耐高温型HDPE无卤阻燃电缆料的研究

曹渊 李谭

摘要：本文使用高密度的聚乙烯（HDPE）、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）、以及耐高温弹性体、无卤阻燃剂进行复配，形成一种耐高温型HDPE无卤阻燃电缆料。并针对该种耐高温型HDPE无卤阻燃体系进行研究和讨论。该体系具有很好的阻燃性，其氧指数超过30%。同时，通过氧化物交联之后，该体系的耐高温能力也有了很好的提升，能于150℃以下保持结构稳定。针对以上特性，本文分析并探讨了共混体系的阻燃效果、电性能、力学性能和高温耐受度的影响因素。结果发现：注入阻燃剂的能有效减少共混体系的机械性能，也能有效减少其体积电阻率，使得其阻燃效果和热老化性有明显提升，而能承受高温的树脂添加和交联能提升体系的阻燃效果，强化其热老化性能。

关键词：阻燃；交联；耐高温；电缆料

HDPE以其价格便宜、力学性能出众、电绝缘性较佳等优势，在电线电缆的绝缘中被广泛使用。不过它易于燃烧，且不能在高于90℃的环境下长期使用，导致其在部分环境下不能使用，故而人们采取了多种方式提升其耐高温性能，曾试过接枝、注入高性能要换机等来共混改性。

一、实验步骤

（一）实验原材料

高密度聚乙烯；

EVA-1，EVA-2，进口；

阻燃剂Al（OH）3，1μm；

耐高温弹性体母粒；

过氧化二异丙苯、抗氧剂等，市均有售。

（二）实验设备和仪器

电子天平、密炼机、微控电子材料试验机、平板硫化机、恒温鼓风干燥箱、高阻测试仪、氧指数仪、热重分析仪。

（三）制备共混体系

按照设定配方，先把高密度聚乙烯、耐高温母粒、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）和抗氧剂置于密炼机中，设置温度为140℃，每分钟60转，实施熔融共混5分钟，使得其和共混物融为一体。最后把混有少量过氧化二异丙苯的二甲酮加入到共混体系当中，迅速取料以避免共混料在密炼机中出现的交联。

把可交联胚料置于平板硫化机中加以硫化，保持模具15MPa压力和180℃两个条件，进行十分钟的硫化和五分钟的冷压。就能获得厚度在3mm上下的交联聚烯烃薄片，然后就可以做成各种尺寸的试样来测定性能。

（四）性能检测

1.拉伸性能

依据GB/T1040-1992对哑铃状试样样品的断裂伸长率e以及抗拉强度σ进行测试。拉伸速率设置在每分钟100mm。

2.恒温鼓风干燥箱老化

将恒温鼓风干燥箱设置158℃，老化168h，在依据GB/T1040-1992对样品率e以及σ进行测试。计算保留率K。

K=A/Q×100% （1）

其中A是老化处理后的拉伸强度，Q为老化前的拉伸强度。

3.氧指数

依据GB/T2406-1993对样本LOI进行测定。

4.体积电阻率

依据GB/T1410-1989对平行试样中电流方向的电位梯度和电流密度J之比进行测定。

二、结果和讨论

（一）基本配方的选择

一般情况下，通常使用添加Al（OH）3，Mg（OH）2等无机粉体替代有机阻燃剂，实现无卤阻燃的目的。但是，非极性的HDPE与表面强极性的Al（OH）3，Mg（OH）2相容性很差。所以，本实验采用乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）来作为基料。实验配方如表1所示。

通过加工温度变化可以看出，由于EVA-2改善了HDPE与Al（OH）3的共混效果，加工性能明显好转。

注：交联前为配方的共混体系；交联后为过氧化物DCP加入0.5%的交联体系。

（二）力学性能的影响因素

在表1所示力学性能测试中发现，高密度聚乙烯/耐高温母粒/ Al（OH）3三元共混体系的相容性较差，力学性能严重下降。交联后尽管拉伸强度显著增加，不过断裂伸长率却严重下降，所以应加入相容剂。

（三）阻燃性能的影响因素

电缆使用的高分子材料都属于可燃类，氧指数基本小于20%。所以，一般工业上都通过加入阻燃剂的方式来达到阻燃的目的。在调整Al（OH）3用量后发现，没有阻燃剂的高密度聚乙烯/乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）共混体系的氧指数仅有18.1%，易于在空气中燃烧，但在Al（OH）3的添加量为20份时，氧指数就升至22.7%（一般氧指数大于27%的可看做是阻燃性材料），所以无卤阻燃剂有着较小的阻燃效率。共混体系中混入10份耐高温母粒后，氧指数有了显著改善，Al（OH）3添加量为20份，氧指数将为32.4%，表明耐高温母粒和阻燃剂能够起到协同效果。

同时，编号B，C的各项氧指数没有明显差异。可以看出，交联与否对阻燃性几乎没有影响。

（四）耐高温性能的影响因素

耐高温性能是电缆料的一项重要评价指标，一般通过高于玻璃化转变温度的烘箱老化试验测得。如表1的实验结果所示，在158℃，168h的老化试验后，交联后样片拉伸强度和断裂伸长率的保留率>70%，说明该样品的耐温等级达到150℃。

究其原因，配方中抗氧体系具有很好的热稳定性，经过交联后，抗氧体系没有遭到破坏，在老化之后，各项力学性能仍有较高的保留率。

（五）该配方体系对电性能的影响

下图展示了Al（OH）3使用量对共混体系交联前后ρv的影响。下图中可得知，伴随着Al（OH）3使用量的增多，共混体系ρv有下降趋势。这是因为阻燃剂是表面形态差异较大且表面具有强极性的无规状粉末，同时高温热处理也无法完全去除水分以及其他的极性杂质，这些极性基团都会在高温状态下导致其他离子杂质离解。

三、结论

一，在HDPE/耐高温母粒的基料配方体系中，乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）能够提升其力学性能和加工性能。

二，耐高温母粒-Al（OH）3阻燃体系能够起到协同效果，使配方体系的阻燃性能显著提升。

三，该抗氧剂体系有很好的热稳定性，使该配方体系满足150℃耐温等级。

四，Al（OH）3能讓共混体系的体积电阻率ρv下降，交联后则略有提升。