胡高聳,李 準(zhǔn),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)
根據(jù)國家應(yīng)急管理部消防救援局發(fā)布的2020年以來全國火災(zāi)及消防救援隊伍接處警情分析,電氣類原因繼續(xù)強力影響火災(zāi)走勢,而因短路、過負(fù)荷、接觸不良等線路問題引發(fā)火災(zāi)占電氣火災(zāi)總數(shù)68.9%,帶來嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟損失。因此,阻燃高聚物電纜材料的研究就變得至關(guān)重要[1-2]。
目前,電纜所用的絕緣和護套通常為含有碳?xì)涞母叻肿佑袡C聚合物,如聚氯乙烯(PVC)、交聯(lián)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(fā)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(xiàn)。由于工藝復(fù)雜、成本較高,在聚合過程中加入阻燃基團這種方法的應(yīng)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(dāng)今世界產(chǎn)量最大的阻燃劑,以添加量少、阻燃性能優(yōu)良而被廣泛應(yīng)用[5]。金屬氫氧化物阻燃劑屬于無機阻燃劑,特點是穩(wěn)定性好、不揮發(fā)、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(dǎo)致制品的力學(xué)性能降低,應(yīng)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(chǔ)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(xué)等性能進(jìn)行測試分析。
北京燕山石化有限公司生產(chǎn)的低密度聚乙烯(LDPE104),抗氧劑(Irganox1010);美國大湖有限責(zé)任公司生產(chǎn)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(fā)有限公司的垂直燃燒試驗設(shè)備、氧指數(shù)測試儀;內(nèi)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。
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(yù)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。
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(jìn)行測試。試樣數(shù)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(xué)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(jìn)行測試。試樣數(shù)量18根,尺寸為:總長≥150,標(biāo)距長50±0.5 mm,寬10~25 mm,厚小于等于1 mm。
氧指數(shù)測試:參照GB/T 2406-2008塑料用氧指數(shù)法測定燃燒行為,采用氧指數(shù)測試儀進(jìn)行測試。試樣數(shù)量30根,試樣尺寸為:長70~150 mm,寬6.5±0.3 mm,厚3.0±0.2 mm。
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(dāng)不添加DBDPO/ Sb2O3阻燃體系時,聚乙烯電纜料的氧指數(shù)測試值為16,垂直燃燒試驗超出了等級范圍,只是發(fā)生燃燒現(xiàn)象;添加DBDPO后,聚乙烯電纜料的氧指數(shù)變?yōu)?7,垂直燃燒試驗變化不明顯;當(dāng)同時添加不同量的DBDPO/ Sb2O3后,聚乙烯電纜料的氧指數(shù)值會逐漸上升,垂直燃燒等級可達(dá)到V-2級;當(dāng)添加的DBDPO/ Sb2O3質(zhì)量比為3:1時聚乙烯電纜料的氧指數(shù)值為19,垂直燃燒等級達(dá)到V-2級,質(zhì)量比為1:1或3:2時,聚乙烯電纜料的氧指數(shù)值為22,垂直燃燒等級可達(dá)到V-2級,這說明當(dāng)添加的DBDPO/ Sb2O3質(zhì)量比為3:1時,聚乙烯電纜料的阻燃性能具有最佳的經(jīng)濟性。
表1 DBDPO/Sb2O3對阻燃聚乙烯燃燒性能的影響
阻燃體系(DBDPO和Sb2O3,質(zhì)量比為3:1)含量對聚乙烯電纜料阻燃性能的測試結(jié)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(shù)為19; DBDPO/ Sb2O3含量為40%時,聚乙烯電纜料的氧指數(shù)為24; DBDPO/ Sb2O3含量為50%時,聚乙烯電纜料的氧指數(shù)為27。這說明聚乙烯電纜料的氧指數(shù)隨著DBDPO和Sb2O3含量的增加而增加。當(dāng)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(dāng)DBDPO和Sb2O3含量增加到40%以上時,垂直燃燒等級可達(dá)到V-2,說明其具有良好的阻燃性能,出于經(jīng)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
通過實驗得出了DBDPO/Sb2O3含量對阻燃聚乙烯的力學(xué)性能影響,結(jié)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(dāng)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(dāng)DBDPO/Sb2O3含量達(dá)到40%及以上時,曲線基本重合?;诹W(xué)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(xué)性能的影響
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(dāng)DBDPO/Sb2O3質(zhì)量比為3:1時,阻燃聚乙烯電纜料具有最佳的阻燃協(xié)效性,垂直燃燒等級達(dá)到V-2級。當(dāng)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(xué)性能和阻燃性能。