硬脂酸鈉改性鎂鋁水滑石／EVA電纜復合材料的制備及性能研究

黃 耿，謝 靜，劉夢琴，李 璐，段錦華，劉晉男，張 雯

（1.衡陽師范學院 化學與材料科學系，湖南 衡陽421008；2.衡陽恒飛電纜有限責任公司，湖南 衡陽421008；3.株洲市南方中學，湖南 株洲412000）

近年來，由聚合物材料著火所引起的火災發生率呈上升趨勢。據統計，全球火災事故中，只有少數人死于明火燒身，而90%以上的人死于含有鹵素阻燃劑的聚合物材料燃燒時釋放出來的煙霧和毒性氣體而造成的窒息死亡。因此低煙無氯阻燃劑的研究具有十分重要的意義，其中使用清潔高效無機阻燃劑是改善材料阻燃性能的重要途徑。目前，廣泛使用的無機阻燃劑一般為金屬氫氧化物，常見的是氫氧化鋁和氫氧化鎂，它們具有阻燃、環保、抑煙、無毒等優點［l］，因而成為科研工作者們競相研究的熱點。

層狀雙氫氧化物（layered double hydroxides，LDHs，又稱水滑石）作為一種新型的無機材料［2－4］，與氫氧化鋁和氫氧化鎂有相似的組成和結構，并兼具兩者的優點，且LDHs本身不含任何有毒物質，因此是一種理想的阻燃和抑煙型清潔阻燃劑，在阻燃上呈現出的誘人的應用前景，使它的有關研究成為熱點［5－6］。這種獨特的結構賦予它酸性、堿性、熱穩定性、記憶效應等許多特殊的性質［7－13］，也正是這些特殊的性質使其成為一種具有巨大潛力的新型無機功能材料，受到人們的廣泛關注。

筆者將硬脂酸鈉改性水滑石以及氫氧化鋁分別與乙烯－醋酸乙烯共聚物混煉制備復合材料，考察其在硫磺硫化體系中改性水滑石與橡膠復合材料的硫化特性、機械性能、老化性能與氧指數［14－16］。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

儀器：沖片機（CP－25，上海中藝機器廠）；開放式煉膠機（JTC－759，廣東省湛江機械廠）；平板硫化機（QLB－350＊350＊2，上海第一橡膠機械廠）；無轉子硫化儀（MDR－2000，上海杰登機器設備有限公司）；熱老化試驗箱（XG－C2，江蘇省啟東縣實驗儀器廠）；橡膠強力試驗機（XQ－250，上海東方機械廠）；氧指數測定儀（HC－2，南京市江寧區分析儀器廠）。

試劑：改性水滑石（150nm，江陰瑞法化工有限公司）；氫氧化鋁（上海匯普工業化學品有限公司）；EVA（421／40L03，杜邦公司）；其余添加劑均購自國內各公司。

1.2 復合材料的制備及性能測試

采用基本配方（質量份）：改性水滑石和氫氧化鋁變量，EVA100份［17］，其余添加劑定量。將其投入開煉機，按照標準混煉得到混合膠。擱置8h后，控制溫度為150℃，在硫化儀中測試其硫化特性，再根據正硫化時間在液壓機上壓成片狀，擱置16h后切片，進行機械性能測試。按照標準制得2型啞鈴狀試樣，進行拉伸應力性能測試。最后在調節度溫至158℃，將試樣條放入老化試驗箱，老化168h后取出。按照標準進行。

2 結果與討論

2.1 硫化特性

表1 復合材料在硫磺硫化體系中的硫化特性

表1為硬質酸鈉改性鎂鋁水滑石／EVA和氫氧化鋁／EVA復合材料的硫化特性。△M（最大小扭矩之差）表征橡膠分子鏈纏結程度的高低；t10表征橡膠的焦燒時間，表示橡膠可安全加工時間的長短；t90表征橡膠的正工藝硫化時間。由表1橫向比較可知Al（OH）3／EVA復合材料的正硫化時間在阻燃劑的質量分數為40～70%時縮短，70～130%時增加；SLDHs／EVA復合材料的正硫化時間在阻燃劑的質量分數為40～100%時增加，100～130%時縮短。縱向比較可得SLDHs／EVA復合材料的預硫化時間和正硫化時間與Al（OH）3／EVA 復 合 材 料 相 比 有 了 一 定 的 縮 短，其 中SLDHs／EVA復合材料的預硫化時間和正硫化時間大為縮短。

2.2 機械性能

表2 復合材料在硫磺硫化體系中的的機械性能

續表

由表2見圖1復合材料的抗張強度。其中a代表SLDHs／EVA復合材料，b代表 Al（OH）3／EVA復合材料。從圖1橫向比較可得SLDHs／EVA的抗張強度先增大后減小然后再增大；Al（OH）3／EVA下降的趨勢比較小，當 Al（OH）3的質量分數增加到100%時，抗張強度開始增大。縱向比較可得阻燃劑的質量分數為40%～70%時，SLDHs／EVA ＞ Al（OH）3／EVA；質量分數為100%～130%時，抗張強度 Al（OH）3／EVA ＞SLDHs／EVA。

圖1 復合材料的抗張強度

綜上所述，當SLDHs投入量在70%以下時，抗張強度要高于Al（OH）3，當無機填料添加量增加至70%以上時，則情況相反。

圖2為復合材料伸長率。其中a代表SLDHs／EVA復合材料的，b代表Al（OH）3／EVA復合材料。從圖橫向比較可以看出復合材料的伸長率隨著阻燃劑的含量增加而減小，Al（OH）3／EVA的伸長率呈直線趨勢下降，且減小的程度很大；SLDHs／EVA復合材料下降的趨勢比較小，且大小相近。縱向比較可得復合材料的伸長率SLDHs／EVA＞Al（OH）3／EVA。

圖2 復合材料的伸長率

其中a代表SLDHs／EVA復合材料，b代表Al（OH）3／EVA復合材料。從圖3橫向比較可以看出復合材料的硬度隨著阻燃劑的含量增加而增加，縱向比較可得復合材料的硬度SLDHs／EVA ＞ Al（OH）3／EVA。

圖3 復合材料的硬度

綜上所述，硬脂酸鈉改性納米水滑石／EVA復合材料具有抗張強度大，伸縮率長，硬度小的物理機械性能。

2.3 老化性能

比較表2和表3可知復合材料老化后機械性能SLDHs／EVA和Al（OH）3／EVA的變化趨勢與老化前的一致：在填料添加量小于100%時，抗張強度變化率和伸長率變化率SLDHs／EVA＞ Al（OH）3／EVA，在填料添加量大于100%則相反。

表3 老化一周后的機械性能

2.4 阻燃性能

分別將壓片后的試樣進行氧指數測試，結果如表4所示。

表4 氧指數測試

從圖4橫向比較可以看出，復合材料的氧指數隨著阻燃劑的含量增加而增加。縱向比較可得EVA／SLDHs和EVA／Al（OH）3的阻燃效果相近。

圖4 復合材料的氧指數

3 結 論

通過以上性能比較說明硬脂酸鈉改性納米水滑石／EVA復合材料不僅有良好的阻燃效果，而且還有優良的硫化性能和機械性能，因此該復合材料將在控制成本的前提下可以用于替代EVA電纜中的金屬氫氧化物，并且也展示了水滑石在EVA電纜阻燃材料方面有很好的應用和發展前景［18－19］。

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