阻燃剂对低烟无卤聚烯烃电缆料性能的影响

随着我国地铁、轻轨等城市交通运输系统的迅速发展，机车车辆电缆的需求量逐渐增大。为了降低轨道线路发生火灾的风险，加强机车车辆电缆运行的安全性成为轨道交通发展的必然要求。因此，对在密闭性更强的环境中运行的机车车辆、地铁所用电缆提出了更高的要求，开发耐油、耐高低温、力学和电气性能优异的低烟无卤阻燃电缆料成为机车车辆电缆的发展方向研究表明，通过添加大量的无机氢氧化物可显著提高复合材料的阻燃性能，但通常会降低力学性能，对无机氢氧化物进行表面改性或添加协效剂，可使复合材料的性能得到改善。HER将硬脂酸改性处理的氢氧化镁(MDH)加入到乙烯-醋酸乙烯酯共聚物/极低密度聚乙烯EVA/VLDPE)中，发现硬脂酸可加速MDH 的脱水反应和减缓基体主链降解，促进复合材料成炭，使其阻燃效率提高。XUM 5]研究发现，有机硅阻燃增效剂可增强阻燃粉体与基体树脂的界面作用力，使粉体在基体中分散更均匀，从而提高复合材料的力学性能。霍蛟龙等将环氧基有机化合物通过硅烷偶联剂KH-550 锚固在MDH 上，制备了插层接枝的MDH 阻燃剂，并将其与EVA 共混制备了复合材料，结果表明改性的EVA 复合材料断裂伸长率明显提高，垂直燃烧性能提高至UL V-0 级。

影响无卤阻燃材料性能的因素较多，如阻燃剂添加量、粒径、种类等。张建耀等[7]将有机蒙脱土加入到P/MDH 中，发现随着蒙脱土用量的增加，引入了杂质离子，复合材料的体积电阻率降低。YEL将可膨胀石墨(EG)与MDH 复配加入到EVA 中，发现随着EG 粒径和膨胀率的增加，复合材料的热分解温度上升，热稳定性提高。赵榕晶等研究发现氢氧化铝(ATH)粒径越小，比表面积越大，活性位置点越多，吸热脱水反应速率越快，EVA/ATH 复合材料的氧指数越高。徐亚新等研究了三聚氰胺氰尿酸盐与MDH 的阻燃作用，发现两者具有协效性，将其作为填料加入EVA 中制备得到的复合材料氧指数提升，力学性能得到改善，断裂伸长率明显提高。

通常无机阻燃剂的添加量要达到50%以上才能达到良好的阻燃效果，但添加量太高时，其在基体中的分散存在不确定性，而复合材料的燃烧行为与填料种类、分散状态之间关系的研究报道较少。本研究以EVA/LLDPE/POE 共混物为基体，氢氧化铝(ATH)和氢氧化镁(MDH)为阻燃剂，采用熔融共混法制备无卤阻燃复合材料，采用扫描电子显微镜(SEM)观察ATH 和ATH/MDH 阻燃剂在基体中的分散状态，研究不同种类阻燃剂及其用量对复合材料力学性能、热稳定性、阻燃性能、动态燃烧性能的影响，多角度探究其阻燃机理。

实验

0.1 主要原材料

乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)，40L-03 型，熔体流动速率为3.0 g/10 min，VA 含量为40%，美国杜邦公司；线性低密度聚乙烯(LLDPE) 7042 型，熔体流动速率为2.0 g/10min，中国石化有限公司齐鲁分公司；乙烯-辛烯共聚物POE)，F840 型，熔融指数为3.6 g/10 min，日本三井化工有限公司；氢氧化铝(ATH)，中值粒径D50 为1.44 μm，山东铝业股份有限公司；氢氧化镁(MDH)，中值粒径D50 为2 μm，大连亚泰科技新材料股份有限公司；抗氧剂1010，巴斯夫股份有限公司；相容剂，市售。

1.2 试样制备

首先将EVA、LLDPE、POE 和相容剂在双辊开炼机上熔融混合均匀，然后逐次加入ATH、MDH、抗氧剂和流变改性剂等，制备无卤阻燃复合材料，混炼温度为130 ℃，时间为 15 min，转速为40 r/min。

出料后，使用平板硫化机在温度为165 ℃、压力为15 MPa 的条件下预热3 min，加压5 min，冷却至室温。根据实验要求制得若干厚度分别为1、3、4 mm 的试样。不同配方试样的主要成分及质量份数见表1。

表1 不同试样的主要成分 (单位：份数)

Tab.1 The main components of different samples

微观形貌分析：分别将4 种试样在液氮中冷却断裂，断面喷金处理后，采用日本电子株式会社的JSM-6390A 型扫描电子显微镜(SEM)观察并拍照， 放大倍数为1 000 倍。1.2 性能测试力学性能：按照GB/T 1040—2006，采用美特斯工业系统（中国）有限公司的CMT4503 型万能试验机测试试样的力学性能，拉伸速率为(250 ± 50) mm/min，试验温度为(23±2)℃。试样为Ⅱ型哑铃片，厚度为(1.0 ± 0.1)mm，长度为25 mm，宽度为6 mm，取5 次测试值的平均值作为试验结果。

热失重分析(TGA)：采用德国NETZSCH 公司的TGA/STA 449C 型热重分析仪研究试样的热稳定性。试验在流速为30 mL/min 的氮气气氛中进行，升温速率为10 ℃/min，测试温度为30～600 ℃。氧指数(LOI)：使用南京分析仪器厂的HC-2 型氧指数仪测试试样的氧指数，试样尺寸为140 mm×6.5 mm×3 mm。

锥形量热仪(CCT)：按照ASTM D 1356-2017

和ISO 5660-1:2002，使用英国Fire Testing Tech- nology Limited 公司的标准型锥形量热仪测试试样的动态燃烧性能，热辐射功率为50 kW/m2，每种试样取3 片进行测试，试样尺寸为100 mm×100 mm×4 mm。

结果与讨论

2.1 阻燃剂在基体中的分散状态

为了研究无机阻燃剂的分散状态对无卤阻燃复合材料性能的影响，采用SEM 对试样的脆断面进行观察，结果如图1 所示。其中浅白色颗粒代表分 散在基体中的无机氢氧化物，深色区域代表连续相的聚烯烃基体。

(a)1# (b)2#