低煙聚氯乙烯和阻燃硅橡膠電纜材料的制備與性能研究.pdf

1、由于電線電纜在能量傳輸和信息傳遞等方面的重要性，特別是現(xiàn)代社會的環(huán)保和健康需求，研究和開發(fā)新型低煙、低毒的防火(包括阻燃和耐火)電纜材料成為電纜新材料研究領(lǐng)域的熱點。 本文在總結(jié)聚氯乙烯電纜材料的阻燃抑煙研究現(xiàn)狀和最新進展的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化制備羥基錫酸鋅(ZHS)的條件，以及將ZHS包覆在氫氧化鎂(MH)和碳酸鈣(CaCO3)粒子表面上，制備清潔高效的阻燃抑煙劑，研究ZHS類添加劑對PVC熱穩(wěn)定性和阻燃抑煙性能的影響以及作用機理

2、。同時在總結(jié)耐高溫硅橡膠電纜材料的補強阻燃最新研究基礎(chǔ)上，制備了甲基乙烯基硅橡膠(MVMQ)無鹵阻燃電纜材料和MVMQ/粘土阻燃納米復(fù)合材料，系統(tǒng)研究氫氧化物阻燃體系對硅橡膠材料的阻燃作用。通過對PVC新型阻燃抑煙配方和硅橡膠無鹵阻燃補強配方的優(yōu)化設(shè)計，以期發(fā)展在不同使用環(huán)境中具有優(yōu)異火災(zāi)安全性的新型電纜材料。 本文的主要研究內(nèi)容總結(jié)為以下四個方面： 1.ZHS的制備及其對PVC電纜材料阻燃抑煙作用的研究采用共沉淀法制得

3、平均粒徑為20～30nm的ZHS粒子，利用粉末X射線衍射(XRD)、傅立葉變換紅外光譜(FTIR)、熱重分析(TGA)和透射電子顯微鏡(TEM)等對ZHS的結(jié)構(gòu)和性能進行表征，系統(tǒng)研究反應(yīng)溫度和pH值對ZHS結(jié)構(gòu)的影響，優(yōu)化制備條件。將制得的ZHS與PVC及加工助劑熔融共混制備阻燃抑煙PVC電纜材料，采用極限氧指數(shù)法(LOI)、垂直燃燒(UL94V)和NBS煙密度箱(SDR)系統(tǒng)研究了ZHS和AO、ZB、MH、ATH、CaCO3對PVC

4、的阻燃抑煙效用，結(jié)果表明ZHS對PVC電纜材料具有優(yōu)良的阻燃抑煙效果，使用量為15％時可以滿足我國對PVC電纜材料煙密度的要求，阻燃級別可以達到V0。環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)炭渣形貌分析表明，經(jīng)ZHS作用后的PVC炭渣均勻、致密且連續(xù)，結(jié)合TGA，錐型量熱計(CONE)和真空裂解氣相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)研究其阻燃機理，結(jié)果表明ZHS有利于促進PVC熱解或燃燒過程中多烯產(chǎn)物的交聯(lián)成炭，形成具有隔熱、隔氧、隔氣的炭層，對PV

5、C阻燃抑煙的作用機理同時包含氣相和固相作用機理。 2.ZHS包覆MH和CaCO3的制備及其對PVC電纜材料阻燃抑煙作用的研究 根據(jù)以上優(yōu)化條件制備以11.2％ZHS包覆的MH和CaCO3，利用XRD和TEM對包覆粒子的結(jié)構(gòu)進行表征；通過熔融共混法將包覆物與PVC復(fù)合，利用LOI、UL94V、SDR、CONE、TGA等手段研究它們對PVC電纜材料阻燃抑煙性能、熱穩(wěn)定性和燃燒性能的影響，并且與三氧化二銻(AO)等PVC傳統(tǒng)阻

6、燃抑煙劑進行比較。研究發(fā)現(xiàn)ZHS包覆CaCO3對PVC電纜材料具有最佳的阻燃抑煙效果。結(jié)合GC-MS、CONE和TGA研究其阻燃機理，可知ZHS包覆CaCO3對PVC的阻燃抑煙作用同樣是氣相作用機理和固相作用機理并存的。 3.無鹵阻燃硅橡膠電纜材料的研究以MH或ATH為阻燃劑、ZB或MRP為阻燃協(xié)效劑，白炭黑為補強劑制備MVMQ電纜材料，系統(tǒng)研究其機械性能、阻燃性能和耐溶劑性能。LOI、UL94V和SDR研究結(jié)果表明，MH/MR

7、P協(xié)效阻燃體系對MVMQ具有最佳的阻燃作用；材料熱重和熱氧化動力學(xué)分析結(jié)果表明，MH/MRP改變了MVMQ材料的熱解過程；MH/MRP阻燃的MVMQ材料熱氧化降解過程表觀活化能比未阻燃時顯著增加；結(jié)合ESEM燃燒殘余物形貌分析，MH/MRP阻燃的硅橡膠燃燒后的炭渣連續(xù)而致密，初步推斷MH/MRP對硅橡膠電纜材料的阻燃機理中，除了增強燃燒殘余物的阻隔作用外，還包含有能量阻隔機理。 根據(jù)上述研究，篩選具有最優(yōu)補強和阻燃性能的MVMQ

8、阻燃補強配方并添加適量結(jié)構(gòu)控制劑，加工制備了成型阻燃硅橡膠電纜護套，制品完全符合無鹵阻燃硅橡膠電纜材料的工業(yè)生產(chǎn)和使用要求，并通過了國家固定滅火系統(tǒng)和耐火構(gòu)件質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心對耐火電纜的檢驗。 4.MVMQ/有機蒙脫土納米復(fù)合物無鹵阻燃電纜材料的研究利用Z槳捏合機通過熔融插層法制備了MVMQ/OMMT(用十六烷基三甲基溴化銨，C16BrN改性的蒙脫土)納米復(fù)合物，以MH/MRP為阻燃劑，白炭黑為補強劑制備了無鹵阻燃的MVMQ/O

9、MMT納米復(fù)合材料，系統(tǒng)研究了OMMT和氣相法白炭黑對MVMQ的協(xié)效補強作用，以及OMMT和MH/MRP對MVMQ的協(xié)效阻燃作用。OMMT對MVMQ基體的機械性能有明顯的補強效果，當其用量僅為0.5％時，硅橡膠納米復(fù)合物的拉伸強度比純基體樹脂提高141.6％，但其用量大于5％時，納米復(fù)合物的力學(xué)性能則會有明顯降低；OMMT和氣相法白炭黑對MVMQ具有補強協(xié)效作用，當其用量分別為1％和20％時，復(fù)合材料拉伸強度與30％白炭黑單獨使用時相當