一種抗開(kāi)裂低煙無(wú)鹵阻燃聚烯烴電纜護套料

2013年第3期電線(xiàn)電纜013年6月No.32013Electric Wire CableJun,2013一種抗開(kāi)裂低煙無(wú)鹵阻燃聚烯烴電纜護套料張凱,李秀峰',徐曼,謝大榮1,席保鋒',童建平2(1西安交通大學(xué)電力設備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗室陜西西安710049;2.中國石油長(cháng)慶油田公司水電廠(chǎng),甘肅慶陽(yáng)745100)摘要:通過(guò)使用阻燃協(xié)效劑,實(shí)現了護套料在低阻燃劑填充量情況下的高效阻燃,有助于獲得集高阻燃、高力學(xué)性能和抗開(kāi)裂性能于一身的無(wú)鹵阻燃電纜護套料。熱重和氧指數測試結果表明材料的熱分解過(guò)程得到有效護制,并且燃燒后可形成結構碳提高材料的阻燃性能。力學(xué)性能測試及掃描電鏡結果表明,無(wú)機阻燃劑與基體樹(shù)脂間的界面作用通過(guò)阻燃協(xié)效劑得到增強,因而具有良好的機械強度和伸長(cháng)率?？归_(kāi)裂試驗結果直接反映出這種新型低煙無(wú)鹵阻燃護套料具有良好的抗開(kāi)裂性能。關(guān)鑣詞:抗開(kāi)裂;低煙無(wú)鹵;聚烯烴;阻燃協(xié)效中圖分類(lèi)號:TM215.1文獻標識碼:A文章編號:16726901(2013)03002104An Anti-Cracking Low Smoke Halogen Free and Flame Retardant Polyolefin CableSheath MaterialZHANG Kai, LI Xiu-feng, XU Man, XIE Da-rong, XI Bao-feng, TONG Jian-ping(1. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi'an Jiantong University, Xi'an 710049China; 2. Hydraulic Power Plant of Changqing Oil Field Company of CNPCGCL, Qingyang 745100, ChinaAbstract: By making use of flame retardant synergist, sheath material realizes high-efficiency flame retardant in lowcontent of flame retardant filler and gets anti-cracking, high flame retardant and high mechanical properties. TGA andLOI test results demonstrate that thermal degradation process of materials can be restrained. Structural carbon formedin burning process can improve flame retardant property of materials. Mechanical property and SEM test results dem-onstrate that flame retardant synergist enhances matrix -filler interaction, 8o sheath materials get excellent tensiletrength and elongation at break Anti-cracking test demonstrate that the new sheath material has excellent anti-crack-Ing property.Key words: anti-cracking; low smoke and halogen free; polyolefin; synergistic flame retardant effect0引言能帶來(lái)極大的影響。因為隨著(zhù)填充量的增大,間隔了聚合物分子鏈間的連續性,減少了大分子鏈間的隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)和社會(huì )經(jīng)濟的不斷發(fā)展,人們對纏結降低了材料的強度和韌性;又因聚合物基體材電線(xiàn)電纜產(chǎn)品安全環(huán)保性能的要求越來(lái)越高。傳統料與水合無(wú)機填料的膨脹系數相差較大,在熱脹冷的含鹵電纜材料在燃燒時(shí)會(huì )釋放大量有毒害的鹵化縮的過(guò)程中,由于不均勻收縮而出現結構缺陷,產(chǎn)生氫氣體,對人員的生命安全及建筑設備造成損害,其內應力,所以作為高填充的低煙無(wú)鹵阻燃聚烯烴材使用也日益受到限制。綠色環(huán)保的低煙無(wú)鹵阻燃聚料易于開(kāi)裂,這是電纜產(chǎn)品的致命缺陷。早在上世烯烴材料的相關(guān)研究日益受到重視。紀80年代中期,廣東大亞灣核電站進(jìn)口的大批電纜低煙無(wú)鹵阻燃聚烯烴電纜護套料為一種環(huán)保型出現護套開(kāi)裂,開(kāi)裂護套均為熱塑性低煙無(wú)鹵阻燃產(chǎn)品,開(kāi)發(fā)這類(lèi)高性能阻燃材料是阻燃技術(shù)的一個(gè)材料。至今,用一些廠(chǎng)家的低煙無(wú)鹵阻燃護套料制重要課題,也是一個(gè)難點(diǎn)。因為該阻燃體系一般采造的電纜在使用或存放中開(kāi)裂情況時(shí)有發(fā)生。也就用水合無(wú)機填料作為阻燃劑,這類(lèi)阻燃劑雖然無(wú)毒、是說(shuō),熱塑性低煙無(wú)鹵阻燃護套材料開(kāi)裂的現象延低煙,但其阻燃效率低,要滿(mǎn)足阻燃要求,其填充量續了近20年,尚未得到很好解決。需50%以上,給復合材料的物理機械性能和加工性本文介中國煤化工無(wú)鹵阻燃聚烯烴電纜護套料CNMHG于加工綠色收稿日期:2012-10-17環(huán)保的特點(diǎn),縣有細的買(mǎi)訓詛。作者簡(jiǎn)介:張凱(1987-),男,博土研究生作者地址:陜西西安市咸寧西路28號[7100492013年第3期電線(xiàn)電纜2013年6月No.32013Electric Wire cable13實(shí)驗部分強度下降了570%斷裂伸長(cháng)率下降了756%,可見(jiàn)無(wú)機阻燃填料體系的加入使基體樹(shù)脂的力學(xué)性能11主要原料大幅劣化。這是由于無(wú)機阻燃填料與基體樹(shù)脂間的樹(shù)脂:乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)與低密度相容性較差,即便填料經(jīng)過(guò)表面處理,仍然會(huì )有在基聚乙烯(LDPE)的共混物;無(wú)機阻燃劑:氫氧化鋁體樹(shù)脂中分布不均現象聚集成團的無(wú)機填料與基(ATH)和氫氧化鎂(MDH)混合物表面經(jīng)硅烷偶聯(lián)體樹(shù)脂間的界面結合力減弱,導致材料力學(xué)性能的劑處理;阻燃協(xié)效劑。各試樣配方如表1所示。大幅度下降。3#體系為抗開(kāi)裂阻燃料,其中加入了表1配方阻燃協(xié)效劑。與普通阻燃料相比,其拉伸強度比提配方號阻燃劑阻燃協(xié)效劑高了13.3%,斷裂伸長(cháng)率提高了15.8%,表明阻燃l#樹(shù)脂100份協(xié)效劑可以改善無(wú)機阻燃填料在基體樹(shù)脂中的分2#普通阻燃料100份120份散增加界面強度,因而具有良好的力學(xué)性能3#抗開(kāi)裂阻燃料100份120份10份衰2不同配方的力學(xué)性能測試結果配方號拉伸強度/MPa斷裂伸長(cháng)率/%1.2試樣制備1#脂26.3780將基體樹(shù)脂在開(kāi)放式混煉機上塑煉后,分別加2#普通阻燃料11.3入無(wú)機阻燃填料及阻燃協(xié)效劑進(jìn)行混煉,溫度控制3抗開(kāi)裂阻燃料12.8在110~120℃,多次薄通確?；旌暇鶆?。在平板硫化機上熱壓成片。厚度1mm的啞鈴型試樣用于力2.2抗開(kāi)裂性能學(xué)性能測試厚度3mm的試樣用于氧指數測試。低煙無(wú)鹵阻燃護套料的抗開(kāi)裂性能測試,按照1.3性能分析測試GB/T2951.6-1997進(jìn)行,其中空氣熱老化箱溫度力學(xué)性能測試:力學(xué)拉伸機,測試按GBT150℃,老化時(shí)間1h。1#普通護套料出現裂紋,抗開(kāi)528-200進(jìn)行;斷面形貌分析:掃描電子顯微鏡裂護套料無(wú)裂紋。(SEM),放大倍數500倍;抗開(kāi)裂試驗:測試按照按GBT2951的規定,試樣應緊密卷繞在試棒GB/T2951.6-1997進(jìn)行,150℃,1h;氧指數測試:上,兩端固定,在規定的條件下進(jìn)行老化后,取出觀(guān)氧指數測定儀測試按GBT2406.2-200進(jìn)行;熱察,若試樣無(wú)裂紋,則判定為通過(guò)抗開(kāi)裂試驗。重分析(TG):熱重分析儀,溫度范圍30~600℃,溫抗開(kāi)裂護套料不僅阻燃性能及力學(xué)加工性能均升速率為10℃/min。優(yōu)于目前普通的低煙無(wú)鹵護套料產(chǎn)品,且具備抗開(kāi)2結果與分析裂性能。無(wú)機阻燃填料在基體樹(shù)脂體系中的分散情況及其與基體樹(shù)脂界面間的相互作用對基體樹(shù)脂低煙無(wú)鹵阻燃聚烯烴電纜護套料在實(shí)際應用阻燃體系復合材料的性能有很大的影響阻燃協(xié)效中,常面臨力學(xué)性能、加工性能與阻燃性能之間相互劑的加入實(shí)現了低填充量下的高效阻燃。制約而不能兼顧的問(wèn)題。為在滿(mǎn)足基本性能要求的將熱老化前后的普通阻燃料和抗開(kāi)裂阻燃料試基礎上獲得最佳的力學(xué)性能與阻燃性能的平衡,常樣置于液氮環(huán)境中使其脆斷,對斷面進(jìn)行噴金處理用的手段有:無(wú)機阻燃填料表面偶聯(lián)處理,使用增容后使用掃描電鏡觀(guān)察材料的微觀(guān)界面形態(tài),結果如劑等。本文介紹的一種抗開(kāi)裂低煙無(wú)鹵阻燃聚烯烴圖1所示,掃描電鏡放大倍數為500倍。電纜護套料,在采用以上技術(shù)手段的基礎上,加入阻對比圖1a和1c可以看出,普通護套料中無(wú)機燃協(xié)效劑,使材料在較低的阻燃劑體系填充量的情阻燃填料因分散不均而聚集成團的現象明顯,而抗況下仍具有良好的阻燃性能,同時(shí)滿(mǎn)足對力學(xué)阻燃開(kāi)裂護套料中填料分布均勻且被包覆在基體樹(shù)脂性能的要求,并且此配方具有突出的耐開(kāi)裂能力。中。這表明隨著(zhù)阻燃協(xié)效劑的加入,無(wú)機阻燃填料2.1力學(xué)性能在基體樹(shù)脂中具有更好的分散程度,利于填料與基對基體樹(shù)脂普通阻燃料和抗開(kāi)裂阻燃料進(jìn)行力體樹(shù)脂的界面結合減少了由無(wú)機填料聚集對材料學(xué)性能對比研究,其結果如表2所示力學(xué)性能的影中國煤化工以看出,經(jīng)過(guò)由表2可以看出,1#基體樹(shù)脂的拉伸強度和伸熱老化后,普CNMH(萇料聚集使得長(cháng)率分別為263MPa和780%,具備優(yōu)異的力學(xué)性基體樹(shù)脂與填料間出現裂紋及空洞,造成力學(xué)性能能。2#體系為普通阻燃料相較于基體樹(shù)脂,其拉伸劣化,而抗開(kāi)裂護套料中基體樹(shù)脂與填料間仍保持013年第3期電線(xiàn)電纜2013年6月No.32013Electric Wire CableJun,2013a)點(diǎn)燃b)火焰自熄c)火焰熄滅后圖2試樣燃燒過(guò)程a)普通護套料(老化前b)普通護套料(老化后)了熱重分析,其熱重曲線(xiàn)如圖3所示。120c)抗開(kāi)裂護套料(老化前)d)抗開(kāi)裂護套料(老化后)圖1加入阻燃協(xié)效劑前后SEM照片良好的界面結合。這表明隨著(zhù)阻燃協(xié)效劑的加入可以起到強化界面結合、限制分子鏈段運動(dòng)的作用。阻燃協(xié)效劑通過(guò)類(lèi)似互穿網(wǎng)的形式與聚合物及填料0100200300400500600700溫度/C表面處理劑形成化學(xué)鍵的結合,有效阻止復合材料在受到熱應力作用時(shí)出現填料和基料的脫粘、團聚,圖3不同配方的熱重分析曲線(xiàn)減少基體樹(shù)脂與填料的界面缺陷,防止裂紋與裂縫由熱重曲線(xiàn)可得到各配方的起始分解溫度T的產(chǎn)生,提高了抗開(kāi)裂能力。由熱重曲線(xiàn)中剩余重量分數減去阻燃劑分解后剩余2.3阻燃性能氧化物的重量分數,可得出各配方的殘碳量。各配2.3.1氧指數測試方的熱重分析參數在表4中列出。本節對不同基體樹(shù)脂/阻燃體系復合材料的阻表4不同配方的熱重分析數據燃性能做了對比研究,其氧指數測試結果見(jiàn)表3。配方℃殘碳量/%表3不同配方的氧指數測試結果1#樹(shù)脂配方氧指數2#普通阻燃料6.11#樹(shù)脂3開(kāi)裂阻燃料2952#普通阻燃料31.83#抗開(kāi)裂阻燃料35.5由圖3的熱重曲線(xiàn)可以看出,1#為基體樹(shù)脂,其起始分解溫度T約280℃左右,分解溫度較低的由表3可以看出,1#基體樹(shù)脂體系的氧指數僅EVA樹(shù)脂開(kāi)始分解,350℃左右LDPE開(kāi)始分解,在為180,說(shuō)明其不具備阻燃性能因此需要加入無(wú)500℃時(shí)完全分解為氣體沒(méi)有結構碳生成,殘碳機阻燃填料2#與3#對比可以看出,在加入阻燃協(xié)量為零。2#在加入阻燃填料后復合材料起始分解效劑后氧指數由318上升至35.5,有了較大提溫度T0有所上升,約為300℃,除了基體樹(shù)脂的熱分高,說(shuō)明其加入確實(shí)起到了阻燃增效的作用。這主解外阻燃填料中ATH與MDH的受熱分解溫度也要是由于其促進(jìn)燃燒過(guò)程中形成了碳化合物覆蓋不同,因此熱重曲線(xiàn)上呈現出階段性失重殘碳量為層,起到了隔熱阻燃的效果。6.1%,表明阻燃填料加入后形成了部分結構碳。與阻燃協(xié)效劑材料阻燃性能的改善還可以通過(guò)復2#相比3#在加入阻燃協(xié)效劑后起始分解溫度T合材料的燃燒過(guò)程表現來(lái)進(jìn)行考察。如圖2所示,略有下降,而其分解后殘碳量明顯上升最終殘碳量添加阻燃協(xié)效劑的復合材料在點(diǎn)燃后很快熄滅,燃約為10%左右,這表明隨著(zhù)阻燃協(xié)效劑的加入高燒過(guò)程中無(wú)滴落物,火焰熄滅后材料外形變化不大,溫下與碳鏈發(fā)中國煤化工燃燒的結構且有碳化物形成。碳,并促進(jìn)基4CNMH碳量,從而2.3.2熱重分析使復合材料呈現出更為優(yōu)秀的阻燃性能。本節對不同基體樹(shù)脂/阻燃體系復合材料進(jìn)行(下轉第31頁(yè))2013年第3期電線(xiàn)電纜2013年6月No.32013Electric Wire CableJun.,2013圖13環(huán)氧套管氣腔缺陷圖11環(huán)氧套管整體掃描4結束語(yǔ)局放測試系統成功發(fā)現了高壓電纜GS終端的嚴重缺陷,避免了事故的發(fā)生,保證了供電的可靠性?；陔姶篷詈戏ㄔ淼?PD Check局放檢測系統測試單元與高壓設備實(shí)現了電氣隔離,而測量單元與電腦之間也采用了光纖連接,確保了操作人員的安全;測量系統結構簡(jiǎn)單、安裝方便,非常適合在現場(chǎng)使用參考文獻:[1]羅俊華,邱毓昌,馬翠嬌.基于局部放電頻譜分析的XPE圖12環(huán)氧套管缺陷點(diǎn)斷面掃描電力電纜在線(xiàn)監測技術(shù)[門(mén)].電工電能新技術(shù),2002,21(1):3840.切開(kāi)環(huán)氧套管查找缺陷點(diǎn)在環(huán)氧套管高壓電21柴旭崢,關(guān)根志,黃海艦,等交聯(lián)聚乙烯電力電繩的絕綠極與環(huán)氧樹(shù)脂之間發(fā)現氣腔,氣腔位置與X光掃描在線(xiàn)監測技術(shù).電線(xiàn)電纜,2002(6):30-33[3]趙宇,劉青,高援利,等,高壓XLPE電纜線(xiàn)路局部放結果一致,如圖13所示。電測試系統應用研究[].電力設備,2008,9(9):4549[4]王風(fēng)雷.電力設備狀態(tài)檢測新技術(shù)應用案例精選[M].北京:中國電力出版社,2009[5]王府井站110kⅤ井新一路電纜GIS終端局放異常分析報告[R].北京:北京電力科學(xué)研究院2012(上接第23頁(yè))參考文獻:3結論[1]瞿保鉤陳偉,謝榮才,等,低煙無(wú)鹵阻燃聚烯烴的研究進(jìn)(1)力學(xué)性能測試及SEM照片表明阻燃協(xié)效劑展和應用前景[J].功能高分子學(xué)報,2002,15(3):361365的加入改善了無(wú)機填料在基體樹(shù)脂中的分散,提高21王樂(lè ),徐曼,謝大菜,等,一種新型有機硅(20)在無(wú)鹵阻了復合材料的力學(xué)性能,其拉伸強度為128MPa,燃電纜料中的應用[J].高分子材料科學(xué)與工程,2007,23(3):221-224斷裂伸長(cháng)率為220%,且具備抗開(kāi)裂性能。[3]孫正華.無(wú)鹵低煙阻燃電纜及其應力開(kāi)裂的探討[J].電線(xiàn)(2)氧指數測試及熱重分析表明,加入阻燃協(xié)電纜.2001(6):20-24.效劑可在燃燒中促進(jìn)基體樹(shù)脂形成碳化物,抑制基[4]xeBC,QuBJ, Suhara F. Synetgistic effects of expendable體樹(shù)脂分解可燃成分,提高殘碳量,從而起到協(xié)效阻graphite with some halogen-free flame retardants燃作用。加入阻燃協(xié)效劑后,氧指數提高至35.5。. H中國煤化工204(1):35CNMHG