耐長期光熱老化低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料的研究與開發

文/陳 龍 葉 斌 朱靜波 王 平 丁運生 陳貝貝

（1.安徽華菱電纜集團有限公司 2.安徽建筑大學 3.合肥工業大學）

我國自主研發生產的“和諧號”和“復興號”高速動車組已全面采用低煙無鹵阻燃電纜。其內部布線中部分型號電纜需敷設在白熾燈或LED 燈等發光源下，在長時間光照和熱作用的環境下，如果電纜的顏色為非黑色，即無法加入炭黑屏蔽紫外線，則不具備耐長期光熱老化的能力，在長期使用過程中會發生表面降解、龜裂等現象，極易導致電纜擊穿或引發火災[1，2]。傳統的耐紫外光穩定劑可確保低煙無鹵材料在紫外光下保持性能穩定，但在光和熱同時作用的情況下，材料的老化速度將比單一的光和熱老化速度更快，亟需開發同時具有耐光熱作用的耐老化低煙無鹵阻燃聚烯烴材料替代傳統產品[3-5]。受阻胺紫外光穩定劑HALS（hindered amine light stabilizer）是20世紀70年代中期由日本研制開發的一類新型高效穩定劑，用于提高塑料和橡膠等高分子材料的防日光老化性能[6-8]。本文采用受阻胺光穩定劑與氣相法白炭黑復配抗氧劑作為低煙無鹵阻燃聚烯烴材料的防日光老化劑，同時考察其對材料的長期光熱老化性能的影響，制備具有耐長期光熱老化性能的低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料。

一、試驗部分

1.原料

EVA：EV421，日本三井；ACM：AR54，日本瑞翁；EPDM：3722P，陶氏化學；受阻胺光穩定劑HALS：巴斯夫2020；納米級氣相法白炭黑：10～50 nm；YIPHOS 3010，廣州志一化工；粉體抗氧劑：1010，北京極易化工；炭黑：上海凱茵化工，粒徑15～25 nm；DCP：上海方銳達；氫氧化鎂：Magnifin 公司，粒徑1.25～1.65 μm；氫氧化鋁：HT-205，濟南泰興，平均粒徑≤7 μm；硬脂酸(SA)：合肥榮光化工；沉淀法白炭黑：上海西蒙化工；其他助劑。

2.主要設備及儀器

開煉機（JG3010）、平板硫化儀（JG3012）、萬能電子拉力機（JG-4000D），揚州金剛；燃燒氧指數試驗儀，HC-2型，上海捷勝；氙燈耐候試驗箱，Q-SUN Xe-3 型，美國Q-Lab；高溫老化試驗箱，LHX-Ⅱ，呼和浩特德塔。

表1 試樣成分表

3.試樣制備

將以上原料按表1 的質量百分比比例在開煉機（JG3010）上混合，經平板硫化儀(JG3012)在170℃下壓片20 min 后取出，放置24h 后制得復合材料，并檢測。

4.試樣測試

采用JG-4000D 萬能電子拉力機，按GB/T 1040-2006《塑料拉伸性能的測定》測定試樣的拉伸強度和斷裂伸長率；采用HC-2 燃燒氧指數試驗儀，按照GB/T 2406-1993《塑料燃燒性能試驗方法氧指數法》測定試樣的氧指數；采用LHX-Ⅱ高溫老化試驗箱，按照GB/T 2951.12-2008 對電纜進行老化性能試驗；采用美國Q-Lab Q-SUN Xe-3 氙燈耐候試驗箱，按照ANSI/UL 1581-2006 進行耐紫外光老化試驗，模擬長期光熱老化環境。

二、試驗結果與討論

光老化試驗裝置為Q-SUN Xe-3 氙燈耐候試驗箱，該試驗箱是由美國Q-Lab 生產的模擬日光耐候試驗設備，其氙弧燈管提供了最真實的全光譜太陽光。由于該試驗方法是對成品電纜的試驗，因此本次研究將制得的復合材料擠包到某型號電纜的導體上進行日光老化試驗。根據ANSI/UL 1581-2006 標準，長期光熱老化的試驗條件為：以灑水18min、氙燈干燥102 min 為一個周期，測試溫度63℃、濕度65%，波長300～400 nm 條件下的最小功率(60±2)W/m2，總試驗時間至少720 h。

目前國內外沒有對材料長期光熱老化進行評估的試驗方法，因此，結合材料熱老化性能檢測，本試驗將試驗條件更改為試樣先經過168h、試驗溫度為158℃的熱老化試驗，再進行720h、試驗溫度為63℃的光老化試驗，以此來模擬長期光熱老化條件[9]。

試驗結果顯示，未添加防光老化成分的樣品1 在經過熱老化和光老化后出現表面龜裂現象，而另外兩個樣品均無明顯可見裂紋。材料性能變化如表2 所示。

從表2 結果可看出，添加有受阻胺光穩定劑與氣相法白炭黑并復配抗氧劑的復合材料（3#樣品），同一樣品經過熱老化和日光老化測試后，性能保持情況較好，拉伸強度保留率和斷裂伸長率保留率均高于1#樣品和2#樣品。

巴斯夫2020 受阻胺光穩定劑與聚合物相容性良好，在聚合物中得到均勻分散，在改善材料光熱老化性能的同時，與炭黑屏蔽成分相比，不會劣化材料的電氣性能。

受阻胺光穩定劑是自由基捕獲劑的一種，其作用機理十分復雜。巴斯夫2020 受阻胺官能團屬脂環胺類結構，在有氧狀態下吸收光能后，可以轉變為氮氧自由基（NO·），這些氮氧自由基可以捕獲復合材料中光氧化降解中所產生的烷基活性自由基，而且在光穩定化過程中具有再生功能，從而抑制連鎖反應達到防護目的[10]。

抗氧劑一般包括鏈終止型主抗氧劑和氫過氧化物分解型輔抗氧劑，具有協同效應的兩種抗氧劑比單獨使用效果更好。其中抗氧劑1010 為四[β-（3，5-二叔丁基-4-羥基苯基）丙酸]季戊四醇酯，是酚類抗氧劑，也是鏈終止型主抗氧劑，與其協同的抗氧劑3010 為二亞磷酸季戊四醇酯二異葵酯，是亞磷酸酯抗氧劑。二者同時使用起到了很好的協同效果。

受阻胺光穩定劑與抗氧劑同時使用時，存在協同效應、加和效應和對抗效應，而從實驗結果可知，巴斯夫2020 與抗氧劑1010 加抗氧劑3010 存在明顯協同效應。其主要原因是1010 抗氧劑氧化后生成的醌與受阻胺光穩定劑生成的N-OH 經光化學反應再生成酚，這是復合材料長期光熱穩定的原因之一[11]。同時，在復合材料中加入了納米級氣相法白炭黑，由于其顆粒小，對280～400 nm 波段的紫外線中、長波起到很強的反射作用[12]，進而提高了復合材料的光穩定性。

表2 熱老化性能和日光老化性能變化表

三、結論

本文采用受阻胺光穩定劑和氣相法白炭黑與抗氧劑復配，提高了低煙無鹵阻燃電纜料的長期光熱老化性能。試驗結果表明，經過158℃、168 h 熱老化和720h 日光老化后，添加有受阻胺光穩定劑和氣相法白炭黑的低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料，其耐光熱老化性能中的拉伸強度保留率、斷裂伸長率保留率以及電氣性能中的體積電阻率均高于未添加光穩定劑的樣品和添加有炭黑屏蔽劑的樣品，可滿足高速動車組中處于長期光照環境下的低煙無鹵阻燃電纜的使用性能要求。