聚烯烃阻燃电缆技术综述

2019-05-02 版权声明 举报文章

聚烯烃阻燃电缆技术综述

摘 要:针对人们迫切希望开发出阻燃性能和力学性能均优良的聚烯烃电缆料,文章对最令人关注的阻燃聚烯烃电缆进行了介绍,简要介绍了氢氧化物阻燃体系、磷系阻燃、膨胀型阻燃体系等不同体系的发展背景及现状,并重点分析了日本对聚烯烃阻燃电缆的专利申请情况情况。

关键词:阻燃;聚烯烃;电缆

1 阻燃机理

绝大多数塑料都是可燃的,当温度达到一定程度之后,会产生挥发性的可燃气体,促使其进一步燃烧[1][2]。塑料聚合物是电缆基材的主要来源,赋予塑料聚合物一定的阻燃性能是亟待解决的技术问题。科研工作者研究了在塑料聚合物中可添加不同种类的阻燃剂来赋予电缆料阻燃性能。

阻燃剂的种类主要包括如下:

(1)卤素阻燃体系,其阻燃机理是卤素阻燃剂可分解出HX。HX降解产生的自由基,终止并延缓了链反应。

(2)膨胀型阻燃体系,化学膨胀型阻燃剂(IFR)是以磷、氮为主要成分的无卤阻燃剂,燃烧过程中产生的NH3、N2、H2O等能起到气相稀释的作用,降低可燃气体的浓度,从而有效防止了火焰的传播[2]。

(3)磷系阻燃体系,燃烧时的高温促使含磷阻燃剂经一系列的反应生成有很强脱水性的聚磷酸。产成的聚磷酸可以促使有氧有机物快速脱水而碳化,碳化后所形成的物质是一种难以燃烧的结构致密的物质[4]。

(4)氮系阻燃剂,氮系阻燃剂受热放出CO2、NH3、N2气体和H2O,上述气体均属于难燃气体,从而阻止燃烧。

(5)水合金属化合物阻燃体系,水合金属化合物阻燃由于其分解产生大量的H2O,一方面吸收了大量的热,从而使材料的表面温度降低,另一方面分解出来的水蒸气又有稀释可燃气体的作用,因此具有良好的阻燃效果。

(6)其他阻燃剂,可作为非卤阻燃剂使用的其他阻燃剂有三氧化二锑、硼酸锌、多元醇、聚乙烯醇、一些金属(如铁、锌、锡、钼)的化合物及络合物等。

2 关于日本住友电气工业株式会社所生产的阻燃电缆的分析

通过对重点申请人――住友电气工业株式会社的聚烯烃阻燃电缆的申请的阅读,从中挑选出各个时间段阻燃剂使用较多且较为典型的专利申请,图1即为按照时间顺序拟出的日本住友电气工业株式会社聚烯烃阻燃电缆专利申请使用的阻燃剂情况。

JPS59117549A是以醋酸乙烯含量在50-85%的EVA为基材,阻燃抑制烟剂使用的是二价或三价的金属碳酸盐或氢氧化物和硼酸锌,二者的重量比在0.25-0.75之间。基于基材100份,阻燃抑制烟剂总量100份,氧指数在30以上,烟密度低于100。其中,该申请提及了二价或三价的金属碳酸盐或氢氧化物大量使用产生的弊端,即降低了材料的力学性能。

为了克服上述碳酸盐或氢氧化物阻燃剂大量填充带来的力学性能下降的缺陷,就需要开发填充量小、阻燃效果好的阻燃剂。

JPH05287117A是以崴苄允髦为基材,如EVA,聚烯烃,含量100份、10-80份的双卤苯基对苯酰胺、5-40份的三氧化二锑作为阻燃剂。得到的电缆垂直电缆阻燃测试(UL Standard VW-1)为A,具有较好的阻燃效果。

但是双卤苯基对苯酰胺代表的卤系阻燃剂存在着产生卤化氢有毒气体的条件,且会产生致癌物质的缺陷。2003年,欧盟颁发RoHS指令后其发展受到严重影响,环保问题成为了其发展的一大障碍,这一障碍较为难克服,但是氢氧化物阻燃剂大量填充带来的力学性能下降的缺陷较为容易克服可通过细化,表面处理。

JP2006310093A是以100份包括高密度聚乙烯和选自下列α-烯烃聚合物、乙烯-乙烯基酯共聚物、乙烯-α,β-不饱和羧酸烷基酯共聚物和苯乙烯热塑性弹性体至少之一的聚合物为基材,添加30-25份金属氢氧化物和1-20份锌化合物。其中金属氢氧化物是平均粒径为0.1-20微米,且是使用偶联剂和脂肪酸处理的。氢氧化物选用较小粒径进行表面处理,也是为了氢氧化物大量使用产生的弊端,即降低材料的力学性能。

卤素阻燃剂的环保问题和氢氧化物阻燃剂大量填充带来的力学性能下降的缺陷均可以通过减少用量来实现,二者的复配可以同时克服上述缺陷。

JP2011219530A是以聚丙烯和聚烯烃弹性体为基体,聚丙烯和聚烯烃的质量比在50:50-90:10的范围,阻燃剂使用的是氢氧化镁、三氧化二锑和溴系阻燃剂,相对于聚丙烯和聚烯烃100质量份、溴系阻燃剂10-30质量份、三氧化二锑1-20质量份、氢氧化镁10-90质量份,三氧化二锑与溴系阻燃剂的复配使阻燃效果良好。与氢氧化镁复配使用,可实现低卤化,同时提高耐磨性,也可以降低氢氧化镁的使用所带来的力学性能的下降。

丰富阻燃剂的种类、开发阻燃效果好的阻燃剂也是住友电气工业株式会社的重要研究方向。

JP5549675B2(公开日期2015年)含有100质量份树脂成分,包含30-85质量份的聚烯烃基树脂、10-50质量份的聚苯醚基树脂、5-30质量份的苯乙烯基弹性体以及5-40质量份的磷基阻燃剂。其中,磷基阻燃剂使用磷酸酯、次磷酸金属盐、磷酸三聚氰胺化合物、磷酸铵化合物、通过环磷腈的开环聚合而获得的聚磷腈化合物,得到的组合物垂直燃烧试验VW-1均合格。

JP5825536B2(公开日期2014年)是以聚烯烃系树脂和苯乙烯系弹性体为基材,二者的质量比为90:10-50:50。相对于100质量份的所述挤出聚合物,含有10-50质量份的金属次磷酸盐和10-50质量份的氮系阻燃剂。得到的组合物力学性能优异,且通过了UL标准所规定的垂直试样燃烧试验(VW-1)。

3 结束语

性能提高点多样化和手段多样化是今后阻燃电缆的发展趋势,不仅从阻燃剂种类的选择及复配方面来提高阻燃性能,还从电缆的结构及内外层级的设计来进一步提高电缆的阻燃性。如在电缆中涉及隔氧层、耐火层、阻燃带等,不仅提高了电缆的阻燃性能,而且同时提高了电缆的多方面性能,这将是今后的大趋势。

参考文献

[1]田计青,贾润礼.聚乙烯复合阻燃体系的研究及应用进展[J].塑料助剂,2006(6):6-10.

[2]尹建伟,刘招生.聚乙烯常见阻燃体系及在防火铝塑复合板中的应用[J].中国建材科技,2004(4):21-24.

[3]朱新军,吴卫东,张胜.聚乙烯阻燃研究进展[J].中国塑料,2008,22(5):1-7.

[4]赵泽星.磷氮系膨胀型阻燃剂的研究[D].上海:华东理工大学,2011

[5]李冬霞,张绪华.无卤阻燃聚乙烯体系的研究[J].石油化工,

2005,34:642-644.

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