Mg（OH）2／Al（OH）3阻燃電纜護套料性能的研究

侯欣鵬，矯 陽，李鐵軍，湯 偉，曹 珊

（1.北京富迪創業科技有限公司，北京101318；2.北京市射線應用研究中心，北京100015）

0 前言

近些年來，隨著數字信息化技術的不斷發展，世界電纜產品呈持續增長狀態，僅以我國為例，電纜市場以每年15%～20%的速度遞增，電線電纜業已成為我國機械行業中位置僅次于汽車業的第二大產業，我國也是僅次于美國的世界第二大電線電纜生產國。當今，電線電纜已應用于國防建設、工業生產、科學研究、國民生活等各個領域，與此同時，關于電線電纜所引發的火災事故也日益頻發，所以，開發性能優異的阻燃型電纜護套料就成為世界各國電線電纜業的迫切需求。

近年來，隨著對傳統型電纜護套料的認識的不斷深入和安全環保呼聲的高漲，無鹵阻燃劑受到了廣泛關注。無機阻燃劑因其安全性高、抑煙、無毒、價廉等優點，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，阻燃機理相似，即通過受熱分解釋放出水，同時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［3］，促使基材成炭的能力強。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配使用，Mg（OH）2都是優先的選擇。

PE-LD具有突出的電學性能、韌性、耐化學腐蝕和良好的加工性能［4］，是一種性能優異的電纜護套基礎原料，然而，PE-LD本身是非極性材料，與極性的無機阻燃劑相容性較差，需要引入極性基團進行改性，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性能，在許多領域都有應用，尤其是作為優良的隔熱材料用于電纜行業［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，從力學性能、阻燃性能、阻燃劑復配、混合物微觀結構等方面研究這兩種無機阻燃劑對電纜護套料的影響。

1 實驗部分

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化工廠；EPDM，4725p，天津市佳塑科貿發展有限公司；Mg（OH）2，MHY I，粒徑約0.4～0.8μm，天津長蘆漢沽鹽場有限責任公司；

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

光穩定劑，GW944z，北京加成試劑研究所；

氧化鋅、硬脂酸鋅，市售。

1.2 主要設備及儀器

電熱鼓風干燥箱，DF304，北京興爭儀器設備廠；

雙輥開煉機，SK-230，無錫橡膠機械有限公司；

塑料擠出機組，SJ-45J，北京英特塑料機械總廠；

塑料粉碎造粒機，F-1，昆山科信橡塑機械有限公司；

平板硫化機，QLB100T，南海通海利特橡塑機械有限公司；

電子式拉力機，T 2000E，北京友深電子儀器有限公司；

氧指數測定儀，HC900-2，江寧縣方山分析儀器設備廠；

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在設定溫度為100℃的干燥箱中干燥10h，其他粉狀助劑在60℃的環境下干燥4～5h；按表1、表2的配方準確稱取各種基材、阻燃劑及其他功能助劑，雙輥開煉機的實測溫度控制在（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混合，最后加入阻燃劑，混煉均勻后下片；將混煉后的料片經粉碎機切碎，加入到擠出機的投料口進行造粒，以增加材料的均勻程度和密實性，擠出機Ⅰ～Ⅵ段溫度分別為：90、130、140、135、130、110 ℃；造粒后的粒料經烘干后，通過管材擠出機組熔融擠出，擠出機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；按照力學性能和極限氧指數測試的國家標準，在平板硫化機上模壓相應厚度的樣片，平板硫化機溫度控制在（140±5）℃，預熱模具后，按規定質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定的樣條。

1.4 性能測試與結構表征

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

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

SEM分析：將測定力學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阻燃電纜護套料的配方Tab.2 Formula of Mg（OH）2flame-retarded cable jackets

2 結果與討論

2.1 Mg（OH）2／Al（OH）3阻燃電纜護套料

2.1.1 力學性能

從表3可以看出，由于無機阻燃劑的大量加入，材料的力學性能受到比較明顯的影響。這是由于無機填料的粒子分散在連續的塑料相中，與大分子之間存在一個界面，拉伸時界面受到應力，因應力集中而產生銀紋，雖然無機粒子本身可以阻止銀紋的發展，但是填料量較多，界面作用很明顯，使得拉伸強度和斷裂伸長率下降。當阻燃體系的總量保持不變時，材料的拉伸強度隨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，這是因為 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的作用。由于 Mg（OH）2為極性的無機粉體，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，但當無機粉體的添加量較大時，材料的剛性增強，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阻燃電纜護套料的力學性能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）中的基體樹脂出現分層現象，這可能是導致樣品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阻燃電纜護套料切斷面的SEM照片Fig.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，當阻燃體系的總量保持不變時，隨著體系中Mg（OH）2含量的增加，材料的極限氧指數有較明顯的提升。當Mg（OH）2和Al（OH）3添加比例為1∶1時，極限氧指數達到最大，體現了很好的協同阻燃效應，這可能是因為2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抑制聚合物的燃燒。此外，Al（OH）3可以促進 Mg（OH）2的炭化反應，在聚合物表面形成炭化層，起到了與周圍氧氣隔絕的作用，阻止了燃燒反應的進行。

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

2.2 Mg（OH）2阻燃電纜護套料

2.2.1 力學性能

由表5可以看出，隨著 Mg（OH）2添加量的增大，材料的拉伸強度和斷裂伸長率均呈現下降的趨勢。由圖2（a）可以看出，當 Mg（OH）2的含量相對較低時，無機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，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力集中點，材料的破壞會首先從這些阻燃劑微粒與樹脂基體的界面開始。在力學測試過程中發現，當 Mg（OH）2的加入量達到90份時，材料斷裂伸長率的數值出現很明顯的跳點，這可能是由于大量的無機填料破壞了基體樹脂的連續相分布，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對此產生影響。

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

圖2 Mg（OH）2含量不同的電纜護套料切斷面的SEM照片Fig.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，材料的極限氧指數與Mg（OH）2的加入量成正比關系，說明所用的Mg（OH）2對實驗所篩選的基體樹脂起到了良好的阻燃效果。

表6 Mg（OH）2阻燃電纜護套料的極限氧指數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據可以發現，對于以PE-LD／EVA／EPDM共混物為基材的電纜護套料，當加入40份的Mg（OH）2時，材料的極限氧指數便超過填充了90份 Al（OH）3的材料，此外，當單組分Mg（OH）2的加入量為50份時，材料的力學性能和極限氧指數均優于 Mg（OH）2／Al（OH）3復配體系的所有配比，說明對于所篩選的基體樹脂，Mg（OH）2／Al（OH）3復配體系并無明顯優勢，其原因可能是采用單一的Mg（OH）2后，無機阻燃劑的粒徑變小，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活性點，從物理及化學兩個方面均有利于與基體樹脂的結合［7］，從而能夠提高材料的力學性能和阻燃性能；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，有效地吸收放熱反應的能量，以達到控制材料燃燒的作用。

3 結論

（1）Mg（OH）2和 Al（OH）3的復配使用，對電纜護套料的阻燃性能有較明顯地改善，當兩者的份數比為1∶1時，材料的阻燃性能可達到比較理想的效果；當復配阻燃體系中 Mg（OH）2的含量大于 Al（OH）3時，材料的斷裂伸長率出現明顯的下降；

（2）單組分的Mg（OH）2能夠有效提高材料的阻燃性能，但對力學性能會產生負面影響；當Mg（OH）2加入量達到90份時，基體樹脂的連續相破壞嚴重，加之兩者之間的相容性不好，造成材料的力學性能有很大程度的下降；

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

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