蔡荷菲，宋 剛，翁文彪，侯海良

（上海至正道化高分子材料股份有限公司，上海201108）

氫氧化鎂的不同改性方式對EVA基電纜料性能影響

蔡荷菲，宋 剛，翁文彪，侯海良

（上海至正道化高分子材料股份有限公司，上海201108）

從復合材料的界面作用和改性劑的改性機理角度探討不同表面改性劑改性的Mg(OH)2對EVA基電纜料體系的微觀結構和力學性能、耐熱性能、阻燃性能和耐油性能的影響。熱失重分析結果表明，氨基硅烷改性后耐熱穩(wěn)定性增加；硬脂酸改性后體系耐熱性能下降。掃描電鏡譜圖顯示經(jīng)表面改性劑改性確實能改善Mg(OH)2在EVA中的分散程度。綜合性能分析表明，氨基硅烷改性Mg(OH)2/EVA體系相對未改性和其他兩種改性體系的內部結合作用力更高，而且強度增加，阻燃性能大幅度提高，耐油性能改善明顯；硬脂酸改性和聚合物改性后，體系強度降低，斷裂拉伸應變大幅度提高；由于硬脂酸結合力較低，導致體系阻燃性能和耐油性能最差。

氫氧化鎂改性；EVA；電纜料；阻燃性能；耐油性能

0 引 言

目前無機阻燃劑，Al（OH）3（簡寫為ATH）和Mg（OH）2（簡寫為MH）已成為最主流、性價比最高、也是應用最廣的兩種無鹵阻燃劑［1，2］。由于MH相對ATH的分解和耐熱溫度更高，抑煙和成炭效果更好，即阻燃效率更高，且粘性較低，故更利于加工［3］。因為MH親水性強，表面能大，與非極性的基體樹脂之間相容性較差，而且為了達到一定的阻燃效果，通常需要添加40%～60%的MH，所以MH與基體樹脂的相容性及有機/無機界面作用的效果將直接影響復合材料的綜合性能。對MH進行表面處理能很好地提高其在基體樹脂中的分散性及兩者間的界面結合，解決復合材料體系的力學性能、阻燃性能和加工性能三者之間的平衡問題［4］。

目前，對表面改性MH的研究一般是從表面改性劑的種類和處理效果，以及MH改性后的黏度和表面能出發(fā)，研究表面改性對整體復合材料的力學性能和阻燃效果的影響［5-6］；很少分析復合材料的界面效果和改性劑的改性機理，尤其極少涉及復合材料的耐油特性和阻燃性能中的煙密度值。

本文選取了粒徑相近的化學法MH，將未經(jīng)改性與不同表面改性劑改性方式對比，以乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）為基體樹脂，從復合材料的界面效果和改性劑的改性機理角度探討不同表面改性劑對EVA基電纜料體系的微觀結構和力學性能、耐熱性能、阻燃性能和耐油性能的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

EVA：265，美國杜邦公司，VA含量=28%，熔體流動速率（MI）=3 g/10min。

Mg（OH）2：H-5，未改性，美國雅寶公司，比表面積=4.0～6.0 m2/g，粒徑（D50）=1.6～2.0μm。

Mg（OH）2：H-5IV，氨基硅烷改性，美國雅寶公司，比表面積=5.0～6.0 m2/g，粒徑（D50）=1.6～2.0μm。

Mg（OH）2：H-5MV，聚合物改性，美國雅寶公司，比表面積=5.0～8.0 m2/g，粒徑（D50）=0.95～1.35μm。

Mg（OH）2：H-7C，硬脂酸改性，美國雅寶公司，比表面積=5.0～8.0 m2/g，粒徑（D50）=0.95～1.35μm。

EVA-g-MAH：EVA接枝馬來酸酐，接枝率為1.5%，熔體指數(shù)為0.5～3 g/10 min，市售。

抗氧劑：四β-（3，5-叔丁基-4-羥基苯基）丙酸季戊四醇（1010），金海雅寶有限公司。

抗氧劑：硫代二丙酸二月桂酯（DLTP），金海雅寶有限公司。

黑色母：LL3608，美國卡博特公司。

1.2 實驗設備

轉矩流變儀：XSS-300，上?？苿?chuàng)橡塑機械有限公司。

雙棍開煉機：X（S）-160，無錫吉象橡塑機械有限公司。

平板硫化機：QLB-25D，無錫中凱橡塑機械有限公司。

掃描電子顯微鏡：JSM-5900LV，日本電子株式會社。

熱重分析儀：Q-100型，TA公司。

微機控制電子萬能試驗機：CMT4502，美特斯工業(yè)深圳分公司。

熔體流動速率儀：RL-Z1B1+，上海思爾達有限公司。

氧指數(shù)測定儀：HC-2，南京市江寧分析儀器廠。

塑料煙密度試驗裝置：JSC-2，南京市江寧分析儀器廠。

恒溫油浴槽：DKU，上海精宏實驗設備有限公司。

1.3 復合材料的制備

（1）基本配方體系：EVA265，90（質量份）；EVA-g-MAH，10（質量份）；（改性）氫氧化鎂，130（質量份）；抗氧劑1010，1（質量份）；抗氧劑DLTP，1（質量份）；黑色母LL3608，2（質量份）。具體配方見表1。

表1 復合材料具體配方

（2）密煉：轉矩流變儀升溫至120℃，將混合后的樹脂倒入轉矩流變儀，密煉2 min左右至樹脂完全融化后，逐漸加入粉體的混合物，繼續(xù)密煉3～5 min至扭矩平衡。

（3）雙輥混煉：雙輥開煉機升溫至120℃，將密煉產(chǎn)物開煉包輥，薄通多次至完全均勻后出片，混煉時間約為20 min。

（4）壓片：根據(jù)模具的體積和樣片的密度，切取適量樣片進行熱壓，在165℃的平板硫化機上熱壓4～6 min，冷壓4 min，恒壓壓力為15 MPa；冷卻，脫模。

（5）輻照：將掃描電子顯微鏡（SEM）、熱失重測試（TGA）、力學性能、耐油性能、煙密度的測試樣片進行電子輻照交聯(lián)，輻照劑量為12 MRad，輻照測試委托單位是上海射線應用研究所。

1.4 復合材料的測試

1.4.1 力學性能的測試

根據(jù)GB/T 1040.3—2006裁取5型試樣進行拉伸性能的測試，采用250 mm/min的拉伸速度。實驗結果中“拉伸強度”為試樣在拉伸實驗過程中承受的最大拉伸應力，單位為MPa；“斷裂拉伸應變”為試樣發(fā)生斷裂時與斷裂應力相對應的拉伸應變，用無量綱的比值或百分數(shù)（%）表示。

1.4.2 燃燒性能的測試

根據(jù)GB/T 2406.2—2009裁?、粜驮嚇舆M行燃燒性能的測試，試樣長度70～150 mm、寬度（6.5± 0.5）mm、厚度（3±0.25）mm。氧指數(shù)指通入（23± 2）℃的氧、氮混合氣體，剛好維持材料燃燒的最小氧濃度，以體積分數(shù)表示。計算氧指數(shù)的公式為：氧指數(shù)（OI）=［O2］/（［O2］+［H2］）。

1.4.3 耐油性能的測試

將已輻照交聯(lián)的樣片按照GB/T 1040.3—2006裁取5型試樣并記錄厚度值，投入已恒溫至70℃的IRM 903號油中，老化168 h；100℃的IRM 902號油中老化72 h。試驗結束后后將試樣表面浮油吸掉，置于23℃恒溫恒濕實驗室內穩(wěn)定16～24 h后測試拉伸性能。

1.4.4 SEM分析

將已輻照交聯(lián)的2 mm樣片置于液氮中驟冷，脆斷，鍍金后使用JSM-5900LV型掃描電鏡進行斷面的形貌分析。

1.4.5 TGA測試

將已輻照交聯(lián)的樣片在N2的氛圍下，室溫為起始溫度，以20℃/min的升溫速度升至700℃。

2 結果與分析

2.1 復合材料界面及改性粉體在復合材料中的作用機理

2.1.1 復合材料界面

復合材料由兩種或兩種以上理化性質不同的物質，通過物理或者化學的方法，在宏觀（微觀）上組成多相結構的具有新性能的材料。復合材料中各種組分之間的接觸面稱之為界面。界面相的產(chǎn)生是由于基體和增強體相互接觸，發(fā)生一定的化學反應，或者相互擴散、溶解而產(chǎn)生新相；也可能是基體固化或者凝固時產(chǎn)生兩相間的內應力。

復合材料綜合性能往往受到復合材料的界面的各種效應影響：（1）傳遞——界面作為橋梁，傳遞基體承受的外力給增強體；（2）阻斷——基體和增強體間結合力適當?shù)慕缑婵梢宰柚沽鸭y擴展、減緩應力集中；（3）不連續(xù)——在界面上產(chǎn)生物理性能的不連續(xù)性和界面摩擦現(xiàn)象，如抗電性、電感應性、磁性等。（4）散射和吸收——光波、沖擊波等在界面產(chǎn)生散射和吸收，如環(huán)境作用下的材料腐蝕、老化、破壞也往往通過界面層開始；（5）誘導——接近增強體部分的基體的部分結構發(fā)生誘導作用和產(chǎn)生改變，如低膨脹性、耐熱性等。

2.1.2 表面改性劑的作用機理

MH粉體經(jīng)過表面改性劑改性后，改性MH分子表面外伸出改性劑的官能團，而這極少量的活性基團對復合材料整體的性能產(chǎn)生了顯著的影響。改性MH與聚合物基體間會形成一定的界面層，通過復合材料的界面效應改變整體體系的一些性能。除了界面理論，還有表面活性劑作用機理，可以綜合解釋一些實驗結果與現(xiàn)象：

（1）化學鍵合理論

該理論認為表面改性劑的一種化學官能團與增強體之間發(fā)生反應，形成共價鍵；同時，表面改性劑還存在至少一種其他的官能團與基體樹脂發(fā)生化學鍵合，從而表面改性劑起到了偶聯(lián)橋梁的作用［7］。

如乙烯基的硅烷化合物（CH2=CHSiX3）中X官能團易水解，形成的硅醇與MH表面的—OH發(fā)生反應，而乙烯鍵CH2=CH—則與樹脂產(chǎn)生鍵合［8］；硬脂酸的—COOH與MH的表面羥基—OH發(fā)生酸堿反應，同時也可能發(fā)生弱酯化反應［5］，實現(xiàn)了對MH表面的改性。

（2）物理吸附和表面能理論

對于一些與基體樹脂不發(fā)生化學反應，但是依然能發(fā)揮良好偶聯(lián)作用的表面改性劑，可以用物理吸附理論和表面能理論解釋。物理吸附理論認為，液態(tài)樹脂對粉體如果有良好的浸潤性，則兩者表面間會形成物理吸附，產(chǎn)生范德華力和氫鍵。這界面間作用力足夠強時，有可能高于有機物的內聚強度。根據(jù)表面能理論，粉體表面改性劑有機基團的疏水性應與基體樹脂的疏水性保持一致。

（3）可變形層理論和約束層理論

復合材料冷卻或者固化時，基體樹脂和增強體的熱收縮率不一樣，表面改性劑經(jīng)交聯(lián)反應后可以與基體樹脂形成互穿網(wǎng)絡結構，這就是厚于單分子的撓性樹脂層，即“變形層”。它能松弛界面殘余張力，阻止界面裂縫的擴展，延緩老化速度。

界面區(qū)域部分的模量介于基體樹脂和無機填料之間，將聚合物結構“緊固”于界面區(qū)域中，這層“約束層”可以有效地粘結樹脂和填料，也能增加交聯(lián)密度，有效地減緩溶劑的浸入，如增加防水解能力。

2.2 熱穩(wěn)定性分析

不同改性方式處理的MH/EVA體系的TGA曲線如圖1所示。

圖1顯示，不同改性方式的MH對復合材料整體熱穩(wěn)定性的影響略有差異。硬脂酸改性MH/ EVA加熱至300℃后相對未改性MH/EVA熱失重曲線前移，即較低溫度下就開始分解。300℃之后MH開始分解，表明經(jīng)硬脂酸改性后，分解溫度會降低。聚合物改性MH/EVA也降低了MH的起始分解溫度，溫度高于450℃后的失重趨勢與未改性MH/EVA體系幾乎吻合，且600℃時殘余質量最低。硅烷改性MH/EVA體系比其他改性或未改性體系的分解溫度都高，表明硅烷改性后，MH的耐熱分解能力確實提高了。硅烷改性的殘余質量最高，略高于未改性MH/EVA體系，是因為硅烷偶聯(lián)劑中硅氧烷結構在燃燒過程中炭化，提高了整體的穩(wěn)定性，分解不完全［9］。

圖1 不同改性方式處理的MH/EVA體系的TGA曲線

2.3 力學性能

未經(jīng)改性的MH表面有許多羥基，容易團聚，且在高聚物內的分散程度低，與高聚物的相容性較差，因此在大量填充MH作為阻燃劑時，往往導致機械性能大幅度降低，引起刮白和折痕的出現(xiàn)，甚至抑制了阻燃效果的發(fā)揮，影響整個體系的阻燃性能。

不同復合材料體系的力學測試結果如表2所示。經(jīng)過硅烷改性后，硅烷水解后生成的硅醇鍵（HO—Si—）反應，脫水后發(fā)生縮合反應；MH上—OH通過氫鍵與HO—Si—結合；部分氫鍵加熱發(fā)生脫水固化后，MH就以共價鍵方式連接上非極性的有機基團，增加了阻燃劑與高聚物分子作用力，因此拉伸強度有輕微的升高。硅烷的另一部分烷基擴散到EVA的界面區(qū)域，分子鏈段部分相互纏繞增加了粉體與樹脂的相容性，使得體系斷裂拉伸應變不會有大規(guī)模的下降，同時界面增強也一定程度上提高了拉伸強度。

硬脂酸改性的MH因表面包覆了一層有機物，降低了表面能，緩解了團聚現(xiàn)象，使得MH的穩(wěn)定性增加，從而增加了MH的分散性［6］。黃宏海［10］等人研究硬脂酸改性MH的機理包括硬脂酸—COOH和MH表面的—OH發(fā)生弱酯化作用同時也包含兩者的酸堿中和作用。而酸堿作用產(chǎn)生的硬脂酸鎂只是吸附在MH表面，容易在高溫加工混煉過程中脫落，作為潤滑劑增加了樹脂與粉體之間的滑移，大大增加了斷裂拉伸應變；同時也降低了分子鏈間的作用力，導致復合材料的強度有較大程度的下降。

表2 復合材料的力學性能

由于該聚合物改性的MH表面涂層是專利保護的，故分子結構不可知。從表2中可以看到，聚合物改性MH/EVA的體系強度較低，斷裂拉伸應變是這四種體系中最高的，達到358.9%，整體性能與硬脂酸改性MH/EVA類似。有可能該聚合物改性劑一端或多端與MH以某種形式連接，另一端為中低分子量的—CH2長鏈，一方面與EVA中—CH2鏈段相容，一方面也影響樹脂結晶程度，使得整體性能中拉伸強度下降，斷裂拉伸應變上升。

2.4 阻燃性能

復合材料的阻燃性能是復合材料各組分及其組分間協(xié)同作用的綜合體現(xiàn)，阻燃劑在復合材料中分散得越均勻，復合材料的阻燃性能越好；阻燃劑與基體樹脂間的作用力越強，復合材料的耐熱能力越強，抵抗火焰的能力也提高，阻燃性能也隨之提高。與此同時，改性劑本身的特性，一定程度上也影響著整體復合材料的阻燃性能［5］。有機改性劑與無機阻燃劑的協(xié)同成炭作用也能很好地提高EVA復合體系的阻燃性能［2，11］。對不同改性體系進行了氧指數(shù)和煙密度的測試，測試結果如表3所示。

表3 表面改性劑對復合材料體系氧指數(shù)和煙密度的影響

黃宏海等人［11］研究了硬脂酸對復合材料阻燃性能的影響，增加硬脂酸含量以對比氧指數(shù)和燃燒等級。結果表明，隨著硬脂酸用量的增加，復合材料氧指數(shù)逐漸下降，水平燃燒和垂直燃燒等級變差。由于硬脂酸本身易燃，而且與EVA的結合較弱，表面改性劑過量或者受熱時已造成脫落，所以由表3結果顯示，整個硬脂酸改性MH/EVA體系氧指數(shù)較低，煙密度也相應比較高。

硅烷偶聯(lián)劑易自身縮合形成低聚物，也能與基體樹脂形成一定的互穿聚合結構。在復合材料體系受熱燃燒時，硅氧烷結構易成炭，所以熱量傳導進體系內部的速度能減緩，同時體系表層形成的多孔炭層能吸收一部分的燃燒灰燼，因而降低體系的煙密度。因此，表3中氨基硅烷改性MH/ EVA體系的氧指數(shù)最高，而煙密度更低。由于無焰燃燒的狀態(tài)下氨基硅烷改性MH/EVA體系相對有焰燃燒和其他改性體系更易形成炭層，所以其無焰煙密度最低。

2.5 耐油性能

當電纜料的應用領域中有接觸到如車軸油、潤滑油等礦物油，或者汽油、柴油等燃料油的情形，隨著油分子對材料由表面向內部擴散，親油分子鏈段發(fā)生溶劑化作用。因復合材料已輻照交聯(lián)，故體系只發(fā)生溶脹，交聯(lián)程度、基體與MH的界面層作用程度都影響著油分子的擴散速度及體系的溶脹程度。對不同改性體系進行了耐礦物油和耐燃料油的測試，測試結果如表4所示。

表4 表面改性劑對復合材料體系耐油性能的影響

硬脂酸改性的MH在EVA中的分散性大大提高，但是樹脂基體中分散著經(jīng)高溫加工后脫落的硬脂酸和改性過量的硬脂酸，因為硬脂酸與礦物油和燃料油結構相似，其中與燃料油都同屬長鏈烷烴范疇，所以表4結果顯示硬脂酸改性MH/EVA的耐油性能較差，且更不耐燃料油。

根據(jù)化學鍵理論，氨基硅烷的氨烴基可以與酮、羧酸及其衍生物進行親核加成反應，或對羧酸衍生物進行親核取代反應。同時在界面層也有可能形成了拘束層和可變性層，則在一定程度上對基體樹脂的分子鏈段運動產(chǎn)生了限制，使得溶劑浸入樹脂內部并對其溶脹的速度減緩。因此氨基硅烷改性MH/EVA的耐礦物油和耐燃料油的性能最佳。

聚合物改性MH有可能與EVA發(fā)生化學反應生成共價鍵，也可能產(chǎn)生物理吸附，或者形成拘束層和可變性層。表4結果顯示：聚合物改性MH/EVA比未改性MH/EVA浸油老化后強度變化率和伸率變化率都有一些降低，表明復合材料一定程度上限制了油類溶劑的入侵速度，提升了耐油性能。

2.6 SEM分析

將輻照交聯(lián)后的樣片通過掃描電子顯微鏡觀察MH在復合材料體系的微觀形貌。圖2～圖5分別為未改性MH/EVA、氨基硅烷改性MH/EVA、聚合物改性MH/EVA和硬脂酸改性MH/EVA的微觀形貌圖。其中圖5a的放大倍數(shù)為2 000倍，便于觀察體系的斷面與界面情況；圖5b的放大倍數(shù)為1 000倍，以整體觀察MH的分布及分散情況。

圖2 未改性MH/EVA的微觀形貌圖

由圖2～圖5對比可以得出：改性后的MH/ EVA與未改性MH/EVA相比，顆粒分布更均勻，分散程度更高；其中硬脂酸改性MH/EVA和聚合物改性MH/EVA顆粒較細，分散得更均勻；同時也可以看到，它們的顆粒凹凸感不明顯，界面也比較模糊，斷面較光滑。

圖3 氨基硅烷改性MH/EVA的微觀形貌圖

圖4 聚合物改性MH/EVA的微觀形貌圖

圖5 硬脂酸改性MH/EVA的微觀形貌圖

這一現(xiàn)象也與聚合物改性MH/EVA和硬脂酸改性MH/EVA的強度較低，斷裂拉伸應變較高這一結果相互印證，分析得出的原因如下：

（1）阻燃劑在基體樹脂中分散得越均勻，樹脂分子鏈的運動越受限，所以在一定程度上影響了樹脂的結晶程度，進而影響了復合材料的拉伸強度，而團聚嚴重的粉料會形成應力集中點，復合材料拉伸時優(yōu)先在應力集中點斷裂。因此MH分散均勻后，減少了復合材料在應力集中點斷裂的概率。

（2）斷面光滑而無明顯拔脫痕跡，即界面層較淺，界面增強作用不強，因此復合材料的強度也不會很高。

3 結 論

（1）改性后MH對整個復合材料體系的耐熱穩(wěn)定性存在影響。TGA分析的結果表明氨基硅烷改性后耐熱穩(wěn)定性增加，成炭后導致殘余質量增加；聚合物改性與未改性的體系熱穩(wěn)定性相近；硬脂酸改性后降低了初始分解溫度和殘余質量。

（2）SEM的譜圖顯示經(jīng)表面改性劑改性后確實能改善MH在EVA中的分散程度；由于氨基硅烷改性MH/EVA斷面顆粒感明顯，即相對于未改性和其他兩種改性方式的基體結合作用力更高；氨基硅烷改性MH/EVA強度增加，而且阻燃性能明顯提高，煙密度降低，耐油性能明顯改善。

（3）硬脂酸改性和聚合物改性后，體系強度降低，斷裂拉伸應變大幅度提高；由于硬脂酸結合力較低，易造成脫落，導致阻燃性能和耐油性能下降。

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The Effect of Different Surface Treatments of M g（OH）2Filler on the Properties of M g（OH）2/EVA Cable Com pounds

CAIHe-Fei，SONG Gang，WENGWen-Biao，HOU Hai-Liang
（Shanghai Originaldow Advanced Compounds Co.，Ltd.，Shanghai201108，China）

A synergistic effect of different surface treatments of Mg（OH）2filler was observed in Mg（OH）2/EVA cable compounds and discussed from the interaction of composites andmodificationmechanism.Microstructure and mechanical properties，heat resistance，flame retardant，oil resistance properties had been studied.Thermo gravimetric analysis results showed that heat resistance of amino-group silane coated Mg（OH）2/EVA was improved，heat resistance of stearic-acid coated Mg（OH）2/EVA was reduced.Scanning electron microscope images indicated that Mg（OH）2particleswell dispersed after coated.Overall performance analysis showed that amino-group silane coated Mg（OH）2/EVA had higher internal bonding force，increased tensile strength and well improved flame retardant and oil resistance performance.Polymer coated Mg（OH）2/EVA and stearic-acid coated Mg（OH）2/EVA had decreased tensile strength but greatly raised tensile strain at break；Because of stearic acid haveweaker internal bonding force，stearic-acid coated Mg（OH）2/EVA showed lowest flame retardant and oil resistance performance.

modification of Mg（OH）2；EVA；cable compounds；flame retardant；oil resistance

TM215.1

：A

：1672-6901（2016）06-0018-07

2016-04-08

蔡荷菲（1987-），女，碩士研究生，工程師.

作者地址：上海市閔行區(qū)元江路5050號［201108］.