一种阻燃聚乙烯电缆料的制备与表征

胡高耸，李 准，李广杰，杨 兴

(1.河南乐山电缆有限公司，河南 驻马店 463023；2.四川鑫电电缆有限公司，四川 成都 611700；3.江苏赛德电气有限公司，江苏 扬州 225654)

0 引言

根据国家应急管理部消防救援局发布的2020年以来全国火灾及消防救援队伍接处警情分析，电气类原因继续强力影响火灾走势，而因短路、过负荷、接触不良等线路问题引发火灾占电气火灾总数68.9%，带来严重的人员伤亡和经济损失。因此，阻燃高聚物电缆材料的研究就变得至关重要[1-2]。

目前，电缆所用的绝缘和护套通常为含有碳氢的高分子有机聚合物，如聚氯乙烯(PVC)、交联聚乙烯(XLPE)、聚丙烯(PP)和聚酰胺等。这些聚合物在受热条件下会发生软化、熔融，甚至燃烧。聚合物的阻燃主要通过在聚合过程中加入阻燃基团或外加阻燃剂2种方式来实现。由于工艺复杂、成本较高，在聚合过程中加入阻燃基团这种方法的应用范围受到很大的限制。

阻燃剂的类型有卤素阻燃剂、金属氢氧化物阻燃剂、磷系阻燃剂和硅系阻燃剂等[3-4]，其中卤素阻燃剂是当今世界产量最大的阻燃剂，以添加量少、阻燃性能优良而被广泛应用[5]。金属氢氧化物阻燃剂属于无机阻燃剂，特点是稳定性好、不挥发、烟气无毒[6]。磷系阻燃剂是弱的火焰抑制剂，其耐水性较差，且与塑料的相容性也较差，从而导致制品的力学性能降低，应用较少[7]。

基于此，本文以DBDPO和Sb2O3作为卤素阻燃剂，LDPE作为电缆料的基础树脂，混炼制备出一种阻燃聚乙烯电缆料，对其阻燃性能和力学等性能进行测试分析。

1 实验

1.1 试剂和仪器

北京燕山石化有限公司生产的低密度聚乙烯(LDPE104)，抗氧剂(Irganox1010)；美国大湖有限责任公司生产的DBDPO(DE83-R)，三氧化锑(Sb2O3)；上海西玛伟力橡塑机械公司的SK2160双辊开炼机、HP-63半自动压力成型机；沈阳捷维科技开发有限公司的垂直燃烧试验设备、氧指数测试仪；内蒙古德塔科技有限公司的非金属拉力机；江都试验机械厂的试样切片机和冲片机。

1.2 阻燃聚乙烯电缆料的制备

阻燃聚乙烯电缆料的制备流程(见图1)具体过程如下。

图1 阻燃聚乙烯电缆料的制备流程图

1)在一定温度下(140℃～155℃)将LDPE塑炼，然后同时加入阻燃剂(DBDPO和Sb2O3)和抗氧剂(Irganox1010)混炼15 min后出片。

2)将混炼好的共混物在160 ℃下预热处理5 min，在半自动压力成型机中压片(压力为16 MPa，压制时间为5 min)，然后试样切片机和冲片机裁剪成试验所需要的试样待测试用。

1.3 性能测试

垂直燃烧性能测试：按照GB/T 2408-2008塑料燃烧性能的测定，采用垂直燃烧仪进行测试。试样数量20根，试样尺寸为：长(125±5)mm，宽(13.0±0.5)mm，厚度不超过1.3 mm。边缘平滑同时倒角半径不超过1.3 mm。

力学性能测试：参照GB/T 1040-2006拉伸性能的测定，采用电子拉力试验机进行测试。试样数量18根，尺寸为：总长≥150，标距长50±0.5 mm，宽10～25 mm，厚小于等于1 mm。

氧指数测试：参照GB/T 2406-2008塑料用氧指数法测定燃烧行为，采用氧指数测试仪进行测试。试样数量30根，试样尺寸为：长70～150 mm，宽6.5±0.3 mm，厚3.0±0.2 mm。

2 结果与讨论

2.1 DBDPO/Sb2O3协效性研究

通过实验，DBDPO/Sb2O3对聚乙烯电缆料燃烧性能的影响如表1所示。当不添加DBDPO/ Sb2O3阻燃体系时，聚乙烯电缆料的氧指数测试值为16，垂直燃烧试验超出了等级范围，只是发生燃烧现象；添加DBDPO后，聚乙烯电缆料的氧指数变为17，垂直燃烧试验变化不明显；当同时添加不同量的DBDPO/ Sb2O3后，聚乙烯电缆料的氧指数值会逐渐上升，垂直燃烧等级可达到V-2级；当添加的DBDPO/ Sb2O3质量比为3:1时聚乙烯电缆料的氧指数值为19，垂直燃烧等级达到V-2级，质量比为1：1或3:2时，聚乙烯电缆料的氧指数值为22，垂直燃烧等级可达到V-2级，这说明当添加的DBDPO/ Sb2O3质量比为3:1时，聚乙烯电缆料的阻燃性能具有最佳的经济性。

表1 DBDPO/Sb2O3对阻燃聚乙烯燃烧性能的影响

2.2 阻燃聚乙烯料的阻燃性能

阻燃体系(DBDPO和Sb2O3，质量比为3:1)含量对聚乙烯电缆料阻燃性能的测试结果(见表2)。从表中可知，DBDPO/Sb2O3含量为20%时，聚乙烯电缆料的氧指数为19； DBDPO/ Sb2O3含量为40%时，聚乙烯电缆料的氧指数为24； DBDPO/ Sb2O3含量为50%时，聚乙烯电缆料的氧指数为27。这说明聚乙烯电缆料的氧指数随着DBDPO和Sb2O3含量的增加而增加。当DBDPO和Sb2O3含量占比为20%时，垂直燃烧等级仅为V-1，阻燃效果一般。当DBDPO和Sb2O3含量增加到40%以上时，垂直燃烧等级可达到V-2，说明其具有良好的阻燃性能，出于经济性的考虑，DBDPO和Sb2O3含量40%为最佳。

表2 阻燃体系含量对阻燃聚乙烯阻燃性能的影响

2.3 阻燃聚乙烯料的力学性能

通过实验得出了DBDPO/Sb2O3含量对阻燃聚乙烯的力学性能影响，结果如图2所示。阻燃聚乙烯料的抗拉强度(曲线B)和断裂伸长率(曲线C)均会随着DBDPO/Sb2O3的增加而减小。当DBDPO/Sb2O3含量在0%～40%变化时，阻燃聚乙烯料的抗拉强度从13 MPa降低到10 MPa，断裂伸长率由500%降低到200%，断裂伸长率变化明显高于拉伸强度变化。当DBDPO/Sb2O3含量达到40%及以上时，曲线基本重合。基于力学性能和阻燃性能的综合考虑，DBDPO/Sb2O3含量控制在40%为最好。

图2 DBDPO/Sb2O3含量对聚乙烯的力学性能的影响

3 结论

阻燃聚乙烯电缆料中加入合适比例的DBDPO/Sb2O3可以显著提高材料的的阻燃性能。当DBDPO/Sb2O3质量比为3:1时，阻燃聚乙烯电缆料具有最佳的阻燃协效性，垂直燃烧等级达到V-2级。当DBDPO/Sb2O3含量控制在40%时，阻燃聚乙烯电缆料同时具有最佳的力学性能和阻燃性能。