低煙無鹵阻燃混煉膠的開發(fā)

高緒東，汪德平

(浙江省杭州市錢塘區(qū)杭州科利化工股份有限公司，浙江 杭州 311228)

前言

阻燃電纜按其在燃燒時產(chǎn)生的鹵素氣體的溢出量和發(fā)煙量，可分為一般型、低鹵型、低鹵低發(fā)煙型、無鹵低發(fā)煙型四個品種[1]。三元乙丙膠(EPDM)是由乙烯、丙烯和不飽和第三單體無規(guī)則共聚而成，第三單體的質(zhì)量分數(shù)不超過共聚體總量的10%[2]。由于三元乙丙膠獨特的分子結(jié)構(gòu)，使得該材料擁優(yōu)異的耐候性能、優(yōu)異的耐熱和耐熱氧化性能、突出的耐臭氧性能、優(yōu)異的電絕緣性能、較好的耐熱水和耐水蒸氣性能、低密度和高填充性、優(yōu)良的耐化學藥品性能、優(yōu)良的低溫性能[3]。

隨著我國城市化規(guī)模不斷增大，地鐵等軌道交通、城市建設項目不斷涌現(xiàn)，高樓大廈建筑密集度急劇增加，國家提高了對高層建筑、大型市政建筑的消防安全要求，陸續(xù)頒布并實施了相關(guān)法律法規(guī)及強制性標準。由于符合標GB/T 5023.3—2008[4]規(guī)定的傳統(tǒng)家裝60227 ICE 01(BV)氯化聚乙烯電線電纜產(chǎn)品在發(fā)生火災著火燃燒時會釋放出濃厚的黑煙和HC1氣體，造成被困人員吸入有毒氣體，灼傷呼吸道，從而窒息身亡，因此建筑行業(yè)越來越傾向于選擇低煙無鹵阻燃電線電纜產(chǎn)品，其中具有優(yōu)良電氣性能和機械性能的低煙無鹵阻燃產(chǎn)品更是獲得青睞。

目前許多公司生產(chǎn)的三元乙丙混煉橡膠的多種牌號已廣泛應用電線電纜，大眾反饋效果較好，但也對產(chǎn)品提出更新更高的要求，在原先物理性能基礎上達到低煙無鹵阻燃性能要求[5]。如果開發(fā)成功將大大優(yōu)化混煉膠產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次，拓展混煉膠產(chǎn)品在電線電纜方面新的應用領域，市場潛力巨大。

1 實驗部分

1.1 主要原料

EPDM(乙烯、丙烯和非共軛二烯烴的三元共聚物)，中國石油吉林石化公司；CPE(氯化聚乙烯)，杭州科利化工股份有限公司；氫氧化鎂，濰坊萬豐新材料科技有限公司；紅磷母粒膠，蘇州安特菲新材料有限公司；氫氧化鋁，宜鑫化工；氮磷阻燃劑、潤滑劑等，市售。[7]

1.2 無機阻燃劑的選擇

目前能夠使用的無機阻燃劑主要有：氫氧化鋁、氫氧化鎂、硼酸鋅三種，硼酸鋅做阻燃劑不耐水洗，因色澤會限制其應用，成本也較高。而用 Mg(OH)2作阻燃劑不耐酸，易吸潮，介電性差。用Al(OH)3作阻燃劑較為理想。

氫氧化鋁用作阻燃劑的優(yōu)點：

2)新生成的金屬氧化物Al2O3是一種優(yōu)異的耐火材料，并起到催化聚合物的熱氧交聯(lián)反應，在聚合物表面形成一層炭化膜，炭化膜會減弱燃燒時的傳熱、傳質(zhì)效應，從而起到阻燃的作用。Al2O3還能吸附煙塵顆粒，起到抑煙作用。

氫氧化鋁的缺點是用量大，但可通過造粒的技術(shù)解決，向超細化方向發(fā)展，降低粒徑分布范圍，表面活化處理，從而改善其在聚合物中的分散性能。

1.3 實驗器材

電子拉力機AAA型，無錫機械制造廠；橡膠門尼粘度儀S-II型，湖州順力橡膠機械有限公司；M-3000A-II型無轉(zhuǎn)子硫化儀，高鐵檢測儀器(東莞)有限公司；LN-9寸開煉機，廣東利拿實業(yè)有限公司；密煉機，上海威福興有限公司；測厚儀、硬度儀、比重儀等

1.4 其他阻燃劑的選擇

由于聚烯烴這類材料在燃燒時會引發(fā)滴落現(xiàn)象，更會蔓延。需要添加一種助劑，使在燃燒時阻止材料的滴落漫延。例如磷酸系是使用膨脹原理，通過凝聚相發(fā)揮其阻燃作用。而無機阻燃劑則通過分解吸熱達到阻燃作用，這是研制的第三個技術(shù)關(guān)鍵。[9]

1.5 試樣制備

將各種原料在密煉機中混勻并制成橡膠，再用開煉機制成樣條、用平板硫化儀制成試片。

1.6 性能測試

按照國標方法測出試料的各個性能并與檢測機構(gòu)的數(shù)據(jù)進行對比，直至兩者數(shù)據(jù)基本相同并采用該數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 各項性能測試結(jié)果

主要性能：試料的主要指標如物理性能(硬度、強度、伸長率、撕裂強度、100%定伸)、氧指數(shù)、電阻率、比重、抗老化性能等等達到國際同類型產(chǎn)品先進水平。結(jié)果見表1。

表1 低煙無鹵阻燃聚烯烴材料性能

材料的加工性能較好。在擠出機上擠出試條表面光滑無印痕，斷面無氣孔，試條疊放不黏連無印痕，擠出后機頭無殘留。

2.2 無機阻燃劑用量與氧指數(shù)、煙密度關(guān)系

隨著阻燃劑的增加，氧指數(shù)也相應的變大，煙密度也會減小(見圖1)。由此可見該阻燃劑對橡膠制品的阻燃性能、降低發(fā)煙性能有較好的效果。

圖1 無機阻燃劑用量與氧指數(shù)、煙密度的關(guān)系

2.3 阻燃劑的用量對橡膠力學性能的影響

制備無鹵型低煙混煉膠制品。由于沒有鹵素的參與，阻燃劑的添加量會增加，但正是這種高填充量的阻燃劑可能會影響膠料的其它性能指標，為此做了大量的試驗。由表2可知，當阻燃劑添加量為五十份的時候膠料(試樣1)具有優(yōu)良的抗撕裂、抗老化、拉斷伸長率越大，耐環(huán)境開裂性能越好，而門尼粘度也非常適合加工；當阻燃劑繼續(xù)添加至70份時(試樣2)，膠料的力學性能均有所下降，其中撕裂強度和拉斷伸長率下降明顯，同時門尼粘度值明顯增加，可能會影響其加工性能。添加90份改性氫氧化鎂阻燃劑的膠料(試樣3)，拉伸強度依然保持優(yōu)良，但拉斷伸長率急劇下降，抗撕裂下降非常明顯，影響其耐環(huán)境開裂性能[10]。

表2 EVM500混煉膠性能

2.4 不同阻燃劑對燃燒性能的影響

低煙無鹵的阻燃體系在橡膠中，這三種阻燃劑各有優(yōu)點，都有阻燃、消煙、無毒等優(yōu)點，都能使產(chǎn)品的阻燃等級達到FV-0級別。無機阻燃劑是問世最早的無鹵阻燃劑包括氫氧化鋁和氫氧化鎂。但由于氫氧化鎂相較于氫氧化鋁顏色偏深，使得氫氧化鎂在白色、彩色膠料中使用需要考慮顏色變化，還有就是氫氧化鎂作為阻燃劑耐酸性較差也使得應用有局限性。但氫氧化鎂的分解溫度較高，使其可以在較高的溫度條件下使用。

3 結(jié)論

1)隨著阻燃劑的增加，材料的燃燒性能和抑煙效果顯著提升，但由于氫氧化鋁需要高填充，會使得橡膠的伸長率會隨著填充量的增加變得越來越小，這會讓膠料的耐環(huán)境性能變得越來越差。

2)采用氫氧化鎂做阻燃劑在有些方面優(yōu)于氫氧化鋁。例如伸長率方面，抗撕裂方面等。

3)相比其他氮磷阻燃劑，氫氧化鋁的阻燃效果較好。

4)用紅磷做阻燃劑時，實驗可得出添加量不是越多越好，是添加10份左右效果最佳，當添加量為15份時效果與10份相當。

5)膠料的混煉時間不同也會影響材料的性能，實驗后得出結(jié)論混煉最佳時間為 30 min，此時材料的各項性能達到最佳。