氢氧化铝在热塑性低烟无卤阻燃材料中的性能研究

2023-02-26

热塑性低烟无卤阻燃材料具有优良的机械物理性能、耐热性能、电性能、阻燃性能及加工工艺性能, 而且具有不含卤素、发烟量低等优点。目前聚合物主要使用的无卤阻燃剂是氢氧化铝 (ATH) 、氢氧化镁 (MH) 及膨胀性阻燃剂。其中, ATH在220℃开始降解, 可以大量吸热并释放出结晶水, 使得高聚物燃烧、升温速度减慢, 并且帮助高聚物形成炭化保护膜, 阻挡氧气助燃, 阻挡降解的可燃性气体逸出燃烧, 具有良好的阻燃和抑烟功能。

当聚合物的单体是属于与水有较大亲和力的极性单体, 或者是带有羧酸盐基团时, 聚合物通常具有一定的吸水能力, 电缆料吸水的结果, 往往导致电缆料电阻率降低, 绝缘性能变差, 容易导致电路漏电, 并且存在最终引燃电缆材料的危险。大多数电缆材料聚合物可燃, 有的在燃烧时产生大量的有毒气体和浓烟, 对环境造成的危害并威胁人们的生命。

由于ATH表面亲水疏油, 与非极性聚合物材料亲和性差, 在聚合物基体中难以均匀分散, 容易团聚, 界面难以形成良好的结合和黏结, 从而限制了它的应用。因此, 如何改善ATH与非极性聚合物材料之间的界面黏结力及亲和性, 从而提高ATH阻燃聚合物的综合性能, 就成为ATH阻燃聚合物研究领域要解决的主要课题之一。

本次研究主要通过研究不同种类的ATH在现有低烟无卤阻燃复合电缆材料配方中对ATH单个配方原料进行替代应用性能对比测试, 并在原有配方中添加硅烷偶联剂与ATH产生协同效应, 从而在整体上优化阻燃复合材料的综合性能。

一、实验部分

1. 原料与助剂

树脂包括:EVA265 (美国杜邦公司) , POE DF840 (新加坡三井化学公司) , LLDPE:7042, 马来酸酐接枝PE。

ATH阻燃剂包括:美国雅宝化工公司104LEO, 鹏丰铝业有限公司未改性氢氧化铝01和硅烷改性氢氧化铝02。

辅料包括:抗氧剂300, 润滑剂等。

2. 实验配方

制备工艺:

(1) ATH的表面处理:将ATH倒入高速搅拌机中, 用雾化装置均匀喷入占ATH质量1%-2%的硅烷偶联剂, 喷完后继续高速搅拌30秒左右, 使其充分被ATH粉体吸收。

(2) 各原料按照组分配比进行配料, 然后倒入高速混合机中, 搅拌混匀后, 投入双螺杆挤出机中混炼, 再经单螺杆挤出机挤出造粒;

3. 测试方法

二、结果与讨论

1. 基本力学性能

(1) 密度:配方变量因素 (ATH、硅烷偶联剂) 并没有对产品密度起到任何影响作用。

(2) 机械性能 (拉伸强度和断裂伸长率)

配方2和配方4是分别是在配方1和配方5的基础上加入硅烷偶联剂产生了明显的协同效应, 机械性能提高;配方3是在配方5的基础上使用了经过硅烷改性处理的ATH, 也能对聚合物的机械性能产生积极的效应。

(3) 阻燃性能 (极限氧指数)

配方2和配方4是分别是在配方1和配方5的基础上加入硅烷偶联剂产生了明显的协同效应, 阻燃性能更好了;配方3是在配方5的基础上使用了经过硅烷原厂家改性处理的ATH, 也能对聚合物的阻燃性能产生积极的效应。

基本力学性能测试结果表明:经过硅烷偶联剂改性处理或者作用的ATH能与偶联剂形成化学键, 偶联剂另一端与聚合物产生一定的特殊反应或者形成分子间物理缠绕, 从而把聚合物和无机阻燃剂两种差异较大的材料紧密结合, 大大提高了低烟无卤复合材料配方的相容性, 表现出了更好的机械力学性能和阻燃性能。

2. 电阻率

(1) 在添加不同ATH的低烟无卤材料配方产品其绝缘性能测试 (未浸水) 结果可以看出, 雅宝公司104LEO ATH在配方中产生的绝缘性能效果最佳, 国产未改性ATH效果最差。

(2) 配方2和配方5是分别是在配方1和配方3的基础上加入硅烷偶联剂改性处理的, 改性后的配方材料绝缘性能电阻率降低了, 绝缘性变差了;除配方2之外的所有配方的材料在浸水后其绝缘性能变差, 且绝缘性能变差趋势明显, 而配方2材料的绝缘性能表现出了良好的稳定性。

(3) 根据配方3和配方4的实验数据可以看出, 本次研究自行改性的ATH (配方4) 在材料绝缘性能方面的贡献不如原厂家改性的ATH, 但明显优于配方5中应用添加未改性ATH的低烟无卤材料的绝缘性能。

3. 吸水性

吸水性能测试结果与绝缘性能测试完全成反比, 低烟无卤阻燃材料中聚合物的吸水量越大, 其绝缘性能越差, 当配方5的材料在连续浸水4周后吸水率达到了5%以上, 表明吸水性比较高, 部分聚合物可能存在降解的情况, 而配方1、配方2、配方3、配方4的材料在连续浸水4周后吸水率没有超过3%, 是聚合物正常的吸水量范围。可以看出进口的ATH和经过改性的ATH制备的低烟无卤阻燃材料可以有效降低浸水吸水量。

绝缘性能和吸水性测试表明:进口的ATH和经过改性的ATH制备的低烟无卤聚合物阻燃材料可以有效降低浸水吸水量, 保证在浸水的条件下, 材料可以保持较高的绝缘性能。进口未改性的的ATH对材料绝缘性能的贡献可能是因为其微观的晶体形态等方面原因, 本文并没有对其进行详细探究, 通过硅烷偶联剂改性的ATH明显表现出了两者之间协同效应, 偶联剂可以对聚合物固定离子基团进行化学键连接或者物理缠绕, 造成屏蔽效应, 减少导电离子数, ATH微观颗粒可以对聚合物的网格空间进行一定程度的填充, 降低导电离子移动的可能。

结论

1.雅宝公司104LEO ATH应用于低烟无卤阻燃复合材料配方中表现出了良好的性能, 可能是微观晶体结构等方面的原因, 值得做进一步深入研究。

2.使用硅烷偶联剂对ATH进行改性后, 能明显改善聚合物和ATH之间的界面黏结力及亲和性, 表现出了良好的力学性能和阻燃性能。

3.使用硅烷偶联剂将ATH自行进行简单的工艺处理可以获得综合性能更好的低烟无卤阻燃聚烯烃复合材料, 但该硅烷改性ATH较雅宝公司的硅烷改性成品104LEO ATH的性能还有一定差距, 需要做进一步改进。

摘要：本文通过研究不同种类氢氧化铝 (ATH) 在低烟无卤阻燃复合材料中的应用, 结果表明:不同种类类的ATH制备的低烟无卤阻燃聚烯烃材料在力学性能、电性能、阻燃性能, 尤其是吸水性能上表现出明显的差异, 雅宝公司生产的ATH综合性能表现最好, 且与硅烷偶联剂有明显的协同效应, 其制备的低烟无卤阻燃复合材料在90℃状态下浸水72h后, 电阻率基本保持在3.3-3.5Ф·cm*10-12, 在90℃状态下浸水4周后, 其吸水性能仅有0.5%。

关键词：氢氧化铝,低烟无卤阻燃,聚烯烃复合材料,性能