陳 龍，葉 斌，李 倫

（安徽華菱電纜集團(tuán)有限公司，安徽蕪湖238371）

低煙無(wú)鹵阻燃電纜已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域中，并逐漸取代傳統(tǒng)的有鹵阻燃電纜。與含有鹵素阻燃成分的電纜相比，低煙無(wú)鹵阻燃電纜燃燒煙氣不僅釋放量小，且煙氣pH值基本呈中性，不會(huì)造成二次污染。但當(dāng)?shù)蜔煙o(wú)鹵阻燃電纜應(yīng)用到自然環(huán)境惡劣、對(duì)電纜耐候性和壽命要求較高的場(chǎng)合時(shí)，由于無(wú)機(jī)阻燃成分的大量添加，低煙無(wú)鹵阻燃材料本身的缺陷就會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)，主要體現(xiàn)在耐開(kāi)裂性能和老化壽命縮短，耐紫外線和高低溫相互作用下的物理老化性能降低等[1-6]。這種惡劣自然環(huán)境大多出現(xiàn)在我國(guó)高速鐵路動(dòng)車組系統(tǒng)上。高速動(dòng)車組用各車廂間的連接器電纜，由于要經(jīng)受動(dòng)車組高速運(yùn)行的搖擺晃動(dòng)和長(zhǎng)期日曬雨淋，對(duì)使用壽命和耐環(huán)境性能要求也特別苛刻。電纜外護(hù)套材料是保證電纜使用壽命的關(guān)鍵。目前動(dòng)車組上使用的低煙無(wú)鹵阻燃護(hù)套材料均采用以EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）和EPDM（三元乙丙橡膠）為基材的聚烯烴體系，并添加大劑量的無(wú)機(jī)阻燃劑，但無(wú)機(jī)阻燃成分的大量添加對(duì)電纜的力學(xué)性能、熱老化性能和使用壽命都有嚴(yán)重的影響，尤其是長(zhǎng)期老化和耐候性能[7-8]。

聚丙烯酸酯橡膠（以下簡(jiǎn)稱ACM）是以丙烯酸酯為主單體經(jīng)共聚而得的彈性體，其主鏈為飽和碳鏈，側(cè)基為極性酯基。由于特殊結(jié)構(gòu)賦予其許多優(yōu)異的特點(diǎn)，如耐熱、耐老化、耐油、耐臭氧、抗紫外線等，力學(xué)性能和加工性能優(yōu)于氟橡膠和硅橡膠，其耐熱、耐老化性和耐油性優(yōu)于丁腈橡膠[9-12]。我公司在低煙無(wú)鹵阻燃護(hù)套材料的配方基礎(chǔ)上添加丙烯酸酯橡膠材料，考查其對(duì)材料的機(jī)械物理性能、阻燃性能、耐候性能和使用壽命的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

EVA：EV421（工業(yè)品，日本三井）；ACM（AR54，日本瑞翁）；EPDM（3722P，工業(yè)品，陶氏化學(xué)）；DCP（工業(yè)品，上海方銳達(dá)）；氫氧化鎂（Magnifin公司，粒徑1.25～1.65 μm，比表面積 4.0～6.0 m2/g）；氫氧化鋁（HT-205，濟(jì)南泰興，平均粒徑≤7μm）；硬脂酸（SA）（工業(yè)品，合肥榮光化工）；白炭黑（工業(yè)品，上海西蒙化工）；其他助劑等。

1.2 主要設(shè)備及儀器

JG3010型開(kāi)煉機(jī)（揚(yáng)州市金剛機(jī)械廠）；JG3012型平板硫化儀（揚(yáng)州市金剛機(jī)械廠）；JG-4000D型萬(wàn)能電子拉力機(jī)（揚(yáng)州市金剛機(jī)械廠）；HC-2型燃燒氧指數(shù)試驗(yàn)儀（上海捷勝線纜科技有限公司）；ZUY/D300紫外耐候老化試驗(yàn)箱（呼和浩特市德塔線纜測(cè)試儀器有限公司）；LHX-Ⅱ高溫老化試驗(yàn)箱（呼和浩特市德塔線纜測(cè)試儀器有限公司）。

1.3 試樣制備

將以上材料按比例在開(kāi)煉機(jī)上混合，經(jīng)平板硫化儀在170℃下壓片20 min后取出，放置24 h后制樣檢測(cè)。樣品組分如表1所示。

1.4 試樣測(cè)試

采用萬(wàn)能電子拉力機(jī)，按GB/T 1 040 06“塑料拉伸性能的測(cè)定”測(cè)定試樣的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率；采用燃燒氧指數(shù)試驗(yàn)儀，按照GB/2406 93“塑料燃燒性能試驗(yàn)方法氧指數(shù)法”測(cè)定試樣的氧指數(shù)。采用紫外耐候老化試驗(yàn)箱，按照2 Pfg 1169/08：2007 PV（光伏）系統(tǒng)電纜耐紫外光老化試驗(yàn)方法進(jìn)行耐紫外光老化試驗(yàn)。采用高溫老化試驗(yàn)箱，按照IEC 60216-1：2001電氣絕緣材料耐熱性第1部分老化程序和試驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算對(duì)材料進(jìn)行壽命評(píng)定。

表1 試樣成分表

2 結(jié)果與討論

2.1 聚丙烯酸酯橡膠對(duì)低煙無(wú)鹵護(hù)套材料機(jī)械物理性能和阻燃性能的影響

ACM具有優(yōu)異的耐油、耐熱、耐臭氧、抗紫外線等性能，但其加工性能較差，一般添加10 phr左右就難以在開(kāi)煉機(jī)上加工成型，因此本項(xiàng)目添加量為5 phr，所制得的樣品1和樣品2機(jī)械物理性能和阻燃性能見(jiàn)表2所示，老化溫度為（136±5）℃，156 h。

表2 樣品力學(xué)性能和阻燃性能表

從表2中兩種樣品的性能對(duì)比可以看出，添加ACM對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能影響不大，主要體現(xiàn)在拉伸強(qiáng)度略有下降，斷裂伸長(zhǎng)率略有提高；對(duì)材料的阻燃性能也影響較小，因加入聚丙烯酸酯膠是易燃物，阻燃性能略有降低，由37%降到36%。因此可以看出，5 phr ACM對(duì)復(fù)合體系的機(jī)械物理性能和阻燃性能影響較小。

2.2 聚丙烯酸酯橡膠對(duì)低煙無(wú)鹵護(hù)套材料耐紫外光老化性能的影響

目前在耐紫外光老化試驗(yàn)方面常用的試驗(yàn)方法是萊茵公司光伏系統(tǒng)電纜“2 Pfg 1169/08：2007 PV（光伏）系統(tǒng)電纜耐紫外光老化試驗(yàn)方法”進(jìn)行耐紫外線老化試驗(yàn)[13-14]。由于試驗(yàn)方法是針對(duì)成品電纜，因此本次研究將制得的試驗(yàn)材料擠包到某型號(hào)電纜的成纜纜芯上進(jìn)行紫外光老化試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，兩個(gè)樣品均無(wú)明顯可見(jiàn)裂紋，同時(shí)材料性能變化如表3所示。

表3 紫外光老化性能變化表

由表3結(jié)果可看出，樣品2的耐紫外光老化性能保持情況比樣品1更好，丙烯酸橡膠對(duì)該材料的耐紫外光老化性能有所改善。這主要是由于丙烯酸橡膠的聚合單體是丙烯酸酯，其單體經(jīng)聚合后分子鏈上無(wú)不飽和雙鍵，且引入有極性的酯基基團(tuán)。根據(jù)相似相容原理，復(fù)合材料中的無(wú)機(jī)極性礦物填充材料與丙烯酸酯橡膠更好地相容，進(jìn)而使復(fù)合材料更加穩(wěn)定，提高了耐候性能[15-16]。

2.3 聚丙烯酸酯橡膠對(duì)低煙無(wú)鹵護(hù)套材料熱老化壽命的影響

熱老化壽命試驗(yàn)一般是根據(jù)阿倫尼烏斯公式求解出材料的活化能來(lái)確定材料在特定溫度下的使用壽命。根據(jù)阿倫尼烏斯公式推導(dǎo)原理，材料的壽命試驗(yàn)是一個(gè)加速老化的過(guò)程，由于阿倫尼烏斯公式推導(dǎo)壽命的試驗(yàn)方法耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，因此對(duì)兩個(gè)樣品分別進(jìn)行了90℃老化壽命評(píng)定試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果中熱老化時(shí)間與斷裂伸長(zhǎng)率關(guān)系如圖1所示，溫度與壽命外推試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖1和圖2可知，樣品1的90℃壽命理論計(jì)算值為25.87年，樣品2的90℃壽命理論計(jì)算值為30.5年，由此可知，添加聚丙烯酸橡膠的低煙無(wú)鹵阻燃護(hù)套材料的熱老化壽命明顯提高。

聚丙烯酸酯橡膠本身所具有的耐候性通過(guò)與EVA/EPDM復(fù)合材料的共混復(fù)合后在EVA體系中得到發(fā)揮，其對(duì)復(fù)合材料的熱老化性能提高明顯。EPDM老化后含氧結(jié)構(gòu)多是通過(guò)消耗甲基生成，ACM的表面氧化降解多發(fā)生在主鏈的亞甲基碳上，EPDM/ACM共混膠老化前期以斷裂為主，后期以交聯(lián)為主；與ACM共混后，EPDM的耐熱氧老化性能提高[17-20]。

圖1 樣品熱老化時(shí)間與斷裂伸長(zhǎng)率關(guān)系

圖2 樣品90℃壽命外推試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

通過(guò)力學(xué)性能、阻燃性能、耐紫外光老化性能以及耐熱老化壽命試驗(yàn)的驗(yàn)證可以看出，引入聚丙烯酸酯橡膠對(duì)低煙無(wú)鹵阻燃護(hù)套材料的力學(xué)性能影響較小，材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率變化不大；氧指數(shù)略有降低，對(duì)復(fù)合材料的阻燃性能影響不明顯；在耐紫外光老化方面均能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，但引入聚丙烯酸酯橡膠的樣品力學(xué)性能基本得到保持，而未加入聚丙烯酸酯橡膠的樣品性能劣化明顯；同樣，通過(guò)90℃熱老化壽命試驗(yàn)可以證實(shí)，引入聚丙烯酸酯橡膠對(duì)提高材料的壽命有明顯作用，從25.87年提高到30.5年，材料的耐老化能力提高了17.9%。因此，在低煙無(wú)鹵阻燃護(hù)套材料中添加適量的丙烯酸酯橡膠形成復(fù)合體系，可顯著改善材料的耐候性能，成為提高低煙無(wú)鹵阻燃材料使用壽命的有效途徑。