文/陳 龍 葉 斌 朱靜波 王 平 丁運(yùn)生 陳貝貝
(1.安徽華菱電纜集團(tuán)有限公司 2.安徽建筑大學(xué) 3.合肥工業(yè)大學(xué))
我國自主研發(fā)生產(chǎn)的“和諧號”和“復(fù)興號”高速動車組已全面采用低煙無鹵阻燃電纜。其內(nèi)部布線中部分型號電纜需敷設(shè)在白熾燈或LED 燈等發(fā)光源下,在長時間光照和熱作用的環(huán)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(fā)生表面降解、龜裂等現(xiàn)象,極易導(dǎo)致電纜擊穿或引發(fā)火災(zāi)[1,2]。傳統(tǒng)的耐紫外光穩(wěn)定劑可確保低煙無鹵材料在紫外光下保持性能穩(wěn)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(fā)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(tǒng)產(chǎn)品[3-5]。受阻胺紫外光穩(wěn)定劑HALS(hindered amine light stabilizer)是20世紀(jì)70年代中期由日本研制開發(fā)的一類新型高效穩(wěn)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(wěn)定劑與氣相法白炭黑復(fù)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。
EVA:EV421,日本三井;ACM:AR54,日本瑞翁;EPDM:3722P,陶氏化學(xué);受阻胺光穩(wěn)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(dá);氫氧化鎂:Magnifin 公司,粒徑1.25~1.65 μm;氫氧化鋁:HT-205,濟(jì)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。
開煉機(jī)(JG3010)、平板硫化儀(JG3012)、萬能電子拉力機(jī)(JG-4000D),揚(yáng)州金剛;燃燒氧指數(shù)試驗(yàn)儀,HC-2型,上海捷勝;氙燈耐候試驗(yàn)箱,Q-SUN Xe-3 型,美國Q-Lab;高溫老化試驗(yàn)箱,LHX-Ⅱ,呼和浩特德塔。
表1 試樣成分表
將以上原料按表1 的質(zhì)量百分比比例在開煉機(jī)(JG3010)上混合,經(jīng)平板硫化儀(JG3012)在170℃下壓片20 min 后取出,放置24h 后制得復(fù)合材料,并檢測。
采用JG-4000D 萬能電子拉力機(jī),按GB/T 1040-2006《塑料拉伸性能的測定》測定試樣的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率;采用HC-2 燃燒氧指數(shù)試驗(yàn)儀,按照GB/T 2406-1993《塑料燃燒性能試驗(yàn)方法氧指數(shù)法》測定試樣的氧指數(shù);采用LHX-Ⅱ高溫老化試驗(yàn)箱,按照GB/T 2951.12-2008 對電纜進(jìn)行老化性能試驗(yàn);采用美國Q-Lab Q-SUN Xe-3 氙燈耐候試驗(yàn)箱,按照ANSI/UL 1581-2006 進(jìn)行耐紫外光老化試驗(yàn),模擬長期光熱老化環(huán)境。
光老化試驗(yàn)裝置為Q-SUN Xe-3 氙燈耐候試驗(yàn)箱,該試驗(yàn)箱是由美國Q-Lab 生產(chǎn)的模擬日光耐候試驗(yàn)設(shè)備,其氙弧燈管提供了最真實(shí)的全光譜太陽光。由于該試驗(yàn)方法是對成品電纜的試驗(yàn),因此本次研究將制得的復(fù)合材料擠包到某型號電纜的導(dǎo)體上進(jìn)行日光老化試驗(yàn)。根據(jù)ANSI/UL 1581-2006 標(biāo)準(zhǔn),長期光熱老化的試驗(yàn)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(yàn)時間至少720 h。
目前國內(nèi)外沒有對材料長期光熱老化進(jìn)行評估的試驗(yàn)方法,因此,結(jié)合材料熱老化性能檢測,本試驗(yàn)將試驗(yàn)條件更改為試樣先經(jīng)過168h、試驗(yàn)溫度為158℃的熱老化試驗(yàn),再進(jìn)行720h、試驗(yàn)溫度為63℃的光老化試驗(yàn),以此來模擬長期光熱老化條件[9]。
試驗(yàn)結(jié)果顯示,未添加防光老化成分的樣品1 在經(jīng)過熱老化和光老化后出現(xiàn)表面龜裂現(xiàn)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(jié)果可看出,添加有受阻胺光穩(wěn)定劑與氣相法白炭黑并復(fù)配抗氧劑的復(fù)合材料(3#樣品),同一樣品經(jīng)過熱老化和日光老化測試后,性能保持情況較好,拉伸強(qiáng)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(wěn)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(wěn)定劑是自由基捕獲劑的一種,其作用機(jī)理十分復(fù)雜。巴斯夫2020 受阻胺官能團(tuán)屬脂環(huán)胺類結(jié)構(gòu),在有氧狀態(tài)下吸收光能后,可以轉(zhuǎn)變?yōu)榈踝杂苫∟O·),這些氮氧自由基可以捕獲復(fù)合材料中光氧化降解中所產(chǎn)生的烷基活性自由基,而且在光穩(wěn)定化過程中具有再生功能,從而抑制連鎖反應(yīng)達(dá)到防護(hù)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(xié)同效應(yīng)的兩種抗氧劑比單獨(dú)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(xié)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(xié)同效果。
受阻胺光穩(wěn)定劑與抗氧劑同時使用時,存在協(xié)同效應(yīng)、加和效應(yīng)和對抗效應(yīng),而從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,巴斯夫2020 與抗氧劑1010 加抗氧劑3010 存在明顯協(xié)同效應(yīng)。其主要原因是1010 抗氧劑氧化后生成的醌與受阻胺光穩(wěn)定劑生成的N-OH 經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)再生成酚,這是復(fù)合材料長期光熱穩(wěn)定的原因之一[11]。同時,在復(fù)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(qiáng)的反射作用[12],進(jìn)而提高了復(fù)合材料的光穩(wěn)定性。
表2 熱老化性能和日光老化性能變化表
本文采用受阻胺光穩(wěn)定劑和氣相法白炭黑與抗氧劑復(fù)配,提高了低煙無鹵阻燃電纜料的長期光熱老化性能。試驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)過158℃、168 h 熱老化和720h 日光老化后,添加有受阻胺光穩(wěn)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(qiáng)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(wěn)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(huán)境下的低煙無鹵阻燃電纜的使用性能要求。