硬脂酸钠改性镁铝水滑石／EVA电缆复合材料的制备及性能研究

黄 耿，谢 静，刘梦琴，李 璐，段锦华，刘晋男，张 雯

（1.衡阳师范学院 化学与材料科学系，湖南 衡阳421008；2.衡阳恒飞电缆有限责任公司，湖南 衡阳421008；3.株洲市南方中学，湖南 株洲412000）

近年来，由聚合物材料着火所引起的火灾发生率呈上升趋势。据统计，全球火灾事故中，只有少数人死于明火烧身，而90%以上的人死于含有卤素阻燃剂的聚合物材料燃烧时释放出来的烟雾和毒性气体而造成的窒息死亡。因此低烟无氯阻燃剂的研究具有十分重要的意义，其中使用清洁高效无机阻燃剂是改善材料阻燃性能的重要途径。目前，广泛使用的无机阻燃剂一般为金属氢氧化物，常见的是氢氧化铝和氢氧化镁，它们具有阻燃、环保、抑烟、无毒等优点［l］，因而成为科研工作者们竞相研究的热点。

层状双氢氧化物（layered double hydroxides，LDHs，又称水滑石）作为一种新型的无机材料［2－4］，与氢氧化铝和氢氧化镁有相似的组成和结构，并兼具两者的优点，且LDHs本身不含任何有毒物质，因此是一种理想的阻燃和抑烟型清洁阻燃剂，在阻燃上呈现出的诱人的应用前景，使它的有关研究成为热点［5－6］。这种独特的结构赋予它酸性、碱性、热稳定性、记忆效应等许多特殊的性质［7－13］，也正是这些特殊的性质使其成为一种具有巨大潜力的新型无机功能材料，受到人们的广泛关注。

笔者将硬脂酸钠改性水滑石以及氢氧化铝分别与乙烯－醋酸乙烯共聚物混炼制备复合材料，考察其在硫磺硫化体系中改性水滑石与橡胶复合材料的硫化特性、机械性能、老化性能与氧指数［14－16］。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

仪器：冲片机（CP－25，上海中艺机器厂）；开放式炼胶机（JTC－759，广东省湛江机械厂）；平板硫化机（QLB－350＊350＊2，上海第一橡胶机械厂）；无转子硫化仪（MDR－2000，上海杰登机器设备有限公司）；热老化试验箱（XG－C2，江苏省启东县实验仪器厂）；橡胶强力试验机（XQ－250，上海东方机械厂）；氧指数测定仪（HC－2，南京市江宁区分析仪器厂）。

试剂：改性水滑石（150nm，江阴瑞法化工有限公司）；氢氧化铝（上海汇普工业化学品有限公司）；EVA（421／40L03，杜邦公司）；其余添加剂均购自国内各公司。

1.2 复合材料的制备及性能测试

采用基本配方（质量份）：改性水滑石和氢氧化铝变量，EVA100份［17］，其余添加剂定量。将其投入开炼机，按照标准混炼得到混合胶。搁置8h后，控制温度为150℃，在硫化仪中测试其硫化特性，再根据正硫化时间在液压机上压成片状，搁置16h后切片，进行机械性能测试。按照标准制得2型哑铃状试样，进行拉伸应力性能测试。最后在调节度温至158℃，将试样条放入老化试验箱，老化168h后取出。按照标准进行。

2 结果与讨论

2.1 硫化特性

表1 复合材料在硫磺硫化体系中的硫化特性

表1为硬质酸钠改性镁铝水滑石／EVA和氢氧化铝／EVA复合材料的硫化特性。△M（最大小扭矩之差）表征橡胶分子链缠结程度的高低；t10表征橡胶的焦烧时间，表示橡胶可安全加工时间的长短；t90表征橡胶的正工艺硫化时间。由表1横向比较可知Al（OH）3／EVA复合材料的正硫化时间在阻燃剂的质量分数为40～70%时缩短，70～130%时增加；SLDHs／EVA复合材料的正硫化时间在阻燃剂的质量分数为40～100%时增加，100～130%时缩短。纵向比较可得SLDHs／EVA复合材料的预硫化时间和正硫化时间与Al（OH）3／EVA 复 合 材 料 相 比 有 了 一 定 的 缩 短，其 中SLDHs／EVA复合材料的预硫化时间和正硫化时间大为缩短。

2.2 机械性能

表2 复合材料在硫磺硫化体系中的的机械性能

续表

由表2见图1复合材料的抗张强度。其中a代表SLDHs／EVA复合材料，b代表 Al（OH）3／EVA复合材料。从图1横向比较可得SLDHs／EVA的抗张强度先增大后减小然后再增大；Al（OH）3／EVA下降的趋势比较小，当 Al（OH）3的质量分数增加到100%时，抗张强度开始增大。纵向比较可得阻燃剂的质量分数为40%～70%时，SLDHs／EVA ＞ Al（OH）3／EVA；质量分数为100%～130%时，抗张强度 Al（OH）3／EVA ＞SLDHs／EVA。

图1 复合材料的抗张强度

综上所述，当SLDHs投入量在70%以下时，抗张强度要高于Al（OH）3，当无机填料添加量增加至70%以上时，则情况相反。

图2为复合材料伸长率。其中a代表SLDHs／EVA复合材料的，b代表Al（OH）3／EVA复合材料。从图横向比较可以看出复合材料的伸长率随着阻燃剂的含量增加而减小，Al（OH）3／EVA的伸长率呈直线趋势下降，且减小的程度很大；SLDHs／EVA复合材料下降的趋势比较小，且大小相近。纵向比较可得复合材料的伸长率SLDHs／EVA＞Al（OH）3／EVA。

图2 复合材料的伸长率

其中a代表SLDHs／EVA复合材料，b代表Al（OH）3／EVA复合材料。从图3横向比较可以看出复合材料的硬度随着阻燃剂的含量增加而增加，纵向比较可得复合材料的硬度SLDHs／EVA ＞ Al（OH）3／EVA。

图3 复合材料的硬度

综上所述，硬脂酸钠改性纳米水滑石／EVA复合材料具有抗张强度大，伸缩率长，硬度小的物理机械性能。

2.3 老化性能

比较表2和表3可知复合材料老化后机械性能SLDHs／EVA和Al（OH）3／EVA的变化趋势与老化前的一致：在填料添加量小于100%时，抗张强度变化率和伸长率变化率SLDHs／EVA＞ Al（OH）3／EVA，在填料添加量大于100%则相反。

表3 老化一周后的机械性能

2.4 阻燃性能

分别将压片后的试样进行氧指数测试，结果如表4所示。

表4 氧指数测试

从图4横向比较可以看出，复合材料的氧指数随着阻燃剂的含量增加而增加。纵向比较可得EVA／SLDHs和EVA／Al（OH）3的阻燃效果相近。

图4 复合材料的氧指数

3 结 论

通过以上性能比较说明硬脂酸钠改性纳米水滑石／EVA复合材料不仅有良好的阻燃效果，而且还有优良的硫化性能和机械性能，因此该复合材料将在控制成本的前提下可以用于替代EVA电缆中的金属氢氧化物，并且也展示了水滑石在EVA电缆阻燃材料方面有很好的应用和发展前景［18－19］。

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