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。

一、試驗(yàn)部分

1.原料

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。

2.主要設(shè)備及儀器

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

3.試樣制備

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。

4.試樣測試

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。

二、試驗(yàn)結(jié)果與討論

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

三、結(jié)論

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。