TCPP阻燃剂在PVC阻燃电线电缆料中的应用

夏锐 沈超 曾扬 聂矗 杨军 王翔

(贵州正业工程技术投资有限公司,贵州 贵阳,550005)

磷酸三(2-氯丙基)酯(TCPP)是一种含氯磷的添加型橡塑阻燃增塑剂,具有成本低廉,稳定性好、无毒环保等优点,其阻燃原理由3种机理组合而成,能够产生协同效果[1],具有很强的阻燃效果,被广泛用于橡胶、聚氯乙烯(PVC)、环氧树脂等材料中。

三氧化二锑(Sb2O3)是PVC阻燃电线电缆料中常用的阻燃剂[2]。贵州正业工程技术投资有限公司通过等离子体法制备纳米Sb2O3,改善了Sb2O3的粒径、提高Sb2O3的活性和分散效果,其堆积密度也有大幅降低。

下面以J-70 型PVC电线电缆料为基础配方,分别添加阻燃增塑剂TCPP与复合TCPP/纳米Sb2O3阻燃剂,比较了二者对PVC阻燃电线电缆料体系的阻燃性能、力学性能、电性能的影响,并对TCPP的阻燃机理和TCPP/纳米Sb2O3体系的协同作用做了初步探讨。

1 试验部分

1.1 主要原料

PVC,SG-5型,宜宾天源集团海丰和锐有限公司;对苯二甲酸二辛酯(DOTP),南京金清化工有限公司;氯化石蜡(CP),恒通石化有限公司;钙锌稳定剂,韶关盈田环保材料有限公司;陶土,广西象州汇智纳米科技有限公司;碳酸钙(CaCO3),四川贡嘎雪新材料股份有限公司;纳米Sb2O3,贵州正业工程技术投资有限公司;其他助剂均为工业助剂。

1.2 仪器设备

高速混合机,SHR-10A,张家港白熊科美机械有限公司;开放式炼塑机,SK-160B,平板硫化机,QLB-D,均为上海迪胜橡塑机械有限公司;哑铃型拉伸制样机,XY-12,承德市金建检测仪器制造厂;电子万能实验机,岛津国际贸易(上海)有限公司;氧指数测定仪,HC-2,南京市江宁区分析仪器厂。

1.3 试样制备

PVC电线电缆料体系基础配方一:PVC 100.0份,DOTP 30.0份,稳定剂4.2份,碳酸钙31.0份,陶土9.0份,TCPP 0～20.0份;配方二:PVC 100.0份,DOTP 30.0份,稳定剂4.2份,碳酸钙31.0份,陶土9.0份,TCPP 0～20份,纳米Sb2O30.5份。分别按照配方一和配方二称取PVC树脂、增塑剂及各个添加组分,混合均匀,保证混合温度不超过120 ℃,等物料温度降至室温后,将其置于开放式炼塑机上塑化,前辊温度160 ℃左右,后辊温度155 ℃左右,混炼5 min后出料,然后在平板硫化机上于160 ℃和5 MPa下预热5 min,压力升至14 MPa,保持压力不变,热压5 min,出料,用裁样模具裁出样条以备测试用。

1.4 性能测试

PVC电缆料试样(20 ℃)的体积电阻率按照GB/T 8815—2008进行测试。力学性能按照GB/T 8815—2008进行测试,试样为哑铃型试样,设定拉伸速率为250 mm/min。极限氧指数性能按照GB/T 2406.2—2009进行测试。冲击脆化性能测试按照GB/T 5470进行测试。

2 结果与讨论

2.1 TCPP对PVC电线电缆料力学性能的影响

图1是TCPP添加量对2种配方PVC电线电缆料力学性能的影响。

图1 TCPP添加量对PVC电线电缆料力学性能影响

由图1(a)可以看出,随着TCPP添加量的增加,2种配方PVC电线电缆料体系的拉伸强度均呈现下降趋势。当TCPP添加量达到20份时,配方一PVC体系的拉伸强度为16.18 MPa,高于国标限值15 MPa,能满足实际使用需求;配方二PVC体系的拉伸强度为15.48 MPa,略高于国标限值,仍能满足实际使用需求。同时,对于添加了纳米Sb2O3的配方二体系,其拉伸强度的变化趋势与未添加纳米Sb2O3的配方一体系相似,但数值略低于配方一体系。

从图1(b)可以看出,2种配方PVC电线电缆料体系的断裂伸长率随着TCPP添加量的增加均呈现先上升后下降的趋势。当TCPP添加量为10份时,体系的断裂伸长率都达到最大值,继续增大TCPP的用量,断裂伸长率则不断下降。这是因为TCPP的添加量过大时,其极性基团开始大量吸引增塑剂,致使内部增塑剂的量减少,降低了PVC分子链的流动性,从而断裂伸长率下降明显。同样地,添加纳米Sb2O3后,配方二体系的断裂伸长率也表现出和体系一相同的变化趋势,只是数值略低。

综上所述,TCPP作为一种有增塑性能的磷系有机阻燃剂,会使PVC电线电缆料体系拉伸强度降低,并一定范围内可提高体系的断裂伸长率。添加纳米Sb2O3后,体系的力学性能有所下降,但仍能达到国标的要求。TCPP在PVC电线电缆料体系中的添加量10份为最佳。

2.2 TCPP对PVC电线电缆料体积电阻率影响

图2是TCPP添加量对PVC电线电缆料体积电阻率的影响。

图2 TCPP添加量对PVC电线电缆料体积电阻率影响

从图2可以看出,随着TCPP添加量的增加,2种配方PVC电线电缆料体系的体积电阻率均不断下降。配方二中,纳米Sb2O3的加入导致体系的电性能总体水平低于配方一体系的。当TCPP添加量为10份时,配方一体系和配方二体系的体积电阻率分别为:2.803×1012,1.98×1012(Ω·m),依然能够达到GB/T 8815—2008的要求,再继续增大TCPP的用量,两个体系的电性能均不能达到国标的要求。故对于PVC电线电缆料,TCPP的添加量不宜超过10份。

2.3 TCPP对PVC电线电缆料极限氧指数影响

图3是TCPP添加量对PVC电线电缆料体系极限氧指数的影响。

图3 TCPP添加量对PVC电线电缆料极限氧指数影响

从图3可以看出,在未加入纳米Sb2O3的配方一体系中,当TCPP添加量增加到10份时,其体系阻燃效果有所提升,极限氧指数从25.6%提升至26.7%;当TCPP添加量增加到10份以上时,体系的极限氧指数有所下降。

配方二体系中,其极限氧指数的变化趋势与配方一体系大致相同,但极限氧指数总体高于配方一体系的。这是因为纳米Sb2O3粒度小且能均匀分散于PVC复合材料中,使其在阻燃过程中能够有效生成氯化铅,通过凝聚相阻燃和减少链式反应自由基的阻燃作用,TCPP与Sb2O3共同具有的凝聚相阻燃效果,加倍减缓自由基的形成,同时表面形成了更多的难燃、隔热、隔氧的保护层,形成了优异的协同作用,从而显著提高PVC电线电缆料的阻燃性能。TCPP的最佳添加量推荐为10份。

3 结论

a) TCPP加入PVC电线电缆料中,在一定范围内能提高体系的断裂伸长率,改善阻燃性能,但会使体系的拉伸强度和电性能降低,TCCP可以作为一种有效辅助增塑剂来使用。

b) 纳米Sb2O3的加入会略微降低PVC电线电缆料体系的力学性能和体积电阻率,但能够与TCPP形成良好的协同作用,从而显著提高PVC电线电缆料的阻燃性能。

c) TCPP的添加量为10份时,可明显提高PVC电线电缆料的阻燃性能,同时保证其力学性能和体积电阻率能够达到国标的要求。