Mg（OH）2／Al（OH）3阻燃电缆护套料性能的研究

侯欣鹏，矫 阳，李铁军，汤 伟，曹 珊

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

0 前言

近些年来，随着数字信息化技术的不断发展，世界电缆产品呈持续增长状态，仅以我国为例，电缆市场以每年15%～20%的速度递增，电线电缆业已成为我国机械行业中位置仅次于汽车业的第二大产业，我国也是仅次于美国的世界第二大电线电缆生产国。当今，电线电缆已应用于国防建设、工业生产、科学研究、国民生活等各个领域，与此同时，关于电线电缆所引发的火灾事故也日益频发，所以，开发性能优异的阻燃型电缆护套料就成为世界各国电线电缆业的迫切需求。

近年来，随着对传统型电缆护套料的认识的不断深入和安全环保呼声的高涨，无卤阻燃剂受到了广泛关注。无机阻燃剂因其安全性高、抑烟、无毒、价廉等优点，在无卤阻燃剂中占有重要地位，其主要包括Mg（OH）2、Al（OH）3、硼 酸 锌 等［1］。 Mg（OH）2与Al（OH）3均属于金属氢氧化物，阻燃机理相似，即通过受热分解释放出水，同时从燃烧的基体中吸收大量热能，稀释了气相中的可燃物成分，从而达到阻燃的目的［2］。但 Mg（OH）2的热分解温度比 Al（OH）3高60℃，吸热量高约17%，抑烟能力也较优［3］，促使基材成炭的能力强。因此，对于阻燃剂的选择，无论是单一组分还是与多种阻燃剂复配使用，Mg（OH）2都是优先的选择。

PE-LD具有突出的电学性能、韧性、耐化学腐蚀和良好的加工性能［4］，是一种性能优异的电缆护套基础原料，然而，PE-LD本身是非极性材料，与极性的无机阻燃剂相容性较差，需要引入极性基团进行改性，如EVA等，目的是增大阻燃剂的填充量，此外，EVA还具有良好的物理和力学性能，在许多领域都有应用，尤其是作为优良的隔热材料用于电缆行业［5］。

本研究采用PE-LD／EVA／EPDM的共混物为基材，以 Mg（OH）2和 Al（OH）3作为阻燃体系，从力学性能、阻燃性能、阻燃剂复配、混合物微观结构等方面研究这两种无机阻燃剂对电缆护套料的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

PE-LD，1I2A，北京燕山石油化工公司化工一厂；EVA，14-2，北京东方石油化工有限公司有机化工厂；EPDM，4725p，天津市佳塑科贸发展有限公司；Mg（OH）2，MHY I，粒径约0.4～0.8μm，天津长芦汉沽盐场有限责任公司；

Al（OH）3，H-WF-1，粒径约1～1.5μm，中国铝业股份有限公司山东铝业分公司；

光稳定剂，GW944z，北京加成试剂研究所；

氧化锌、硬脂酸锌，市售。

1.2 主要设备及仪器

电热鼓风干燥箱，DF304，北京兴争仪器设备厂；

双辊开炼机，SK-230，无锡橡胶机械有限公司；

塑料挤出机组，SJ-45J，北京英特塑料机械总厂；

塑料粉碎造粒机，F-1，昆山科信橡塑机械有限公司；

平板硫化机，QLB100T，南海通海利特橡塑机械有限公司；

电子式拉力机，T 2000E，北京友深电子仪器有限公司；

氧指数测定仪，HC900-2，江宁县方山分析仪器设备厂；

扫描电子显微镜（SEM），S-4800，日本日立公司。

1.3 样品制备

将 Mg（OH）2和Al（OH）3在设定温度为100℃的干燥箱中干燥10h，其他粉状助剂在60℃的环境下干燥4～5h；按表1、表2的配方准确称取各种基材、阻燃剂及其他功能助剂，双辊开炼机的实测温度控制在（135±5）℃，先按顺序加入3种基材，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，混炼均匀后下片；将混炼后的料片经粉碎机切碎，加入到挤出机的投料口进行造粒，以增加材料的均匀程度和密实性，挤出机Ⅰ～Ⅵ段温度分别为：90、130、140、135、130、110 ℃；造粒后的粒料经烘干后，通过管材挤出机组熔融挤出，挤出机Ⅰ～Ⅵ段温度分别为：88、129、131、140、120、110℃，采用真空方式定型成管材；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，平板硫化机温度控制在（140±5）℃，预热模具后，按规定质量将造粒后的样品加入到模具中，合模压制样片，待温度冷却至室温后出模，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／T 2406.2—2009测试样条的极限氧指数，样条规格为150mm×10mm×4mm；

按照GB／T 1040—2006进行拉伸性能测试，拉伸速率为500mm／min；

SEM分析：将测定力学性能的样条在液氮中脆断，断面作喷金处理，用SEM观察阻燃剂在基体树脂中的分散情况。

表1 Mg（OH）2／Al（OH）3阻燃电缆护套料的配方Tab.1 Formulae of Mg（OH）2／Al（OH）3flame-retarded cable jackets

表2 Mg（OH）2阻燃电缆护套料的配方Tab.2 Formula of Mg（OH）2flame-retarded cable jackets

2 结果与讨论

2.1 Mg（OH）2／Al（OH）3阻燃电缆护套料

2.1.1 力学性能

从表3可以看出，由于无机阻燃剂的大量加入，材料的力学性能受到比较明显的影响。这是由于无机填料的粒子分散在连续的塑料相中，与大分子之间存在一个界面，拉伸时界面受到应力，因应力集中而产生银纹，虽然无机粒子本身可以阻止银纹的发展，但是填料量较多，界面作用很明显，使得拉伸强度和断裂伸长率下降。当阻燃体系的总量保持不变时，材料的拉伸强度随Mg（OH）2含量的上升而增大，断裂伸长率随Mg（OH）2含量的上升而减小，这是因为 Mg（OH）2的粒径更小，其可以比Al（OH）3更好地分散在聚合物中，对材料起到了刚性粒子增强的作用。由于 Mg（OH）2为极性的无机粉体，和非极性的PE-LD相容性较差，虽然聚合物体系中加入了EVA以改善两者的相容性，但当无机粉体的添加量较大时，材料的刚性增强，韧性急剧下降，从而影响了断裂伸长率［6］。

表3 Mg（OH）2／Al（OH）3阻燃电缆护套料的力学性能Tab.3 Mechanical properties of Mg（OH）2／Al（OH）3 flame-retarded cable jackets

从图1（a）可以看出，聚合物表面聚集大量的Al（OH）3微粒，其与基体树脂的分界面明显，在受到外力作用时很容易被拉断，由图1（b）、（c）、（d）可以看出，Mg（OH）2的粒径小于Al（OH）3，基体树脂的连续相部分增加，有助于材料韧性的提升，其中图1（d）中的基体树脂出现分层现象，这可能是导致样品MA-4的断裂伸长率急剧下降的因素。

图1 不同配比的Mg（OH）2／Al（OH）3阻燃电缆护套料切断面的SEM照片Fig.1 SEM microphotos for fracture surfaces of cable jackets with different ratios of Mg（OH）2／Al（OH）3

2.1.2 阻燃性能

由表4可以看出，当阻燃体系的总量保持不变时，随着体系中Mg（OH）2含量的增加，材料的极限氧指数有较明显的提升。当Mg（OH）2和Al（OH）3添加比例为1∶1时，极限氧指数达到最大，体现了很好的协同阻燃效应，这可能是因为2种阻燃剂并用后，增加了阻燃体系的吸热温度范围，因而可以在较宽的范围内抑制聚合物的燃烧。此外，Al（OH）3可以促进 Mg（OH）2的炭化反应，在聚合物表面形成炭化层，起到了与周围氧气隔绝的作用，阻止了燃烧反应的进行。

表4 Mg（OH）2／Al（OH）3阻燃电缆护套料的极限氧指数Tab.4 Limited oxygen index of Mg（OH）2／Al（OH）3 flame-retarded cable jackets

2.2 Mg（OH）2阻燃电缆护套料

2.2.1 力学性能

由表5可以看出，随着 Mg（OH）2添加量的增大，材料的拉伸强度和断裂伸长率均呈现下降的趋势。由图2（a）可以看出，当 Mg（OH）2的含量相对较低时，无机粒子被基体树脂很好地浸润，填料表面与树脂表面获得良好的界面黏结，并且在基体树脂中的分散较为均匀，从 图 2（b）、（c）、（d）、（e）可 以 看 出，随 着Mg（OH）2加入量的不断增加，可以明显地观察到材料表面聚集的Mg（OH）2微粒，且微粒与基体树脂的界面明显，这些微粒周围容易形成应力集中点，材料的破坏会首先从这些阻燃剂微粒与树脂基体的界面开始。在力学测试过程中发现，当 Mg（OH）2的加入量达到90份时，材料断裂伸长率的数值出现很明显的跳点，这可能是由于大量的无机填料破坏了基体树脂的连续相分布，且两者的极性不同，造成相容性变差所致，另外Mg（OH）2微粒分散不均匀也会对此产生影响。

表5 Mg（OH）2阻燃电缆护套料的力学性能Tab.5 Mechanical properties of Mg（OH）2 flame-retarded cable jackets

图2 Mg（OH）2含量不同的电缆护套料切断面的SEM照片Fig.2 SEM microphotos for fracture surfaces of cable jackets with different contents of Mg（OH）2

2.2.2 阻燃性能

由表6可以看出，材料的极限氧指数与Mg（OH）2的加入量成正比关系，说明所用的Mg（OH）2对实验所筛选的基体树脂起到了良好的阻燃效果。

表6 Mg（OH）2阻燃电缆护套料的极限氧指数Tab.6 Limited oxygen index of Mg（OH）2 flame-retarded cable jackets

2.3 两种阻燃体系的对比分析

由两种阻燃体系的性能测试数据可以发现，对于以PE-LD／EVA／EPDM共混物为基材的电缆护套料，当加入40份的Mg（OH）2时，材料的极限氧指数便超过填充了90份 Al（OH）3的材料，此外，当单组分Mg（OH）2的加入量为50份时，材料的力学性能和极限氧指数均优于 Mg（OH）2／Al（OH）3复配体系的所有配比，说明对于所筛选的基体树脂，Mg（OH）2／Al（OH）3复配体系并无明显优势，其原因可能是采用单一的Mg（OH）2后，无机阻燃剂的粒径变小，比表面变大，增大了与基体树脂的接触面，大的比表面上存在着更多的化学活性点，从物理及化学两个方面均有利于与基体树脂的结合［7］，从而能够提高材料的力学性能和阻燃性能；另外，单组分 Mg（OH）2的吸热温度范围能够较好地与基体树脂的放热峰对应，有效地吸收放热反应的能量，以达到控制材料燃烧的作用。

3 结论

（1）Mg（OH）2和 Al（OH）3的复配使用，对电缆护套料的阻燃性能有较明显地改善，当两者的份数比为1∶1时，材料的阻燃性能可达到比较理想的效果；当复配阻燃体系中 Mg（OH）2的含量大于 Al（OH）3时，材料的断裂伸长率出现明显的下降；

（2）单组分的Mg（OH）2能够有效提高材料的阻燃性能，但对力学性能会产生负面影响；当Mg（OH）2加入量达到90份时，基体树脂的连续相破坏严重，加之两者之间的相容性不好，造成材料的力学性能有很大程度的下降；

（3）对于以PE-LD／EVA／EPDM 为基材的电缆护套料，采用单组分 Mg（OH）2作为阻燃体系比Mg（OH）2／Al（OH）3复 配 阻 燃 体 系 更 有 优 势，当Mg（OH）2的加入量为40～50份时，材料的力学性能和阻燃性能即可达到较为理想的水平。

［1］杨明山，李林楷.塑料改性工艺、配方与应用［M］.北京：化学工业出版社，2006：297.

［2］Kong Xiangjian，Liu Shumei，Zhao Jianqing.Flame Retardancy Effect of Surface-modified Metal Hydroxides on Linear Low Density Polyethylene［J］.Journal of Central South University of Technology，2008，15（6）：779-785.

［3］欧育湘.实用阻燃技术［M］.北京：化学工业出版社，2002：152.

［4］Basfar A A.Flammability of Radiation Cross-linked Low Density Polyethylene as an Insulating Material for Wire and Cable［J］.Radiation Physics and Chemistry，2002，63（3／6）：505-508.

［5］Mouzheng Fu，Baojun Qu.Synergistic Flame Retardant Mechanism of Fumed Silica in Ethylene-vinyl Acetate／Magnesium Hydroxide Blends［J］.Polymer Degradation and Stability，2004，85 （1）：633-639.

［6］陈树柏，陈玉坤，郭伟男，等.不同氢氧化镁对LLDPE性能的影响［J］.弹性体，2008，18（5）：33-38.Chen Shubai，Chen Yukun，Guo Weinan，et al.Effects of Loose Nano-magnesium hydroxide and Common Magnesium Hydroxide on the Properties of LLDPE［J］.China Elastomerics，2008，18（5）：33-38.

［7］李永泉，乔 辉.Mg（OH）2的结构形态对LDPE阻燃性能的影响［J］.北京化工大学学报，2003，30（3）：48-50.Li Yongquan，Qiao Hui.Influence of Different Morphologic Mg（OH）2on the Flame Retardation of LDPE［J］.Journal of Beijing University of Chemical Technology，2003，30（3）：48-50.