TCPP阻燃劑在PVC阻燃電線電纜料中的應(yīng)用

夏銳 沈超 曾揚 聶矗 楊軍 王翔

(貴州正業(yè)工程技術(shù)投資有限公司,貴州 貴陽,550005)

磷酸三(2-氯丙基)酯(TCPP)是一種含氯磷的添加型橡塑阻燃增塑劑,具有成本低廉,穩(wěn)定性好、無毒環(huán)保等優(yōu)點,其阻燃原理由3種機理組合而成,能夠產(chǎn)生協(xié)同效果[1],具有很強的阻燃效果,被廣泛用于橡膠、聚氯乙烯(PVC)、環(huán)氧樹脂等材料中。

三氧化二銻(Sb2O3)是PVC阻燃電線電纜料中常用的阻燃劑[2]。貴州正業(yè)工程技術(shù)投資有限公司通過等離子體法制備納米Sb2O3,改善了Sb2O3的粒徑、提高Sb2O3的活性和分散效果,其堆積密度也有大幅降低。

下面以J-70 型PVC電線電纜料為基礎(chǔ)配方,分別添加阻燃增塑劑TCPP與復(fù)合TCPP/納米Sb2O3阻燃劑,比較了二者對PVC阻燃電線電纜料體系的阻燃性能、力學(xué)性能、電性能的影響,并對TCPP的阻燃機理和TCPP/納米Sb2O3體系的協(xié)同作用做了初步探討。

1 試驗部分

1.1 主要原料

PVC,SG-5型,宜賓天源集團海豐和銳有限公司;對苯二甲酸二辛酯(DOTP),南京金清化工有限公司;氯化石蠟(CP),恒通石化有限公司;鈣鋅穩(wěn)定劑,韶關(guān)盈田環(huán)保材料有限公司;陶土,廣西象州匯智納米科技有限公司;碳酸鈣(CaCO3),四川貢嘎雪新材料股份有限公司;納米Sb2O3,貴州正業(yè)工程技術(shù)投資有限公司;其他助劑均為工業(yè)助劑。

1.2 儀器設(shè)備

高速混合機,SHR-10A,張家港白熊科美機械有限公司;開放式煉塑機,SK-160B,平板硫化機,QLB-D,均為上海迪勝橡塑機械有限公司;啞鈴型拉伸制樣機,XY-12,承德市金建檢測儀器制造廠;電子萬能實驗機,島津國際貿(mào)易(上海)有限公司;氧指數(shù)測定儀,HC-2,南京市江寧區(qū)分析儀器廠。

1.3 試樣制備

PVC電線電纜料體系基礎(chǔ)配方一:PVC 100.0份,DOTP 30.0份,穩(wěn)定劑4.2份,碳酸鈣31.0份,陶土9.0份,TCPP 0～20.0份;配方二:PVC 100.0份,DOTP 30.0份,穩(wěn)定劑4.2份,碳酸鈣31.0份,陶土9.0份,TCPP 0～20份,納米Sb2O30.5份。分別按照配方一和配方二稱取PVC樹脂、增塑劑及各個添加組分,混合均勻,保證混合溫度不超過120 ℃,等物料溫度降至室溫后,將其置于開放式煉塑機上塑化,前輥溫度160 ℃左右,后輥溫度155 ℃左右,混煉5 min后出料,然后在平板硫化機上于160 ℃和5 MPa下預(yù)熱5 min,壓力升至14 MPa,保持壓力不變,熱壓5 min,出料,用裁樣模具裁出樣條以備測試用。

1.4 性能測試

PVC電纜料試樣(20 ℃)的體積電阻率按照GB/T 8815—2008進行測試。力學(xué)性能按照GB/T 8815—2008進行測試,試樣為啞鈴型試樣,設(shè)定拉伸速率為250 mm/min。極限氧指數(shù)性能按照GB/T 2406.2—2009進行測試。沖擊脆化性能測試按照GB/T 5470進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 TCPP對PVC電線電纜料力學(xué)性能的影響

圖1是TCPP添加量對2種配方PVC電線電纜料力學(xué)性能的影響。

圖1 TCPP添加量對PVC電線電纜料力學(xué)性能影響

由圖1(a)可以看出,隨著TCPP添加量的增加,2種配方PVC電線電纜料體系的拉伸強度均呈現(xiàn)下降趨勢。當(dāng)TCPP添加量達到20份時,配方一PVC體系的拉伸強度為16.18 MPa,高于國標限值15 MPa,能滿足實際使用需求;配方二PVC體系的拉伸強度為15.48 MPa,略高于國標限值,仍能滿足實際使用需求。同時,對于添加了納米Sb2O3的配方二體系,其拉伸強度的變化趨勢與未添加納米Sb2O3的配方一體系相似,但數(shù)值略低于配方一體系。

從圖1(b)可以看出,2種配方PVC電線電纜料體系的斷裂伸長率隨著TCPP添加量的增加均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當(dāng)TCPP添加量為10份時,體系的斷裂伸長率都達到最大值,繼續(xù)增大TCPP的用量,斷裂伸長率則不斷下降。這是因為TCPP的添加量過大時,其極性基團開始大量吸引增塑劑,致使內(nèi)部增塑劑的量減少,降低了PVC分子鏈的流動性,從而斷裂伸長率下降明顯。同樣地,添加納米Sb2O3后,配方二體系的斷裂伸長率也表現(xiàn)出和體系一相同的變化趨勢,只是數(shù)值略低。

綜上所述,TCPP作為一種有增塑性能的磷系有機阻燃劑,會使PVC電線電纜料體系拉伸強度降低,并一定范圍內(nèi)可提高體系的斷裂伸長率。添加納米Sb2O3后,體系的力學(xué)性能有所下降,但仍能達到國標的要求。TCPP在PVC電線電纜料體系中的添加量10份為最佳。

2.2 TCPP對PVC電線電纜料體積電阻率影響

圖2是TCPP添加量對PVC電線電纜料體積電阻率的影響。

圖2 TCPP添加量對PVC電線電纜料體積電阻率影響

從圖2可以看出,隨著TCPP添加量的增加,2種配方PVC電線電纜料體系的體積電阻率均不斷下降。配方二中,納米Sb2O3的加入導(dǎo)致體系的電性能總體水平低于配方一體系的。當(dāng)TCPP添加量為10份時,配方一體系和配方二體系的體積電阻率分別為:2.803×1012,1.98×1012(Ω·m),依然能夠達到GB/T 8815—2008的要求,再繼續(xù)增大TCPP的用量,兩個體系的電性能均不能達到國標的要求。故對于PVC電線電纜料,TCPP的添加量不宜超過10份。

2.3 TCPP對PVC電線電纜料極限氧指數(shù)影響

圖3是TCPP添加量對PVC電線電纜料體系極限氧指數(shù)的影響。

圖3 TCPP添加量對PVC電線電纜料極限氧指數(shù)影響

從圖3可以看出,在未加入納米Sb2O3的配方一體系中,當(dāng)TCPP添加量增加到10份時,其體系阻燃效果有所提升,極限氧指數(shù)從25.6%提升至26.7%;當(dāng)TCPP添加量增加到10份以上時,體系的極限氧指數(shù)有所下降。

配方二體系中,其極限氧指數(shù)的變化趨勢與配方一體系大致相同,但極限氧指數(shù)總體高于配方一體系的。這是因為納米Sb2O3粒度小且能均勻分散于PVC復(fù)合材料中,使其在阻燃過程中能夠有效生成氯化鉛,通過凝聚相阻燃和減少鏈式反應(yīng)自由基的阻燃作用,TCPP與Sb2O3共同具有的凝聚相阻燃效果,加倍減緩自由基的形成,同時表面形成了更多的難燃、隔熱、隔氧的保護層,形成了優(yōu)異的協(xié)同作用,從而顯著提高PVC電線電纜料的阻燃性能。TCPP的最佳添加量推薦為10份。

3 結(jié)論

a) TCPP加入PVC電線電纜料中,在一定范圍內(nèi)能提高體系的斷裂伸長率,改善阻燃性能,但會使體系的拉伸強度和電性能降低,TCCP可以作為一種有效輔助增塑劑來使用。

b) 納米Sb2O3的加入會略微降低PVC電線電纜料體系的力學(xué)性能和體積電阻率,但能夠與TCPP形成良好的協(xié)同作用,從而顯著提高PVC電線電纜料的阻燃性能。

c) TCPP的添加量為10份時,可明顯提高PVC電線電纜料的阻燃性能,同時保證其力學(xué)性能和體積電阻率能夠達到國標的要求。