用于电缆应用的无卤PE阻燃剂
创建于10.13
即使在现在，聚乙烯（PE）仍是制造电线和电缆的关键材料，因为它具有低介电常数、防潮性和机械强度。然而，该聚合物的烃链结构使其极易燃烧。在消防安全至关重要的安装环境中使用时，有必要对PE进行改性，使其不会点燃且不会释放有毒气体。HFFR体系有助于实现这一目标，因为在燃烧过程中不会释放含卤素的腐蚀性气体。为HFFR体系选择合适的添加剂绝非易事。
如何为PE电缆应用选择无卤阻燃剂
不同类型的电缆设计所需的材料可能差异很大。无卤化合物的选择取决于聚合物层的功能以及适用于最终产品的合规要求。
确定电缆结构和应用要求
这将取决于该材料是作为内部介电绝缘层还是外部保护护套。
- 绝缘层：必须确保绝缘层的电气性能。绝缘层中的添加剂不应引入任何极性杂质或吸湿性成分，从而增加介质损耗因数并在高压应用中引发电树枝化。
- 护套层：护套层必须具有物理耐受性。
- 通信电缆：数据传输线，如局域网或光纤电缆，在严格的火焰蔓延、低烟和无卤（LSZH）规范下运行（例如聚烯烃护套的EN 50290-2-24）。保持信号传输质量限制了可以引入护套或物理发泡绝缘层中的添加剂量。
为外护套定制的化合物很少能作为内层主绝缘材料使用。配方必须始终与特定层的机械和电气约束条件相匹配。
比较常见的无卤阻燃体系
矿物氢氧化物在聚烯烃HFFR配方中占主导地位，但合成磷和协同体系正越来越多地用于降低总体填料负载。
添加剂类型 | 分解温度（°C） | 标准添加量 | 主要优势与权衡 |
氢氧化铝（ATH） | 约200°C | 50 wt% – 65 wt% | 具有成本效益，优异的抑烟性能；仅限于200°C以下的加工温度。 |
氢氧化镁（MDH） | ~300°C | 50 wt% – 65 wt% | 更高的热稳定性允许更热的挤出型材，且原材料成本高于ATH。 |
磷基系统 | 变化（200 °C – 300 °C） | 15 wt% – 30 wt% | 形成保护性炭层；在低得多的添加量下发挥作用，保持树脂的柔韧性和密度。 |
协同系统 | 取决于系统 | 总计40 wt% – 55 wt% | 将矿物基料与有机粘土、硅酮或硼酸锌结合，以提高阻燃效率并减少填充量。 |
ATH和MDH通过吸热分解发挥作用，释放水蒸气以冷却火焰区域，同时形成隔热灰层。由于它们在气相中通过物理作用而非化学作用起效，因此必须采用高填充比例才能达到UL 94 V-0等级。
在采购添加剂时，仅向供应商指定目标阻燃等级是不够的。提供基础PE牌号（LDPE、LLDPE、HDPE或EVA共混物）、加工温度限制、壁厚以及目标护套柔韧性，可以让添加剂供应商推荐兼容的阻燃剂组合。
平衡阻燃性与电气和机械性能
按重量添加50%至60%的矿物填料会极大地改变聚乙烯的物理性能。如果成品电缆在安装过程中开裂或无法通过介电测试，那么实现防火合规就毫无意义。
同时评估火焰性能和电气性能
材料级测试（如实验室样片上的氧指数和UL 94垂直燃烧测试）是一个很好的参考点，但全尺寸电缆性能存在差异。电缆设计、导体散热和交联密度都会对燃烧特性产生影响。
性能评估涉及同时评估四个主要参数：
- 可燃性：决定火焰沿电缆桥架垂直蔓延的速度（依据IEC 60332-3进行全尺寸测试）。
- 烟雾排放和腐蚀性气体释放：确保材料在燃烧时保持可见度，并且不产生酸性烟雾（IEC 61034和IEC 60754）。
- 绝缘电气性能：检查体积电阻率、介电强度和湿绝缘电阻是否在容差范围内，尽管填料负载很高。
- 热老化：测试化合物在长时间加热后的物理性能（工作温度为70至90度）。
高填料负载会吸引表面水分，导致湿体积电阻率下降。选择经过表面处理的填料（如硅烷涂覆的ATH或MDH）可以防止吸湿，并在延长的热循环中保持电气绝缘性能。
保持机械强度和柔韧性
在原始形态下，矿物填料在聚乙烯基质中充当应力集中点。增加矿物填料的用量会导致拉伸强度和断裂伸长率急剧下降，使聚合物变脆。
柔韧性对于电缆在沟槽中卷绕、拉拽以及穿过狭窄管道是必要的。为了在保持耐火性的同时克服脆性：
- 引入表面偶联剂：用乙烯基硅烷处理ATH和MDH颗粒可改善其与PE基质的界面，从而恢复拉伸强度和断裂伸长率。
- 使用功能性聚合物：添加乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）或马来酸酐接枝聚乙烯（PE-g-MAH）可提高柔韧性和填料相容性。
- 使用协同添加剂：用纳米黏土、硅酮或硼酸锌替代5%至10%的矿物填料可提高燃烧炭层强度，从而减少总体填料用量。
热老化测试后，务必评估拉伸强度和断裂伸长率。如果添加剂体系加速聚合物氧化，化合物可能通过初始机械测试，但会迅速降解。
选择PE阻燃剂前检查加工兼容性
如果实验室测试中的有效配方在高速挤出中表现出熔体流动差、口模滴料和热分解，那么它在生产中将被证明无效。
考虑分散性、挤出稳定性和加工温度
高填充HFFR化合物的加工需要精确调整热和机械剪切参数：
- 填料分散：分散不良的填料团聚体在电缆壁中形成薄弱区域，导致电击穿和表面缺陷。高剪切双螺杆混炼是实现亚微米颗粒均匀分布所必需的。
- 熔体粘度和流动性：由于添加量增加，熔体粘度显著升高，这增加了熔体破裂和挤出机机头压力的风险。不含氟聚合物的加工助剂或特殊脂肪酸润滑剂体系可以确保更好的挤出型材，同时不影响阻燃性能。
- 加工温度范围：ATH的脱羟基反应从200°C开始。过高的加工温度会导致电缆绝缘层中产生气泡和空腔。如果为了达到正确的产量而需要高于200°C的加工温度，则应改用MDH（可承受高达300°C的温度）。
- 表面质量：电缆护套上的熔体破裂（鲨鱼皮现象）会损害美观并降低抗撕裂性能。优化口模设计、温度分区和润滑剂配方可确保光滑的表面光洁度和尺寸稳定性。
在实际生产条件下验证化合物
从树脂开发阶段到制造工艺，规模化生产需要一系列系统化的流程。仅依赖原材料供应商的技术数据表在制造过程中存在风险。
在中试挤出试验中，检查以下生产规格：
- 电缆上的防火和烟雾性能，而非试片上的性能。
- 在水浴中长期保持绝缘和拉伸特性。
- 连续操作过程中的扭矩、机头压力和温度稳定性。
- 在所需线速度下的公差、壁厚均匀性和表面光洁度。
- 将暴露在阳光下的护套化合物的耐候性和抗紫外线性能。
通过这种方式，样品完全具备制造资格，以避免任何生产线停机、模具磨损问题和电缆故障。
结论
选择合适的 无卤阻燃剂对于PE电缆配方而言，需要采取平衡的方法。在实现消防安全合规性的同时，不能以牺牲介电强度、机械柔韧性或加工产量为代价。通过将添加剂体系（ATH、MDH、磷系或协同复配体系）与特定电缆层相匹配，利用表面处理来保持伸长率，并在商业化挤出生产线上验证熔体稳定性，电缆制造商和配混料厂商可以开发出可靠、高性能的无卤阻燃（HFFR）电缆。
在与添加剂供应商沟通时，请提供关于基础树脂牌号、目标电缆标准、绝缘厚度和加工限制的准确详细信息，以确定适合您应用的最佳阻燃剂组合。
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