熱塑性低煙無(wú)鹵阻燃聚烯烴護(hù)套料的抗開(kāi)裂性能研究

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（杭州高新橡塑材料股份有限公司 浙江 311116）

在某些環(huán)境中敷設(shè)使用的電纜，要求具有阻燃特性。例如在地鐵、隧道、石油、煤礦以及大樓、計(jì)算機(jī)房、公共建筑等場(chǎng)合使用的電纜。這時(shí)應(yīng)采用阻燃材料制作電纜護(hù)套，特別是隨著國(guó)內(nèi)地鐵的大量施工，鐵路下方會(huì)有高壓線路或是傳送火車(chē)位置的信號(hào)線，使用阻燃電纜料可減少線路因失火或是短路受損時(shí)，所引發(fā)的火災(zāi)，因此地鐵用電纜必須采用阻燃護(hù)套料。阻燃護(hù)套料通常分兩大類，一是阻燃聚氯乙烯（PVC）護(hù)套料，二是低煙無(wú)鹵阻燃聚烯烴（如EVA，PE）護(hù)套料。普通PVC護(hù)套料含有鹵素等有毒物質(zhì)，燃燒時(shí)會(huì)放出氯化氫氣體，易污染環(huán)境，并且不耐臭氧及水蒸氣，壽命短。低煙無(wú)鹵護(hù)套可減少在其燃燒時(shí)產(chǎn)生的有毒、腐蝕性氣體。若在像飛機(jī)、火車(chē)車(chē)廂或是在船舶等通風(fēng)不良的環(huán)境中，經(jīng)常會(huì)使用低煙無(wú)鹵阻燃聚烯烴電纜料。

國(guó)內(nèi)外對(duì)熱塑性低煙無(wú)鹵阻燃聚烯烴護(hù)套料的抗開(kāi)裂性能做了很多研究，如通過(guò)添加抗開(kāi)裂阻燃協(xié)同劑、阻燃協(xié)效劑等[1-4]，雖能通過(guò)抗開(kāi)裂測(cè)試，但其成本比較高，很難有應(yīng)用價(jià)值。目前市面上用EVA/LLDPE填充氫氧化鋁的配方體系較多，但是該配方體系的耐熱性能較差，通?？梢酝ㄟ^(guò)選用耐熱性好的樹(shù)脂來(lái)提高抗開(kāi)裂性能，故本文選用了EVA/HDPE填充氫氧化鋁的配方體系來(lái)克服耐熱性差的缺點(diǎn)，而且無(wú)機(jī)阻燃劑的含量和性能也會(huì)影響材料的抗開(kāi)裂性能。所以本工作深入地研究了配方體系對(duì)熱塑性低煙無(wú)鹵阻燃聚烯烴護(hù)套料抗開(kāi)裂性能的影響。

1.配方設(shè)計(jì)

(1)主要原料

樹(shù)脂：乙烯一醋酸乙烯共聚物（EVA）臺(tái)塑7470M；高密度聚乙烯（HDPE）上海易禾貿(mào)易5110。無(wú)機(jī)阻燃劑：礦石法氫氧化鋁（ATH）中超AH-01，表面經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理；化學(xué)合成法氫氧化鋁雅保104LEO，表面經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理；其它助劑包括相容劑、抗氧體系、加工潤(rùn)滑體系等。各試樣配方如表1所示。

表1 配方表

(2)試樣制備

將基體樹(shù)脂和無(wú)機(jī)阻燃填料及助劑混合放入密煉機(jī)中進(jìn)行密煉，密煉到溫度為150℃時(shí)放料，再通過(guò)雙螺桿塑化，最后經(jīng)單螺桿擠出造粒。將粒料在平板硫化機(jī)上熱壓成片。厚度1mm的啞鈴型試樣用于力學(xué)性能測(cè)試，厚度3mm的試樣用于氧指數(shù)測(cè)試和抗開(kāi)裂測(cè)試。將粒料倒入轉(zhuǎn)矩流變儀密煉機(jī)中進(jìn)行流變測(cè)試，密煉溫度為150℃。

(3)性能測(cè)試

拉伸性能按照GB/T 1040-1992，使用萬(wàn)能電子拉力機(jī)測(cè)試。拉伸前，試樣在室溫下水平放置24h，拉伸試驗(yàn)于室溫下進(jìn)行。拉伸速率為200mm/min，試樣厚度為1mm。

極限氧指數(shù)按GB/T 2406-1993測(cè)試。試樣尺寸為100mm×6.5mm×3mm。

抗開(kāi)裂測(cè)試按照GB/T 19666-2005標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試[5]。

2.結(jié)果與分析

(1)力學(xué)性能

對(duì)不同配方的低煙無(wú)鹵阻燃護(hù)套料，按照GB/T 1040-1992測(cè)試，測(cè)試影響見(jiàn)圖1。

圖1 不同比例EVA/HDPE對(duì)力學(xué)性能的影響

配方1的斷裂伸長(zhǎng)率為230%，拉伸強(qiáng)度為8.5MPa；由圖1可見(jiàn)，從配方2到配方5逐漸增加了HDPE含量，同時(shí)減少了EVA含量，斷裂伸長(zhǎng)率逐漸下降，到配方5只有146%，已低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，拉伸強(qiáng)度逐漸上升到13.2MPa，這是因?yàn)镋VA樹(shù)脂的分子鏈引入了醋酸乙烯單體，降低了結(jié)晶度，而HDPE的分子鏈比較規(guī)整，所以EVA的韌性比HDPE好，但強(qiáng)度不如HDPE。配方3、配方6和配方7分別是相同樹(shù)脂含量下不同填充比例的氫氧化鋁的力學(xué)性能對(duì)比，可以看出氫氧化鋁填充量越大，材料的斷裂伸長(zhǎng)率和拉伸強(qiáng)度都逐漸下降，當(dāng)氫氧化鋁添加到175份時(shí)，雖然斷裂伸長(zhǎng)率勉強(qiáng)有155%，但是拉伸強(qiáng)度僅有9.5MPa，已無(wú)法達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，隨著無(wú)機(jī)阻燃劑填充量的增大，間隔了聚合物分子鏈間的連續(xù)性，減少了大分子鏈間的纏結(jié)，降低了材料的強(qiáng)度和韌性，從而導(dǎo)致力學(xué)性能大幅下降；配方8和配方3對(duì)比，由于化學(xué)合成法氫氧化鋁的純度更高，雜質(zhì)較少，粒徑尺寸更均一，基體樹(shù)脂與化學(xué)合成法氫氧化鋁的相容性比和礦石法的氫氧化鋁要好，材料的缺陷也更少，因此化學(xué)合成法的氫氧化鋁力學(xué)性能更好。

(2)阻燃性能

對(duì)不同配方的低煙無(wú)鹵阻燃護(hù)套料進(jìn)行阻燃性能評(píng)價(jià)。按GB/T 2406-1993測(cè)試極限氧指數(shù)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 氫氧化鋁的填充量對(duì)氧指數(shù)的影響

從配方1到配方5的無(wú)機(jī)阻燃劑的填充比例是一樣的，僅僅只是樹(shù)脂的比例不同，因此氧指數(shù)均為32。由圖2可見(jiàn)，配方3、配方6和配方7相比，隨著無(wú)機(jī)阻燃劑氫氧化鋁的含量逐漸增加，氧指數(shù)也逐漸提高，由于氫氧化鋁在燃燒時(shí)能分解產(chǎn)生水，并吸走大量熱量，因此，氫氧化鋁含量越高，材料的阻燃性能也越好。配方8與配方3相比，化學(xué)合成法氫氧化鋁的氧指數(shù)比礦石法氫氧化鋁要高2個(gè)點(diǎn)，達(dá)到34%，這是由于化學(xué)合成法氫氧化鋁的純度更高，雜質(zhì)更少，粒徑分布更均勻，和樹(shù)脂的相容性更佳，混合的更均勻，材料的缺陷更少，在燃燒時(shí)能更好的阻止火焰的蔓延。

對(duì)不同配方的低煙無(wú)鹵阻燃護(hù)套料進(jìn)行抗開(kāi)裂性能評(píng)價(jià)。按GB/T 19666-2005測(cè)試抗開(kāi)裂性能，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可見(jiàn)：配方1和配方2都不能通過(guò)150℃，1h的抗開(kāi)裂試驗(yàn)，配方3的HDPE含量增加到30份，同時(shí)EVA含量減少到70份時(shí)，材料可以通過(guò)抗開(kāi)裂測(cè)試，如果繼續(xù)增加HDPE在樹(shù)脂中的比例，材料都能通過(guò)抗開(kāi)裂測(cè)試，這是由于HDPE的耐熱沖擊性能比EVA要好，因?yàn)镠DPE的乙烯分子鏈含有較多長(zhǎng)鏈，排列比較規(guī)整，堆砌緊密，而EVA在乙烯分子鏈中引入醋酸乙烯單體，降低了結(jié)晶度，所以EVA的分子鏈在高溫環(huán)境下比HDPE更容易斷裂，從而引起材料的開(kāi)裂；配方3、配方6和配方7相比，隨著氫氧化鋁含量的增加，材料的抗開(kāi)裂性能逐漸變差，當(dāng)氫氧化鋁達(dá)到175份時(shí)材料已經(jīng)無(wú)法通過(guò)抗開(kāi)裂測(cè)試，這是由于無(wú)機(jī)阻燃填料與基體樹(shù)脂間的相容性較差，如果無(wú)機(jī)阻燃填料添加量超過(guò)一定比例，即便填料經(jīng)過(guò)表面處理，仍然會(huì)有在基體樹(shù)脂中分布不均現(xiàn)象，聚集成團(tuán)的無(wú)機(jī)填料與基體樹(shù)脂間的界面結(jié)合力減弱，導(dǎo)致材料抗開(kāi)裂性能的大幅度下降。配方8與配方3都能通過(guò)抗開(kāi)裂測(cè)試，但是配方8使用的化學(xué)合成法氫氧化鋁市場(chǎng)價(jià)格偏貴，在實(shí)際使用時(shí)需根據(jù)材料綜合性能的要求選用合適的氫氧化鋁阻燃劑。

表2 不同配方的抗開(kāi)裂測(cè)試結(jié)果

對(duì)不同配方的低煙無(wú)鹵阻燃護(hù)套料進(jìn)行流變性能評(píng)價(jià)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同配方的流變測(cè)試結(jié)果

從配方1到配方5，隨著HDPE的含量逐漸增加，EVA的含量逐漸減少，材料的擠出扭矩逐漸增大，這是由于HDPE的乙烯分子鏈含有較多長(zhǎng)鏈，排列比較規(guī)整，堆砌緊密，而EVA在乙烯分子鏈中引入醋酸乙烯單體，降低了結(jié)晶度，因此HDPE的添加量越大，材料的擠出扭矩就越高；由表5可見(jiàn)配方3、配方6和配方7相比，隨著氫氧化鋁含量的增加，材料的擠出扭矩逐漸增大，因?yàn)闅溲趸X填充量越大，擠出時(shí)與設(shè)備摩擦越大，所以阻力就大，對(duì)應(yīng)的擠出扭矩就大。配方8與配方3相比，化學(xué)合成法氫氧化鋁的擠出扭矩大幅下降，這是由于化學(xué)合成法氫氧化鋁的粒徑分布較均勻，尺寸較大的顆粒較少，而礦石法氫氧化鋁的粒徑分布較寬，有很多大顆粒存在，與設(shè)備的摩擦較大，對(duì)應(yīng)的擠出扭矩就高，雖然化學(xué)合成法氫氧化鋁的擠出扭矩較低，但市場(chǎng)價(jià)格偏貴，因此需要根據(jù)客戶的擠出設(shè)備來(lái)綜合考慮氫氧化鋁的選型。

3.結(jié)論

（1）HDPE的分子鏈排列比較規(guī)整，堆砌緊密，結(jié)晶度比EVA高，所以在配方中增加HDPE在樹(shù)脂中的比例可以提高抗開(kāi)裂性能。

（2）無(wú)機(jī)阻燃劑氫氧化鋁的填充量對(duì)材料的抗開(kāi)裂性能有顯著影響，實(shí)際使用時(shí)應(yīng)綜合考慮其它諸如力學(xué)性能和阻燃性能等來(lái)調(diào)節(jié)填充比例。

（3）化學(xué)合成法氫氧化鋁和樹(shù)脂的相容性和混合均勻性比礦石法氫氧化鋁好，不僅抗開(kāi)裂性能好，而且可以和基體樹(shù)脂混合地更均勻，從而提高材料的氧指數(shù)和阻燃性能等。

（4）通過(guò)調(diào)節(jié)HDPE和EVA樹(shù)脂的含量、氫氧化鋁的填充量以及氫氧化鋁的選型可以得到合適扭矩的低煙無(wú)鹵阻燃聚烯烴護(hù)套料，從而滿足電纜廠家的擠出設(shè)備需要。