氧化物在阻燃聚烯烃电缆料中的协效作用

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聚烯烃,特别是线性低密度聚乙烯和乙烯-醋酸乙烯酯复合材料(LLDPE/EVA),因其性能优异而被广泛应用于电线电缆。LLDPE/EVA极易燃烧且燃烧时放出大量热,对人类生命和财产安全造成极大危害,因此对LLDPE/EVA材料进行阻燃研究具有重要意义。目前制备阻燃LLDPE/EVA的主要方法是添加氢氧化物等无卤阻燃剂,但是由于大多无卤阻燃剂效率较低,需要与其他阻燃剂协同使用才能达到较好的阻燃效果。本文对三氧化钼(MoO3)、气相二氧化硅(SiO2)等氧化物在无卤阻燃LLDPE/EVA体系中的协效阻燃作用进行了研究,主要内容为:(1)通过不同比例的LLDPE与EVA共混,确定当LLDPE:EVA=80:20(质量比,下文同)时,LLDPE/EVA材料(PO)力学性能表现最佳。以PO:氢氧化镁(MH)=40:60制备氢氧化镁阻燃聚烯烃电缆料(POMH),材料阻燃性能较低,极限氧指数(LOI)值仅为24.4。采用可膨胀石墨(EG)作为阻燃协效剂,当在POMH中加入6 phr(树脂中添加剂百分含量)EG制得阻燃聚烯烃材料(POMH-EG6)的LOI值达到28.2%,但无法通过水平垂直燃烧测试(UL-94)。通过采用(ZnO、SiO2、Fe2O3、MoO3和SnO2)多种氧化物进行协效阻燃,结果表明当在POMH-EG6中加入1 phr MoO3后,复合材料(POMH-EG6-M2)的LOI值可以达到29.5%,可以通过UL-94 V-0测试,同时断裂伸长率保持在208.6%。热重分析(TGA)结果显示,POMH-EG6-M2在800oC时残炭量达到30.47%,为PO的20.7倍。锥型量热(Cone)测试结果显示,POMH-EG6-M2材料热释放速率峰值(PHRR)、总热释放量(THR)对比PO分别降低了76.3%和31.3%。通过X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)-能谱分析(EDS)和拉曼光谱(Raman)对Cone测试后残炭进行分析,证实MoO3有助于材料在高温下形成更加稳定的炭质结构。通过对材料进行热动力学分析,数据显示POMH-EG6-M2在主失重阶段具有高的活化能,达到359.6 kJ/mol,表明MoO3的添加有利于提高材料的热稳定性。(2)以过氧化二异丙苯(DCP)为交联剂,MH为阻燃剂制备了交联阻燃材料且通过加入少量氧化物研究其对材料的协效阻燃作用进行了研究。在DCP加入量为0.25phr的交联阻燃材料(XLPOMH)中加入1 phr ZnO或1 phr SiO2后,材料LOI值分别提升了0.6个百分点和0.8个百分点。Cone测试结果显示在POMH中加入少量氧化物对材料PHRR和THR等影响较小,而在XLPOMH中加入1 phr SiO2可以使材料的PHRR与THR分别降低了61.78%和60.19%。同时SEM结果显示氧化物的加入可以减少交联体系残炭中的气孔,XRD与FTIR结果证实氧化物的加入有利于材料形成稳定的炭层。
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