进行的红外分析表明，在更换了添加到沥青中的电缆材料后，氮系统的阻燃剂发生了断裂，导致在双螺杆压缩过程中混合料温度升高，导致双螺杆挤压过程中混合物温度升高， 并且挤压过程的温度必须严格控制。因此，我们尝试将钛酸酯和季戊四醇混合对阻燃剂进行处理，用于无卤素低烟阻燃聚烯烃材料，进一步提高了制备材料的材料性能和力学性能。且挤包的线材可以通过VW-1测试。

结束语

（1）随着阻燃剂填充量的增加，试样的拉伸强度和断裂伸长率降低，弹性模量提高，氧指数提高;而在相近填充量下，填充ATH/MDH复配阻燃体系试样的拉伸强度和断裂伸长率较低，MDH对氧指数的影响不大。（2）与单一ATH阻燃体系相比，ATH/MDH复配体系使材料在更宽范围内吸热分解，生成的金属氧化物固熔体可与基体树脂形成多层次的结构层，能有效延缓聚烯烃的热降解和提高复合材料的热稳定性。（3）ATH/MDH复配具有良好的协效阻燃作用，使复合材料的pHRR和pSPR降低、FPI提高。炭层结构的质量与阻燃剂在基体中的分散状态有关，当ATH和MDH的质量比为126∶12时，试样中阻燃剂与基体界面结合较好，炭层结构更连续致密，呈现出光滑紧凑的残余物外观。

参考文献：

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