有机硅粉对阻燃电缆护套管性能的研究

汤伟，侯欣鹏，李建君，庞艳铎

（1.北京市射线应用研究中心，北京100015；2.北京富迪创业科技有限公司，北京101318）

有机硅粉对阻燃电缆护套管性能的研究

汤伟1，侯欣鹏2，李建君2，庞艳铎2

（1.北京市射线应用研究中心，北京100015；2.北京富迪创业科技有限公司，北京101318）

以低密度聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯、聚烯烃弹性体（LDPE-EVA-PO E）共混为主体基体，膨胀型阻燃剂聚磷酸铵（APP）为主阻燃剂，使用有机硅粉作为体系的改性助剂，研究了膨胀型阻燃剂、有机硅粉对材料力学性能、阻燃性能和发烟性的影响。结果表明，随着APP含量的增加，材料的阻燃性明显增加，但拉伸强度和断裂拉伸应变下降。有机硅粉与APP可产生较好的协同效应，提高氧指数。经烟密度测试，有机硅粉在阻燃材料燃烧时能降低发烟量。电子显微镜扫描结果表明，有机硅粉有助于阻燃剂在基体材料中的分散，提高阻燃材料的力学性能。

有机硅粉；膨胀型阻燃剂；力学性能；发烟性

通常情况下，电线电缆外层选用的高分子合成材料极易燃烧，电线电缆传输能量中的自身发热或外部火灾极易引发火灾[1]。电缆在燃烧中会释放出大量的浓烟和腐蚀性气体，烟雾阻挡视线，给火灾现场逃生带来困难；毒性气体使人窒息，危及人的生命安全。这种潜在的“二次灾害”的危险性往往比直接燃烧的危险性更大[2]。

随着对阻燃产品的环境安全性和使用安全性要求日趋严格，低烟无卤阻燃材料的研制和使用成为国内外电线电缆的研发方向之一，磷-铵类阻燃剂以其多方面的优越性能，成为发展的主要方向[3]。膨胀型阻燃剂（IFR）是一种高效无卤阻燃体系，具有填充量少、阻燃效果好的优点[4]。IFR阻燃高分子材料时，会在聚合物的燃烧表面形成一层多孔膨胀炭层，此炭层可阻止热量和氧气向内部聚合物基材的传递，大大降低聚合物的热降解速度，减少产生的可燃性气体量。

高聚合度的聚磷酸铵（APP）可作为阻燃体系的酸源和气源，APP在高温条件下受热脱水生成聚磷酸或偏磷酸，可作为强脱水剂与阻燃体系中的成炭物质发生脱水作用而形成单质碳层，通过气源所产生的不燃性气体的作用形成膨胀碳层起到隔绝空气、阻隔火源，达到阻燃的目的[5]。

将微胶囊化应用于阻燃剂中，是近年来发展起来的一项新技术。微胶囊化的实质是把阻燃剂粉碎分散成微粒后，用有机物或无机物进行包囊，形成微胶囊阻燃剂，或以表面很大的无机物为载体，将阻燃剂吸附在这些无机物载体的空隙中，形成蜂窝式微胶囊阻燃剂[6]。同时，微胶囊化可大幅度减少阻燃剂粉末的吸湿性，降低团聚发生概率，有利于在高分子基材中分散。

为研究IFR阻燃电缆护套的情况，本文采用微胶囊化聚磷酸铵（APP）阻燃LDPE-EVA-POE复合型基材，对复合材料的阻燃性能和力学性能进行探讨，并研究有机硅粉对复合材料的影响。

1　试验部分

1.1试验原料

低密度聚乙烯LDPE：1I2A-1，北京燕山石油化学工业公司；EVA，14-2，北京东方石油化工有限公司有机化工厂；POE，ENGAGE8150，陶氏化学公司；微胶囊化聚磷酸铵（APP）：AP462，德国克莱恩公司；有机硅粉：硅氧烷4-7081，道康宁公司。

1.2主要设备

开炼机，SK160B，无锡橡胶机械有限公司；平板硫化机，QLB100T，南海通海利特橡塑机械有限公司；微机控制电子万能试验机，CMT4104，美斯特工业系统（中国）有限公司；临界氧指数仪，EA04，意大利Noselab-ATS公司；扫描电子显微镜EVO18，德国蔡司公司。

1.3样品制备

其次，物业服务企业与业主作为物业服务合同的双方当事人，在履行合同义务时都应当遵循全面履行的原则，本着促使合同内容得以实现的目的，不能因为一方履行过程中存在瑕疵而减轻甚至免除自己的义务。物业服务企业提供的物业管理服务的种类多种多样，如果物业服务企业已经合格履行了大部分义务，只是某项服务工作做的差强人意，但只要该瑕疵不影响物业服务合同目的的实现，业主就只能就存在瑕疵的服务项目行使抗辩权。

双辊开炼机的实测温度控制在（135±5）℃，先按顺序加入基体树脂，待其充分熔融、混合均匀后，加入其他功能助剂继续混合，最后加入阻燃剂、有机硅粉混合物，混炼均匀后下片。按照力学性能和极限氧指数测试的国家标准，在平板硫化机上模压相应厚度的样片，用专用刀具裁切成规定的样条。

1.4性能测试与结构表征

按照GB/T2406.2-2009测试样条的极限氧指数的测定；按照GB/T1040-2006进行拉伸性能的测定；按照GB/T832.2-2008进行烟密度测定；使用SEM喷碳观察断面，并拍照。

2　试验结果与讨论

2.1APP对电缆护套管复合材料性能的影响

APP是膨胀型阻燃剂的重要组成部分，具有酸源及气源双重功能，由于具有含磷量高、含氮量多、热稳定性好、近于中性和阻燃效果好等优点，已成为阻燃技术研究领域中的一个热点。本文选用的高聚合度、晶型Ⅱ和微胶囊包覆的APP进行阻燃研究。

首先研究APP在不同添加量的情况下对LDPEEVA-POE复合材料阻燃性能的影响，并进行拉伸强度、氧指数测试，试验结果见表1。

表1　APP不同添加量对材料的影响

从表1可见，在阻燃方面，加入APP后，材料的阻燃效果显著提高，且随着添加量的增加，氧指数持续提高。但随着APP的含量增加，材料的物理机械性能下降严重，原因可能为微胶囊包覆化的APP虽使阻燃剂的表面得到一定程度的改善，但在填充基材等非极性材料时，两种材料间的相容性和结合性较差，导致拉伸强度和断裂拉伸应变下降明显。

2.2有机硅粉对电缆护套管复合材料拉伸强度的影响

为研究较大填充量的有机硅粉对材料阻燃和机械性能的影响，选用添加量为90份的配比作进一步研究。

有机硅粉对电缆护套管复合材料拉伸强度测试结果如图1所示。图1试验结果表明，有机硅粉改善了阻燃材料的拉伸强度，但随着添加量的升高，又有下降的趋势。推测其原因可能是有机硅粉与基体树脂有较好的相容性，降低了体系粘度，有利于添加剂颗粒的均匀分散，提高了拉伸强度和断裂应变；但有机硅粉的含量过高时，混炼过程中无法均匀分散到纳米级，从而发生了团聚，降低了材料的柔韧性，在拉伸过程中，造成应力集中，进而产生裂纹，裂纹扩张成裂缝引发断裂，从而降低了拉伸强度及断裂应变。

图1　有机硅粉添加量对拉伸强度和断裂应变的影响

2.2.1有机硅粉对电缆护套管复合材料SEM分析

图2是基材-APP和基材-APP-有机硅粉两组阻燃材料的断面SEM照片。

图2　阻燃材料断面SEM照片

从图2a可以看出，共混物断面上APP粒子分散不均匀，有团聚现象产生，且粒子表面光滑，说明APP与非极性的基材缺乏界面黏附性，相容性较差。而从图2b可以看出，加入有机硅粉后，黏结力显著增强，大多数APP颗粒被基材所包覆，团聚体现象减少，粒径也变小，分散性明显改善，表明有机硅粉的加入改善了APP与基材的界面相容性，从而提高了共混物的力学性能。

2.2.2有机硅粉对电缆护套管复合材料氧指数影响

图3　有机硅粉添加量对氧指数的影响

经试验表明，当有机硅粉添加量为2%时，其对阻燃材料的氧指数影响不大，但随着有机硅粉添加量的增加有先降低后升高的趋势，如图3所示。其原因可能是有机硅粉的少量加入，并不会与主阻燃剂形成良好的协效作用，反而在一定程度上对材料的阻燃性能产生负面影响。但在添加一定比例后（约8%～10%），有机硅粉在阻燃体系中和APP产生了协效作用，使阻燃材料的氧指数有所提升。分析有可能是由于有机硅粉具有吸热、降低热释放速率的作用，并可促进基体树脂的分解和脱水，能强化聚合物的脱氢炭化作用。此外，有机硅粉在燃烧时生成二氧化硅，可为APP燃烧时补充碳源，形成阻燃隔离层，进而提高材料的氧指数。

2.2.3有机硅粉对电缆护套管复合材料烟密度影响

塑料燃烧成烟有黑烟白烟之别。黑烟指在缺氧条件下燃烧气体产物中悬浮的固体颗粒；白烟是指蒸气凝结物等悬浮在空气中的微小粒子[7]。材料的发烟性评定通常用烟密度箱试验的方法，使用一个密闭燃烧试验箱，通过试样的无焰受热分解或有焰燃烧，借助于光学的方法，测量烟雾积聚而产生的光束的衰减。试验结果用SDR表示。SDR越大，表示燃烧生成的烟浓度越大。有机硅粉对烟密度的影响如图4所示。

图4　有机硅粉对烟密度的影响

从图4中可以看出，在APP阻燃体系中加入有机硅粉后，对基体材料燃烧的消烟效果明显，烟密度下降约30%。分析有机硅粉的消烟机理，一方面是其燃烧时促进APP脱水并吸收热量，因为热的消散会减少热解而有利于交联反应的发生；另一方面是其在燃烧时有机硅向燃烧面富集，生成的二氧化硅隔离层，降低了碳颗粒的散逸，使烟浓度下降。

3　结论

膨胀型阻燃剂APP对LDPE-EVA-POE基材有明显阻燃效果，且随着含量的增加阻燃效果更明显，但材料机械性能下降明显。本项目选用微胶囊包覆型的阻燃剂，但其与非极性树脂材料的相容性仍较差。添加有机硅粉后，可有效改善因加入阻燃剂而引起的机械性能下降现象，但随添加量的增高，“团聚效应”明显，拉伸强度有下降趋势。有机硅粉可与膨胀型阻燃剂APP起到阻燃协效作用，提升了材料的氧指数，并可明显减少烟密度。

[1]李云东,刘晨曦,王汝春,等.聚磷酸铵膨胀阻燃剂在PE电缆护套料中的应用[J].云南化工,2009,36(3):08-12.

[2]尹镝,刘华.低烟无卤阻燃电缆及其性能研究[J].东北电力技术.2008,29(9):08-11.

[3]李春燕.低烟无卤阻燃电线电缆料的新进展[J].化工进展,1996,17(5):36-40.

[4]葛力天,黄宏海,伍社毛,等.膨胀型阻燃体系阻燃LDPE性能的研究[J].塑料,2008,37(6):9-11.

[5]程志凌,陈文捷.塑料阻燃剂技术的进展[J].齐鲁石油化工,2002,30(1):56-58.

[6]王建祺.无卤阻燃聚合物基础与应用[M].北京:科学出版社,2005.

[7]田春明,叶霞,屈红强,等.Al(OH)3和Mg(OH)2阻燃抑烟剂对软PVC材料性能的影响[J].河北大学学报(自然科学版),2004,24(3):264-267.

Research on the Properties of Organic Silicon on Flame Retardant Cable Sheath

Tang Wei1,Hou Xin-peng2,Li Jian-jun2,Pang Yan-duo2
(1. Beijing Ray Application Research Center,Beijing 100015; 2. Beijing Fudi Technology Co. Ltd.,Beijing 101318)

In order to research the effect of intumescent flame retardant and organic silicon powder on mechanical properties,flame retardant properties and the smoke,using low density LDPE-EVA-POE blends as the main body,intumescent flame retardant APP as flame retardant,organic silicon powder as modified additives. The results showed that with the increase of the content of APP,the flame retardant property of the material was obviously increased,but the tensile strength and tensile strain decreased. Organic silicon and APP can produce good synergistic effect on improve the oxygen index. The smoke density test showed that organic silicon powder could reduce the amount of smoke in the combustion of flame retardant materials. Scanning electron microscopy results showed that the organic silicon helped flame retardant dispersed and improved the mechanical properties of flame retardant materials.

Organic silicon powder; Intumescent flame retardant; Mechanical properties; Smoking

TM246

A

2096-0387（2016）05-0018-04

汤伟（1987-），男，北京人，本科，助理研究员，研究方向：高分子材料复合改性。