氯化聚乙烯電纜料的配方優化

田小艷，楊金明，鄭健鈞，湯粵豫，王 波

（1.陜西省石油化工研究設計院，陜西 西安 710054；2.陜西省石油化工精細化學品重點實驗室，陜西 西安 710054）

氯化聚乙烯（CPE）橡膠是由聚乙烯氯化改性制得的高分子合成材料，其分子是線形飽和無規則結構，因此具有優良的柔韌性、耐熱老化性、耐候性和耐臭氧性等[1–3]；又由于其分子結構中含有相當比例的氯元素，因此具有良好的耐油、耐化學藥品和阻燃性，其綜合性能介于氯丁橡膠和氯磺化聚乙烯之間[4]。CPE可作為高性能特種橡膠單獨使用，若與三元乙丙橡膠（EPDM）、丁腈橡膠、氯磺化聚乙烯等材料共混，產品使用壽命、耐候性能、耐紫外線性能、耐熱老化性能、彈性、電性能、低溫性能、耐油性能等均得到改善，可用于電線電纜領域，特別是用作護套材料[5–6]。

本工作主要研究CPE/EPDM用量比及硫化體系對CPE/EPDM共混物性能的影響，確定優化配方，以期在滿足加工工藝要求、降低成本的情況下，制備可替代進口CPE電纜料產品的CPE/EPDM阻燃型電纜料。

1 實驗

1.1 主要原材料

CPE，牌號135，濰坊亞星化學股份有限公司產品；EPDM，牌號EP51，日本合成橡膠株式會社產品；炭黑N539，上海立事化工實業公司產品；硫化劑DCP，天津科密歐化學試劑有限公司產品；助交聯劑TAIC，湖南瀏陽化工廠產品。

1.2 主要設備與儀器

Φ160 320型開煉機，無錫市橡膠塑料機械廠產品；QLB-D350 350 2C型平板硫化機，上海西瑪偉力橡塑機械有限公司產品；2500 N材料試驗機，江蘇省江都試驗機械廠產品；HST-50D型熱空氣老化箱，晨輝電器有限公司產品；YDY-1型氧（空氣）彈老化儀，呼和浩特市機電研究所產品。

1.3 試樣制備

CPE與EPDM在130 ℃下進行塑煉，然后加入硫化劑、防老劑、熱穩定劑、填充劑、增塑劑等各種小料進行混煉，最后在平板硫化機上硫化制樣。硫化后常溫放置24 h以上，進行各項性能測試。

1.4 性能測試

CPE電纜料耐老化性能及拉伸性能參照GB/T 2915—2008《電纜和光纜絕緣和護套材料通用試驗方法》進行測試；CPE電纜料電性能參照GB/T 3048.5—2007《電線電纜電性能試驗方法》進行測試。

2 結果與討論

2.1 硫化體系對CPE電纜料耐老化和耐油性能的影響

CPE為主鏈飽和橡膠，可用多種硫化體系硫化，其傳統硫化體系為過氧化物硫化體系、硫脲硫化體系和噻唑類硫化體系。本工作分別對硫化劑DCP/助交聯劑TAIC和噻唑類衍生物（TDD）/胺類促進劑（NC）硫化體系進行對比研究，以選擇合適的硫化體系。

兩種硫化體系對CPE/EPDM共混物焦燒時間和正硫化時間的影響如表1所示。

表1 兩種硫化體系對CPE/EPDM共混物焦燒時間和正硫化時間的影響 min

注：1）配方為CPE 70，EPDM 30，炭黑 10，氧化鎂 5，抗氧劑 2，增塑劑DOP 5，硫化劑DCP 4，助交聯劑TAIC 2.5；2）配方為CPE 70，EPDM 30，炭黑 10，氧化鎂 5，抗氧劑2，增塑劑DOP 5，TDD 2.5，NC 4。

從表1可以看出，DCP/TAIC硫化體系的焦燒時間較長，長于2 min，TDD/NC硫化體系的焦燒時間略長于1 min。不同硫化體系對正硫化時間影響較小，兩硫化體系的正硫化時間均在28 min左右。

兩種硫化體系對CPE/EPDM共混物耐老化性能和耐油性能的影響如表2所示。

表2 兩種硫化體系對CPE/EPDM共混物耐老化性能和耐油性能的影響 %

從表2可以看出：TDD/NC硫化體系膠料老化后，拉伸強度和拉斷伸長率降幅較小，耐老化性能較好；硫化劑DCP/助交聯劑TAIC硫化體系膠料在熱空氣老化后拉伸強度非但沒有下降，反而存在一定程度的提高，但其拉斷伸長率降幅較大。不同硫化體系硫化膠的耐油性能差異很大，硫化劑DCP/助交聯劑TAIC硫化體系膠料的耐油性能明顯優于TDD/NC硫化體系膠料。

綜上所述，TDD/NC和硫化劑DCP/助交聯劑TAIC硫化體系的硫化時間和焦燒時間總體而言差別不大。兩種硫化體系膠料的耐老化性能各有優劣。TDD/NC硫化體系硫化膠的物理性能良好，但該硫化劑價格昂貴，在國內尚未得到推廣。硫化劑DCP/助交聯劑TAIC硫化體系硫化膠的物理性能稍差，但壓縮永久變形性能很好，耐油性能較優，且該硫化劑價格便宜。綜合考慮產品性價比，后續試驗選擇硫化劑DCP/助交聯劑TAIC硫化體系。

2.2 正交試驗

2.2.1 正交試驗設計

分別以EPDM、硫化劑DCP、助交聯劑TAIC、炭黑、氧化鎂、抗氧劑、增塑劑DOP用量（份）為變量因子A～G進行正交水平設計，試驗方案見表3。

表3 正交設計表

2.2.2 性能與影響因素分析

CPE電纜料老化前后性能如表4所示，各組分用量對老化后膠料物理性能和電性能影響的顯著性分析如表5所示。

2.2.2.1 各組分用量對老化后電纜料物理性能的影響

從表5可以看出，對拉斷伸長率的影響大小順序為D＞A＞B＞G＞F＞C＞E，其中因子D對拉斷伸長率影響最大。獲得最佳拉斷伸長率的方案應為A3B2C1D1E3F2G2。

從表4可以看出，老化后拉伸強度增大，增幅介于24%與65%之間。從表5可以看出，各因子對拉伸強度的影響大小順序為D＞A＞E＞B＞C＞G＞F，其中因子D和A對拉伸強度影響較大；老化后炭黑對拉伸強度提高作用明顯，EPDM用量增大，老化后材料的拉伸強度先大幅下降而后小幅上升。其他組分用量對老化前后材料的拉伸強度影響不大。獲得最佳拉伸強度的方案應為A1B3C2D3E3F3G1。

表4 老化前后CPE電纜料性能對比

綜上所述，隨著EPDM用量的增大，老化后材料的物理性能相對提高，因此EPDM的加入有利于提高材料的耐老化性能，老化后材料的拉斷伸長率下降，拉伸強度提高。

2.2.2.2 各組分用量對老化后電纜料電性能的影響

從表5可以看出，老化后電纜料的電阻率大幅下降，各因子對電阻率的影響大小順序為D＞A＞C＞E＞B＞F＞G，炭黑能夠大幅提高老化后電阻率。這是由于炭黑的耐老化性能較強。獲得最佳老化后電阻率的方案應為A3B2C3D3E1F2G3。

從表4可以看出，老化后電纜料的介電損耗較大幅度地增大。從表5可以看出，各因子對介電損耗的影響大小順序為D＞A＞F＞B＞G＞E＞C。炭黑對材料介電損耗的影響與老化前結果正好相反，隨著炭黑用量的增大，材料老化后的介電損耗降低，這是由于炭黑的耐老化性能較強，與電阻率結果一致。因此獲得最小老化后介電損耗的方案應為A3B1C1D1E1F3G3。隨著EPDM用量的增大，材料的介電損耗降低，這與老化前結果一致。

表5 各組分用量對老化后膠料物理性能和電性能影響顯著性分析

從表4可以看出，老化后介電常數變化不大。從表5可以看出，各因子對介電常數的影響大小順序為A＞G＞F＞B＞D＞C＞E。EPDM對老化后介電常數的影響較大，這與老化前結果相一致。

從表4可以看出，老化后電纜料的擊穿電壓降低。從表5可以看出，各因子對擊穿電壓的影響大小順序為D＞C＞E＞A＞B＞F＞G，各組分對老化前后材料的擊穿電壓影響不大。少量的炭黑可以提高材料的耐老化擊穿電壓。獲得最佳老化后擊穿電壓的方案應為A3B2C3D2E2F2G3。

綜上所述，炭黑對老化后材料的電性能影響較大，炭黑的加入可以增強材料在電性能方面的耐老化性能。

2.3 正交試驗結果優化及驗證

綜合考慮電纜料老化后的物理性能及電性能，對各因子對電纜料老化后各性能的影響進行顯著性分析，通過正交試驗得到最佳配方為：CPE 70，EPDM 30，炭黑 10，氧化鎂 5，抗氧劑2，增塑劑DOP 5，硫化劑DCP 4，助交聯劑TAIC 2.5。

對正交試驗得到的分析結果進行試驗驗證，優化配方膠料的物理性能、電性能及耐老化性能如表6所示。

表6 優化配方膠料的物理性能和電性能

從表6可以看出，優化配方膠料具有較好的物理性能、電性能及耐老化性能，綜合性能優于正交試驗各方案。

3 結論

當膠料配方為CPE 70，EPDM 30，炭黑10，氧化鎂 5，抗氧劑 2，增塑劑DOP 5，硫化劑DCP 4，助交聯劑TAIC 2.5時，CPE電纜料具有較好的物理性能、電性能及耐老化性能，滿足電纜料要求。