有機(jī)硅粉對(duì)阻燃電纜護(hù)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(yīng)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(jī)硅粉對(duì)阻燃電纜護(hù)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(yīng)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(jī)硅粉作為體系的改性助劑，研究了膨脹型阻燃劑、有機(jī)硅粉對(duì)材料力學(xué)性能、阻燃性能和發(fā)煙性的影響。結(jié)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(qiáng)度和斷裂拉伸應(yīng)變下降。有機(jī)硅粉與APP可產(chǎn)生較好的協(xié)同效應(yīng)，提高氧指數(shù)。經(jīng)煙密度測(cè)試，有機(jī)硅粉在阻燃材料燃燒時(shí)能降低發(fā)煙量。電子顯微鏡掃描結(jié)果表明，有機(jī)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(xué)性能。

有機(jī)硅粉；膨脹型阻燃劑；力學(xué)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(zāi)極易引發(fā)火災(zāi)[1]。電纜在燃燒中會(huì)釋放出大量的濃煙和腐蝕性氣體，煙霧阻擋視線，給火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)逃生帶來(lái)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(zāi)害”的危險(xiǎn)性往往比直接燃燒的危險(xiǎn)性更大[2]。

隨著對(duì)阻燃產(chǎn)品的環(huán)境安全性和使用安全性要求日趨嚴(yán)格，低煙無(wú)鹵阻燃材料的研制和使用成為國(guó)內(nèi)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(wú)鹵阻燃體系，具有填充量少、阻燃效果好的優(yōu)點(diǎn)[4]。IFR阻燃高分子材料時(shí)，會(huì)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(nèi)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(qiáng)脫水劑與阻燃體系中的成炭物質(zhì)發(fā)生脫水作用而形成單質(zhì)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(dá)到阻燃的目的[5]。

將微膠囊化應(yīng)用于阻燃劑中，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)。微膠囊化的實(shí)質(zhì)是把阻燃劑粉碎分散成微粒后，用有機(jī)物或無(wú)機(jī)物進(jìn)行包囊，形成微膠囊阻燃劑，或以表面很大的無(wú)機(jī)物為載體，將阻燃劑吸附在這些無(wú)機(jī)物載體的空隙中，形成蜂窩式微膠囊阻燃劑[6]。同時(shí)，微膠囊化可大幅度減少阻燃劑粉末的吸濕性，降低團(tuán)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(hù)套的情況，本文采用微膠囊化聚磷酸銨（APP）阻燃LDPE-EVA-POE復(fù)合型基材，對(duì)復(fù)合材料的阻燃性能和力學(xué)性能進(jìn)行探討，并研究有機(jī)硅粉對(duì)復(fù)合材料的影響。

1　試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)原料

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

1.2主要設(shè)備

開煉機(jī)，SK160B，無(wú)錫橡膠機(jī)械有限公司；平板硫化機(jī)，QLB100T，南海通海利特橡塑機(jī)械有限公司；微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，CMT4104，美斯特工業(yè)系統(tǒng)（中國(guó)）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(guó)蔡司公司。

1.3樣品制備

其次，物業(yè)服務(wù)企業(yè)與業(yè)主作為物業(yè)服務(wù)合同的雙方當(dāng)事人，在履行合同義務(wù)時(shí)都應(yīng)當(dāng)遵循全面履行的原則，本著促使合同內(nèi)容得以實(shí)現(xiàn)的目的，不能因?yàn)橐环铰男羞^程中存在瑕疵而減輕甚至免除自己的義務(wù)。物業(yè)服務(wù)企業(yè)提供的物業(yè)管理服務(wù)的種類多種多樣，如果物業(yè)服務(wù)企業(yè)已經(jīng)合格履行了大部分義務(wù)，只是某項(xiàng)服務(wù)工作做的差強(qiáng)人意，但只要該瑕疵不影響物業(yè)服務(wù)合同目的的實(shí)現(xiàn)，業(yè)主就只能就存在瑕疵的服務(wù)項(xiàng)目行使抗辯權(quán)。

雙輥開煉機(jī)的實(shí)測(cè)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(jī)硅粉混合物，混煉均勻后下片。按照力學(xué)性能和極限氧指數(shù)測(cè)試的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在平板硫化機(jī)上模壓相應(yīng)厚度的樣片，用專用刀具裁切成規(guī)定的樣條。

1.4性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

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

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1APP對(duì)電纜護(hù)套管復(fù)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(diǎn)，已成為阻燃技術(shù)研究領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)。本文選用的高聚合度、晶型Ⅱ和微膠囊包覆的APP進(jìn)行阻燃研究。

首先研究APP在不同添加量的情況下對(duì)LDPEEVA-POE復(fù)合材料阻燃性能的影響，并進(jìn)行拉伸強(qiáng)度、氧指數(shù)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1　APP不同添加量對(duì)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(jī)械性能下降嚴(yán)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(shí)，兩種材料間的相容性和結(jié)合性較差，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度和斷裂拉伸應(yīng)變下降明顯。

2.2有機(jī)硅粉對(duì)電纜護(hù)套管復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響

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

有機(jī)硅粉對(duì)電纜護(hù)套管復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖1所示。圖1試驗(yàn)結(jié)果表明，有機(jī)硅粉改善了阻燃材料的拉伸強(qiáng)度，但隨著添加量的升高，又有下降的趨勢(shì)。推測(cè)其原因可能是有機(jī)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(qiáng)度和斷裂應(yīng)變；但有機(jī)硅粉的含量過高時(shí)，混煉過程中無(wú)法均勻分散到納米級(jí)，從而發(fā)生了團(tuán)聚，降低了材料的柔韌性，在拉伸過程中，造成應(yīng)力集中，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)張成裂縫引發(fā)斷裂，從而降低了拉伸強(qiáng)度及斷裂應(yīng)變。

圖1　有機(jī)硅粉添加量對(duì)拉伸強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變的影響

2.2.1有機(jī)硅粉對(duì)電纜護(hù)套管復(fù)合材料SEM分析

圖2是基材-APP和基材-APP-有機(jī)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(tuán)聚現(xiàn)象產(chǎn)生，且粒子表面光滑，說(shuō)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(jī)硅粉后，黏結(jié)力顯著增強(qiáng)，大多數(shù)APP顆粒被基材所包覆，團(tuán)聚體現(xiàn)象減少，粒徑也變小，分散性明顯改善，表明有機(jī)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(xué)性能。

2.2.2有機(jī)硅粉對(duì)電纜護(hù)套管復(fù)合材料氧指數(shù)影響

圖3　有機(jī)硅粉添加量對(duì)氧指數(shù)的影響

經(jīng)試驗(yàn)表明，當(dāng)有機(jī)硅粉添加量為2%時(shí)，其對(duì)阻燃材料的氧指數(shù)影響不大，但隨著有機(jī)硅粉添加量的增加有先降低后升高的趨勢(shì)，如圖3所示。其原因可能是有機(jī)硅粉的少量加入，并不會(huì)與主阻燃劑形成良好的協(xié)效作用，反而在一定程度上對(duì)材料的阻燃性能產(chǎn)生負(fù)面影響。但在添加一定比例后（約8%～10%），有機(jī)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(jī)硅粉具有吸熱、降低熱釋放速率的作用，并可促進(jìn)基體樹脂的分解和脫水，能強(qiáng)化聚合物的脫氫炭化作用。此外，有機(jī)硅粉在燃燒時(shí)生成二氧化硅，可為APP燃燒時(shí)補(bǔ)充碳源，形成阻燃隔離層，進(jìn)而提高材料的氧指數(shù)。

2.2.3有機(jī)硅粉對(duì)電纜護(hù)套管復(fù)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(jié)物等懸浮在空氣中的微小粒子[7]。材料的發(fā)煙性評(píng)定通常用煙密度箱試驗(yàn)的方法，使用一個(gè)密閉燃燒試驗(yàn)箱，通過試樣的無(wú)焰受熱分解或有焰燃燒，借助于光學(xué)的方法，測(cè)量煙霧積聚而產(chǎn)生的光束的衰減。試驗(yàn)結(jié)果用SDR表示。SDR越大，表示燃燒生成的煙濃度越大。有機(jī)硅粉對(duì)煙密度的影響如圖4所示。

圖4　有機(jī)硅粉對(duì)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(jī)硅粉后，對(duì)基體材料燃燒的消煙效果明顯，煙密度下降約30%。分析有機(jī)硅粉的消煙機(jī)理，一方面是其燃燒時(shí)促進(jìn)APP脫水并吸收熱量，因?yàn)闊岬南?huì)減少熱解而有利于交聯(lián)反應(yīng)的發(fā)生；另一方面是其在燃燒時(shí)有機(jī)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(jié)論

膨脹型阻燃劑APP對(duì)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(jī)械性能下降明顯。本項(xiàng)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(jī)硅粉后，可有效改善因加入阻燃劑而引起的機(jī)械性能下降現(xiàn)象，但隨添加量的增高，“團(tuán)聚效應(yīng)”明顯，拉伸強(qiáng)度有下降趨勢(shì)。有機(jī)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。

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

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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(fù)合改性。