Mg（OH）2／Al（OH）3阻燃電纜護(hù)套料性能的研究

侯欣鵬，矯 陽，李鐵軍，湯 偉，曹 珊

（1.北京富迪創(chuàng)業(yè)科技有限公司，北京101318；2.北京市射線應(yīng)用研究中心，北京100015）

0 前言

近些年來，隨著數(shù)字信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，世界電纜產(chǎn)品呈持續(xù)增長狀態(tài)，僅以我國為例，電纜市場以每年15%～20%的速度遞增，電線電纜業(yè)已成為我國機(jī)械行業(yè)中位置僅次于汽車業(yè)的第二大產(chǎn)業(yè)，我國也是僅次于美國的世界第二大電線電纜生產(chǎn)國。當(dāng)今，電線電纜已應(yīng)用于國防建設(shè)、工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、國民生活等各個(gè)領(lǐng)域，與此同時(shí)，關(guān)于電線電纜所引發(fā)的火災(zāi)事故也日益頻發(fā)，所以，開發(fā)性能優(yōu)異的阻燃型電纜護(hù)套料就成為世界各國電線電纜業(yè)的迫切需求。

近年來，隨著對傳統(tǒng)型電纜護(hù)套料的認(rèn)識(shí)的不斷深入和安全環(huán)保呼聲的高漲，無鹵阻燃劑受到了廣泛關(guān)注。無機(jī)阻燃劑因其安全性高、抑煙、無毒、價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)，在無鹵阻燃劑中占有重要地位，其主要包括Mg（OH）2、Al（OH）3、硼 酸 鋅 等［1］。 Mg（OH）2與Al（OH）3均屬于金屬氫氧化物，阻燃機(jī)理相似，即通過受熱分解釋放出水，同時(shí)從燃燒的基體中吸收大量熱能，稀釋了氣相中的可燃物成分，從而達(dá)到阻燃的目的［2］。但 Mg（OH）2的熱分解溫度比 Al（OH）3高60℃，吸熱量高約17%，抑煙能力也較優(yōu)［3］，促使基材成炭的能力強(qiáng)。因此，對于阻燃劑的選擇，無論是單一組分還是與多種阻燃劑復(fù)配使用，Mg（OH）2都是優(yōu)先的選擇。

PE-LD具有突出的電學(xué)性能、韌性、耐化學(xué)腐蝕和良好的加工性能［4］，是一種性能優(yōu)異的電纜護(hù)套基礎(chǔ)原料，然而，PE-LD本身是非極性材料，與極性的無機(jī)阻燃劑相容性較差，需要引入極性基團(tuán)進(jìn)行改性，如EVA等，目的是增大阻燃劑的填充量，此外，EVA還具有良好的物理和力學(xué)性能，在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用，尤其是作為優(yōu)良的隔熱材料用于電纜行業(yè)［5］。

本研究采用PE-LD／EVA／EPDM的共混物為基材，以 Mg（OH）2和 Al（OH）3作為阻燃體系，從力學(xué)性能、阻燃性能、阻燃劑復(fù)配、混合物微觀結(jié)構(gòu)等方面研究這兩種無機(jī)阻燃劑對電纜護(hù)套料的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PE-LD，1I2A，北京燕山石油化工公司化工一廠；EVA，14-2，北京東方石油化工有限公司有機(jī)化工廠；EPDM，4725p，天津市佳塑科貿(mào)發(fā)展有限公司；Mg（OH）2，MHY I，粒徑約0.4～0.8μm，天津長蘆漢沽鹽場有限責(zé)任公司；

Al（OH）3，H-WF-1，粒徑約1～1.5μm，中國鋁業(yè)股份有限公司山東鋁業(yè)分公司；

光穩(wěn)定劑，GW944z，北京加成試劑研究所；

氧化鋅、硬脂酸鋅，市售。

1.2 主要設(shè)備及儀器

電熱鼓風(fēng)干燥箱，DF304，北京興爭儀器設(shè)備廠；

雙輥開煉機(jī)，SK-230，無錫橡膠機(jī)械有限公司；

塑料擠出機(jī)組，SJ-45J，北京英特塑料機(jī)械總廠；

塑料粉碎造粒機(jī)，F(xiàn)-1，昆山科信橡塑機(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；

電子式拉力機(jī)，T 2000E，北京友深電子儀器有限公司；

氧指數(shù)測定儀，HC900-2，江寧縣方山分析儀器設(shè)備廠；

掃描電子顯微鏡（SEM），S-4800，日本日立公司。

1.3 樣品制備

將 Mg（OH）2和Al（OH）3在設(shè)定溫度為100℃的干燥箱中干燥10h，其他粉狀助劑在60℃的環(huán)境下干燥4～5h；按表1、表2的配方準(zhǔn)確稱取各種基材、阻燃劑及其他功能助劑，雙輥開煉機(jī)的實(shí)測溫度控制在（135±5）℃，先按順序加入3種基材，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，混煉均勻后下片；將混煉后的料片經(jīng)粉碎機(jī)切碎，加入到擠出機(jī)的投料口進(jìn)行造粒，以增加材料的均勻程度和密實(shí)性，擠出機(jī)Ⅰ～Ⅵ段溫度分別為：90、130、140、135、130、110 ℃；造粒后的粒料經(jīng)烘干后，通過管材擠出機(jī)組熔融擠出，擠出機(jī)Ⅰ～Ⅵ段溫度分別為：88、129、131、140、120、110℃，采用真空方式定型成管材；按照力學(xué)性能和極限氧指數(shù)測試的國家標(biāo)準(zhǔn)，在平板硫化機(jī)上模壓相應(yīng)厚度的樣片，平板硫化機(jī)溫度控制在（140±5）℃，預(yù)熱模具后，按規(guī)定質(zhì)量將造粒后的樣品加入到模具中，合模壓制樣片，待溫度冷卻至室溫后出模，用專用刀具裁切成規(guī)定的樣條。

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

按照GB／T 2406.2—2009測試樣條的極限氧指數(shù)，樣條規(guī)格為150mm×10mm×4mm；

按照GB／T 1040—2006進(jìn)行拉伸性能測試，拉伸速率為500mm／min；

SEM分析：將測定力學(xué)性能的樣條在液氮中脆斷，斷面作噴金處理，用SEM觀察阻燃劑在基體樹脂中的分散情況。

表1 Mg（OH）2／Al（OH）3阻燃電纜護(hù)套料的配方Tab.1 Formulae of Mg（OH）2／Al（OH）3flame-retarded cable jackets

表2 Mg（OH）2阻燃電纜護(hù)套料的配方Tab.2 Formula of Mg（OH）2flame-retarded cable jackets

2 結(jié)果與討論

2.1 Mg（OH）2／Al（OH）3阻燃電纜護(hù)套料

2.1.1 力學(xué)性能

從表3可以看出，由于無機(jī)阻燃劑的大量加入，材料的力學(xué)性能受到比較明顯的影響。這是由于無機(jī)填料的粒子分散在連續(xù)的塑料相中，與大分子之間存在一個(gè)界面，拉伸時(shí)界面受到應(yīng)力，因應(yīng)力集中而產(chǎn)生銀紋，雖然無機(jī)粒子本身可以阻止銀紋的發(fā)展，但是填料量較多，界面作用很明顯，使得拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率下降。當(dāng)阻燃體系的總量保持不變時(shí)，材料的拉伸強(qiáng)度隨Mg（OH）2含量的上升而增大，斷裂伸長率隨Mg（OH）2含量的上升而減小，這是因?yàn)?Mg（OH）2的粒徑更小，其可以比Al（OH）3更好地分散在聚合物中，對材料起到了剛性粒子增強(qiáng)的作用。由于 Mg（OH）2為極性的無機(jī)粉體，和非極性的PE-LD相容性較差，雖然聚合物體系中加入了EVA以改善兩者的相容性，但當(dāng)無機(jī)粉體的添加量較大時(shí)，材料的剛性增強(qiáng)，韌性急劇下降，從而影響了斷裂伸長率［6］。

表3 Mg（OH）2／Al（OH）3阻燃電纜護(hù)套料的力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of Mg（OH）2／Al（OH）3 flame-retarded cable jackets

從圖1（a）可以看出，聚合物表面聚集大量的Al（OH）3微粒，其與基體樹脂的分界面明顯，在受到外力作用時(shí)很容易被拉斷，由圖1（b）、（c）、（d）可以看出，Mg（OH）2的粒徑小于Al（OH）3，基體樹脂的連續(xù)相部分增加，有助于材料韌性的提升，其中圖1（d）中的基體樹脂出現(xiàn)分層現(xiàn)象，這可能是導(dǎo)致樣品MA-4的斷裂伸長率急劇下降的因素。

圖1 不同配比的Mg（OH）2／Al（OH）3阻燃電纜護(hù)套料切斷面的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM microphotos for fracture surfaces of cable jackets with different ratios of Mg（OH）2／Al（OH）3

2.1.2 阻燃性能

由表4可以看出，當(dāng)阻燃體系的總量保持不變時(shí)，隨著體系中Mg（OH）2含量的增加，材料的極限氧指數(shù)有較明顯的提升。當(dāng)Mg（OH）2和Al（OH）3添加比例為1∶1時(shí)，極限氧指數(shù)達(dá)到最大，體現(xiàn)了很好的協(xié)同阻燃效應(yīng)，這可能是因?yàn)?種阻燃劑并用后，增加了阻燃體系的吸熱溫度范圍，因而可以在較寬的范圍內(nèi)抑制聚合物的燃燒。此外，Al（OH）3可以促進(jìn) Mg（OH）2的炭化反應(yīng)，在聚合物表面形成炭化層，起到了與周圍氧氣隔絕的作用，阻止了燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。

表4 Mg（OH）2／Al（OH）3阻燃電纜護(hù)套料的極限氧指數(shù)Tab.4 Limited oxygen index of Mg（OH）2／Al（OH）3 flame-retarded cable jackets

2.2 Mg（OH）2阻燃電纜護(hù)套料

2.2.1 力學(xué)性能

由表5可以看出，隨著 Mg（OH）2添加量的增大，材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率均呈現(xiàn)下降的趨勢。由圖2（a）可以看出，當(dāng) Mg（OH）2的含量相對較低時(shí)，無機(jī)粒子被基體樹脂很好地浸潤，填料表面與樹脂表面獲得良好的界面黏結(jié)，并且在基體樹脂中的分散較為均勻，從 圖 2（b）、（c）、（d）、（e）可 以 看 出，隨 著Mg（OH）2加入量的不斷增加，可以明顯地觀察到材料表面聚集的Mg（OH）2微粒，且微粒與基體樹脂的界面明顯，這些微粒周圍容易形成應(yīng)力集中點(diǎn)，材料的破壞會(huì)首先從這些阻燃劑微粒與樹脂基體的界面開始。在力學(xué)測試過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng) Mg（OH）2的加入量達(dá)到90份時(shí)，材料斷裂伸長率的數(shù)值出現(xiàn)很明顯的跳點(diǎn)，這可能是由于大量的無機(jī)填料破壞了基體樹脂的連續(xù)相分布，且兩者的極性不同，造成相容性變差所致，另外Mg（OH）2微粒分散不均勻也會(huì)對此產(chǎn)生影響。

表5 Mg（OH）2阻燃電纜護(hù)套料的力學(xué)性能Tab.5 Mechanical properties of Mg（OH）2 flame-retarded cable jackets

圖2 Mg（OH）2含量不同的電纜護(hù)套料切斷面的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM microphotos for fracture surfaces of cable jackets with different contents of Mg（OH）2

2.2.2 阻燃性能

由表6可以看出，材料的極限氧指數(shù)與Mg（OH）2的加入量成正比關(guān)系，說明所用的Mg（OH）2對實(shí)驗(yàn)所篩選的基體樹脂起到了良好的阻燃效果。

表6 Mg（OH）2阻燃電纜護(hù)套料的極限氧指數(shù)Tab.6 Limited oxygen index of Mg（OH）2 flame-retarded cable jackets

2.3 兩種阻燃體系的對比分析

由兩種阻燃體系的性能測試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，對于以PE-LD／EVA／EPDM共混物為基材的電纜護(hù)套料，當(dāng)加入40份的Mg（OH）2時(shí)，材料的極限氧指數(shù)便超過填充了90份 Al（OH）3的材料，此外，當(dāng)單組分Mg（OH）2的加入量為50份時(shí)，材料的力學(xué)性能和極限氧指數(shù)均優(yōu)于 Mg（OH）2／Al（OH）3復(fù)配體系的所有配比，說明對于所篩選的基體樹脂，Mg（OH）2／Al（OH）3復(fù)配體系并無明顯優(yōu)勢，其原因可能是采用單一的Mg（OH）2后，無機(jī)阻燃劑的粒徑變小，比表面變大，增大了與基體樹脂的接觸面，大的比表面上存在著更多的化學(xué)活性點(diǎn)，從物理及化學(xué)兩個(gè)方面均有利于與基體樹脂的結(jié)合［7］，從而能夠提高材料的力學(xué)性能和阻燃性能；另外，單組分 Mg（OH）2的吸熱溫度范圍能夠較好地與基體樹脂的放熱峰對應(yīng)，有效地吸收放熱反應(yīng)的能量，以達(dá)到控制材料燃燒的作用。

3 結(jié)論

（1）Mg（OH）2和 Al（OH）3的復(fù)配使用，對電纜護(hù)套料的阻燃性能有較明顯地改善，當(dāng)兩者的份數(shù)比為1∶1時(shí)，材料的阻燃性能可達(dá)到比較理想的效果；當(dāng)復(fù)配阻燃體系中 Mg（OH）2的含量大于 Al（OH）3時(shí)，材料的斷裂伸長率出現(xiàn)明顯的下降；

（2）單組分的Mg（OH）2能夠有效提高材料的阻燃性能，但對力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響；當(dāng)Mg（OH）2加入量達(dá)到90份時(shí)，基體樹脂的連續(xù)相破壞嚴(yán)重，加之兩者之間的相容性不好，造成材料的力學(xué)性能有很大程度的下降；

（3）對于以PE-LD／EVA／EPDM 為基材的電纜護(hù)套料，采用單組分 Mg（OH）2作為阻燃體系比Mg（OH）2／Al（OH）3復(fù) 配 阻 燃 體 系 更 有 優(yōu) 勢，當(dāng)Mg（OH）2的加入量為40～50份時(shí)，材料的力學(xué)性能和阻燃性能即可達(dá)到較為理想的水平。

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