耐高溫型HDPE無鹵阻燃電纜料的研究

曹淵 李譚

摘要：本文使用高密度的聚乙烯（HDPE）、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）、以及耐高溫彈性體、無鹵阻燃劑進行復(fù)配，形成一種耐高溫型HDPE無鹵阻燃電纜料。并針對該種耐高溫型HDPE無鹵阻燃體系進行研究和討論。該體系具有很好的阻燃性，其氧指數(shù)超過30%。同時，通過氧化物交聯(lián)之后，該體系的耐高溫能力也有了很好的提升，能于150℃以下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。針對以上特性，本文分析并探討了共混體系的阻燃效果、電性能、力學(xué)性能和高溫耐受度的影響因素。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：注入阻燃劑的能有效減少共混體系的機械性能，也能有效減少其體積電阻率，使得其阻燃效果和熱老化性有明顯提升，而能承受高溫的樹脂添加和交聯(lián)能提升體系的阻燃效果，強化其熱老化性能。

關(guān)鍵詞：阻燃；交聯(lián)；耐高溫；電纜料

HDPE以其價格便宜、力學(xué)性能出眾、電絕緣性較佳等優(yōu)勢，在電線電纜的絕緣中被廣泛使用。不過它易于燃燒，且不能在高于90℃的環(huán)境下長期使用，導(dǎo)致其在部分環(huán)境下不能使用，故而人們采取了多種方式提升其耐高溫性能，曾試過接枝、注入高性能要換機等來共混改性。

一、實驗步驟

（一）實驗原材料

高密度聚乙烯；

EVA-1，EVA-2，進口；

阻燃劑Al（OH）3，1μm；

耐高溫彈性體母粒；

過氧化二異丙苯、抗氧劑等，市均有售。

（二）實驗設(shè)備和儀器

電子天平、密煉機、微控電子材料試驗機、平板硫化機、恒溫鼓風(fēng)干燥箱、高阻測試儀、氧指數(shù)儀、熱重分析儀。

（三）制備共混體系

按照設(shè)定配方，先把高密度聚乙烯、耐高溫母粒、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）和抗氧劑置于密煉機中，設(shè)置溫度為140℃，每分鐘60轉(zhuǎn)，實施熔融共混5分鐘，使得其和共混物融為一體。最后把混有少量過氧化二異丙苯的二甲酮加入到共混體系當(dāng)中，迅速取料以避免共混料在密煉機中出現(xiàn)的交聯(lián)。

把可交聯(lián)胚料置于平板硫化機中加以硫化，保持模具15MPa壓力和180℃兩個條件，進行十分鐘的硫化和五分鐘的冷壓。就能獲得厚度在3mm上下的交聯(lián)聚烯烴薄片，然后就可以做成各種尺寸的試樣來測定性能。

（四）性能檢測

1.拉伸性能

依據(jù)GB/T1040-1992對啞鈴狀試樣樣品的斷裂伸長率e以及抗拉強度σ進行測試。拉伸速率設(shè)置在每分鐘100mm。

2.恒溫鼓風(fēng)干燥箱老化

將恒溫鼓風(fēng)干燥箱設(shè)置158℃，老化168h，在依據(jù)GB/T1040-1992對樣品率e以及σ進行測試。計算保留率K。

K=A/Q×100% （1）

其中A是老化處理后的拉伸強度，Q為老化前的拉伸強度。

3.氧指數(shù)

依據(jù)GB/T2406-1993對樣本LOI進行測定。

4.體積電阻率

依據(jù)GB/T1410-1989對平行試樣中電流方向的電位梯度和電流密度J之比進行測定。

二、結(jié)果和討論

（一）基本配方的選擇

一般情況下，通常使用添加Al（OH）3，Mg（OH）2等無機粉體替代有機阻燃劑，實現(xiàn)無鹵阻燃的目的。但是，非極性的HDPE與表面強極性的Al（OH）3，Mg（OH）2相容性很差。所以，本實驗采用乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）來作為基料。實驗配方如表1所示。

通過加工溫度變化可以看出，由于EVA-2改善了HDPE與Al（OH）3的共混效果，加工性能明顯好轉(zhuǎn)。

注：交聯(lián)前為配方的共混體系；交聯(lián)后為過氧化物DCP加入0.5%的交聯(lián)體系。

（二）力學(xué)性能的影響因素

在表1所示力學(xué)性能測試中發(fā)現(xiàn)，高密度聚乙烯/耐高溫母粒/ Al（OH）3三元共混體系的相容性較差，力學(xué)性能嚴(yán)重下降。交聯(lián)后盡管拉伸強度顯著增加，不過斷裂伸長率卻嚴(yán)重下降，所以應(yīng)加入相容劑。

（三）阻燃性能的影響因素

電纜使用的高分子材料都屬于可燃類，氧指數(shù)基本小于20%。所以，一般工業(yè)上都通過加入阻燃劑的方式來達到阻燃的目的。在調(diào)整Al（OH）3用量后發(fā)現(xiàn)，沒有阻燃劑的高密度聚乙烯/乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）共混體系的氧指數(shù)僅有18.1%，易于在空氣中燃燒，但在Al（OH）3的添加量為20份時，氧指數(shù)就升至22.7%（一般氧指數(shù)大于27%的可看做是阻燃性材料），所以無鹵阻燃劑有著較小的阻燃效率。共混體系中混入10份耐高溫母粒后，氧指數(shù)有了顯著改善，Al（OH）3添加量為20份，氧指數(shù)將為32.4%，表明耐高溫母粒和阻燃劑能夠起到協(xié)同效果。

同時，編號B，C的各項氧指數(shù)沒有明顯差異?？梢钥闯?，交聯(lián)與否對阻燃性幾乎沒有影響。

（四）耐高溫性能的影響因素

耐高溫性能是電纜料的一項重要評價指標(biāo)，一般通過高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的烘箱老化試驗測得。如表1的實驗結(jié)果所示，在158℃，168h的老化試驗后，交聯(lián)后樣片拉伸強度和斷裂伸長率的保留率>70%，說明該樣品的耐溫等級達到150℃。

究其原因，配方中抗氧體系具有很好的熱穩(wěn)定性，經(jīng)過交聯(lián)后，抗氧體系沒有遭到破壞，在老化之后，各項力學(xué)性能仍有較高的保留率。

（五）該配方體系對電性能的影響

下圖展示了Al（OH）3使用量對共混體系交聯(lián)前后ρv的影響。下圖中可得知，伴隨著Al（OH）3使用量的增多，共混體系ρv有下降趨勢。這是因為阻燃劑是表面形態(tài)差異較大且表面具有強極性的無規(guī)狀粉末，同時高溫?zé)崽幚硪矡o法完全去除水分以及其他的極性雜質(zhì)，這些極性基團都會在高溫狀態(tài)下導(dǎo)致其他離子雜質(zhì)離解。

三、結(jié)論

一，在HDPE/耐高溫母粒的基料配方體系中，乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）能夠提升其力學(xué)性能和加工性能。

二，耐高溫母粒-Al（OH）3阻燃體系能夠起到協(xié)同效果，使配方體系的阻燃性能顯著提升。

三，該抗氧劑體系有很好的熱穩(wěn)定性，使該配方體系滿足150℃耐溫等級。

四，Al（OH）3能讓共混體系的體積電阻率ρv下降，交聯(lián)后則略有提升。