一種阻燃聚乙烯電纜料的制備與表征

胡高聳，李 準，李廣杰，楊 興

(1.河南樂山電纜有限公司，河南 駐馬店 463023；2.四川鑫電電纜有限公司，四川 成都 611700；3.江蘇賽德電氣有限公司，江蘇 揚州 225654)

0 引言

根據國家應急管理部消防救援局發布的2020年以來全國火災及消防救援隊伍接處警情分析，電氣類原因繼續強力影響火災走勢，而因短路、過負荷、接觸不良等線路問題引發火災占電氣火災總數68.9%，帶來嚴重的人員傷亡和經濟損失。因此，阻燃高聚物電纜材料的研究就變得至關重要[1-2]。

目前，電纜所用的絕緣和護套通常為含有碳氫的高分子有機聚合物，如聚氯乙烯(PVC)、交聯聚乙烯(XLPE)、聚丙烯(PP)和聚酰胺等。這些聚合物在受熱條件下會發生軟化、熔融，甚至燃燒。聚合物的阻燃主要通過在聚合過程中加入阻燃基團或外加阻燃劑2種方式來實現。由于工藝復雜、成本較高，在聚合過程中加入阻燃基團這種方法的應用范圍受到很大的限制。

阻燃劑的類型有鹵素阻燃劑、金屬氫氧化物阻燃劑、磷系阻燃劑和硅系阻燃劑等[3-4]，其中鹵素阻燃劑是當今世界產量最大的阻燃劑，以添加量少、阻燃性能優良而被廣泛應用[5]。金屬氫氧化物阻燃劑屬于無機阻燃劑，特點是穩定性好、不揮發、煙氣無毒[6]。磷系阻燃劑是弱的火焰抑制劑，其耐水性較差，且與塑料的相容性也較差，從而導致制品的力學性能降低，應用較少[7]。

基于此，本文以DBDPO和Sb2O3作為鹵素阻燃劑，LDPE作為電纜料的基礎樹脂，混煉制備出一種阻燃聚乙烯電纜料，對其阻燃性能和力學等性能進行測試分析。

1 實驗

1.1 試劑和儀器

北京燕山石化有限公司生產的低密度聚乙烯(LDPE104)，抗氧劑(Irganox1010)；美國大湖有限責任公司生產的DBDPO(DE83-R)，三氧化銻(Sb2O3)；上海西瑪偉力橡塑機械公司的SK2160雙輥開煉機、HP-63半自動壓力成型機；沈陽捷維科技開發有限公司的垂直燃燒試驗設備、氧指數測試儀；內蒙古德塔科技有限公司的非金屬拉力機；江都試驗機械廠的試樣切片機和沖片機。

1.2 阻燃聚乙烯電纜料的制備

阻燃聚乙烯電纜料的制備流程(見圖1)具體過程如下。

圖1 阻燃聚乙烯電纜料的制備流程圖

1)在一定溫度下(140℃～155℃)將LDPE塑煉，然后同時加入阻燃劑(DBDPO和Sb2O3)和抗氧劑(Irganox1010)混煉15 min后出片。

2)將混煉好的共混物在160 ℃下預熱處理5 min，在半自動壓力成型機中壓片(壓力為16 MPa，壓制時間為5 min)，然后試樣切片機和沖片機裁剪成試驗所需要的試樣待測試用。

1.3 性能測試

垂直燃燒性能測試：按照GB/T 2408-2008塑料燃燒性能的測定，采用垂直燃燒儀進行測試。試樣數量20根，試樣尺寸為：長(125±5)mm，寬(13.0±0.5)mm，厚度不超過1.3 mm。邊緣平滑同時倒角半徑不超過1.3 mm。

力學性能測試：參照GB/T 1040-2006拉伸性能的測定，采用電子拉力試驗機進行測試。試樣數量18根，尺寸為：總長≥150，標距長50±0.5 mm，寬10～25 mm，厚小于等于1 mm。

氧指數測試：參照GB/T 2406-2008塑料用氧指數法測定燃燒行為，采用氧指數測試儀進行測試。試樣數量30根，試樣尺寸為：長70～150 mm，寬6.5±0.3 mm，厚3.0±0.2 mm。

2 結果與討論

2.1 DBDPO/Sb2O3協效性研究

通過實驗，DBDPO/Sb2O3對聚乙烯電纜料燃燒性能的影響如表1所示。當不添加DBDPO/ Sb2O3阻燃體系時，聚乙烯電纜料的氧指數測試值為16，垂直燃燒試驗超出了等級范圍，只是發生燃燒現象；添加DBDPO后，聚乙烯電纜料的氧指數變為17，垂直燃燒試驗變化不明顯；當同時添加不同量的DBDPO/ Sb2O3后，聚乙烯電纜料的氧指數值會逐漸上升，垂直燃燒等級可達到V-2級；當添加的DBDPO/ Sb2O3質量比為3:1時聚乙烯電纜料的氧指數值為19，垂直燃燒等級達到V-2級，質量比為1：1或3:2時，聚乙烯電纜料的氧指數值為22，垂直燃燒等級可達到V-2級，這說明當添加的DBDPO/ Sb2O3質量比為3:1時，聚乙烯電纜料的阻燃性能具有最佳的經濟性。

表1 DBDPO/Sb2O3對阻燃聚乙烯燃燒性能的影響

2.2 阻燃聚乙烯料的阻燃性能

阻燃體系(DBDPO和Sb2O3，質量比為3:1)含量對聚乙烯電纜料阻燃性能的測試結果(見表2)。從表中可知，DBDPO/Sb2O3含量為20%時，聚乙烯電纜料的氧指數為19； DBDPO/ Sb2O3含量為40%時，聚乙烯電纜料的氧指數為24； DBDPO/ Sb2O3含量為50%時，聚乙烯電纜料的氧指數為27。這說明聚乙烯電纜料的氧指數隨著DBDPO和Sb2O3含量的增加而增加。當DBDPO和Sb2O3含量占比為20%時，垂直燃燒等級僅為V-1，阻燃效果一般。當DBDPO和Sb2O3含量增加到40%以上時，垂直燃燒等級可達到V-2，說明其具有良好的阻燃性能，出于經濟性的考慮，DBDPO和Sb2O3含量40%為最佳。

表2 阻燃體系含量對阻燃聚乙烯阻燃性能的影響

2.3 阻燃聚乙烯料的力學性能

通過實驗得出了DBDPO/Sb2O3含量對阻燃聚乙烯的力學性能影響，結果如圖2所示。阻燃聚乙烯料的抗拉強度(曲線B)和斷裂伸長率(曲線C)均會隨著DBDPO/Sb2O3的增加而減小。當DBDPO/Sb2O3含量在0%～40%變化時，阻燃聚乙烯料的抗拉強度從13 MPa降低到10 MPa，斷裂伸長率由500%降低到200%，斷裂伸長率變化明顯高于拉伸強度變化。當DBDPO/Sb2O3含量達到40%及以上時，曲線基本重合。基于力學性能和阻燃性能的綜合考慮，DBDPO/Sb2O3含量控制在40%為最好。

圖2 DBDPO/Sb2O3含量對聚乙烯的力學性能的影響

3 結論

阻燃聚乙烯電纜料中加入合適比例的DBDPO/Sb2O3可以顯著提高材料的的阻燃性能。當DBDPO/Sb2O3質量比為3:1時，阻燃聚乙烯電纜料具有最佳的阻燃協效性，垂直燃燒等級達到V-2級。當DBDPO/Sb2O3含量控制在40%時，阻燃聚乙烯電纜料同時具有最佳的力學性能和阻燃性能。