隨著(zhù)我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展, 電線(xiàn)電纜材料的需求量增加很快, 同時(shí)隨著(zhù)安全及環(huán)保等方面的要求, 對電線(xiàn)電纜料也提出了新的要求, 將塑料改性技術(shù)引入到電線(xiàn)電纜材料的應用上不僅可以滿(mǎn)足安全、環(huán)保等要求, 同時(shí)也將降低各企業(yè)的生產(chǎn)成本。
1聚氯乙烯(PVC)電線(xiàn)電纜料
生產(chǎn)電纜料的基礎樹(shù)脂主要是PVC、聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)。其中, PVC的使用量最大。PVC樹(shù)脂具有難燃、耐油、耐化學(xué)藥品腐蝕、耐水等特點(diǎn), 同時(shí)具有物理機械性能好、電性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn), 是電線(xiàn)電纜行業(yè)較為理想的包覆材料;但是PVC材料存在耐溫性、耐候性、耐磨性較差, 使用過(guò)程中增塑劑的析出使材料老化性能變差等缺點(diǎn), 使PVC材料難以適應當前環(huán)保要求, 也難以適應某些特種線(xiàn)纜的要求。此外, PVC作為電纜料的最大弊病是在燃燒過(guò)程中會(huì )釋放大量的煙霧和有毒、腐蝕性的氯化氫(HCl)氣體。因此, 對PVC改性以提高其綜合性能是目前面對的首要問(wèn)題。對PVC改性方法較多, 應用于電線(xiàn)電纜改性的主要方法有:
(1)無(wú)毒PVC熱穩定劑的應用
鈣/鋅復合穩定劑是無(wú)毒PVC熱穩定劑中的重要品種。也是近年來(lái)復合穩定劑中研究開(kāi)發(fā)最為活躍的領(lǐng)域之一。其研究方向是通過(guò)各種輔助穩定劑的復配, 不斷提高其熱穩定性, 賦予更多功能性, 使其可用于電線(xiàn)電纜等領(lǐng)域, 耐熱性有了很大提高, 也能代替或部分代替鉛鎘穩定劑開(kāi)發(fā)新的PVC制品。稀土熱穩定劑是近年來(lái)國內研究開(kāi)發(fā)最關(guān)注的無(wú)毒PVC熱穩定劑之一。
研究表明, 稀土元素具有形成配位絡(luò )合物能力, 在PVC加工過(guò)程, 能大量吸收PVC降解產(chǎn)生的HCl, 從而起到穩定作用[。
(2)PVC輻照交聯(lián)技術(shù)的應用
輻照交聯(lián)技術(shù)主要有Co60 -γ射線(xiàn)、高能電子射線(xiàn)、紫外線(xiàn)輻射交聯(lián)和化學(xué)交聯(lián)。與化學(xué)交聯(lián)相比, 輻射交聯(lián)具有工藝簡(jiǎn)單、低能耗、高產(chǎn)率、無(wú)污染的特點(diǎn), 具有廣泛的應用前景。近年來(lái)對PVC輻射交聯(lián)的研究, 可以實(shí)現逐步控制輻射交聯(lián)PVC產(chǎn)品的結構與性能而備受關(guān)注。
(3)PVC阻燃抑煙技術(shù)的應用
PVC雖然自身已具有較好的阻燃性能, 但是在加工成型過(guò)程中需要添加大量增塑劑, 勢必會(huì )使PVC的阻燃性能出現大幅下降, 因此, 必須對其進(jìn)行阻燃抑煙改性。阻燃抑煙改性具有工藝簡(jiǎn)單, 可選阻燃抑煙劑種類(lèi)多, 成本較低等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注和應用。主要類(lèi)型有無(wú)機阻燃抑煙劑、納米阻燃抑煙劑和有機阻燃抑煙劑。
在各種各樣的線(xiàn)纜產(chǎn)品中除鋼芯鋁絞線(xiàn)、電磁線(xiàn)等裸線(xiàn)產(chǎn)品外幾乎其他所有的導線(xiàn)都需要有絕緣層、護套層、屏蔽層等加以保護, 因此需要用到大量的改性塑料。隨著(zhù)我國經(jīng)濟實(shí)力的提高和現代化建設的進(jìn)一步推進(jìn), 預計我國近年來(lái)對線(xiàn)纜產(chǎn)品用改性塑料的需求量將以10%的速度遞增(見(jiàn)表1)。雖然PVC電纜料的消耗量十分巨大, 但隨著(zhù)人們對安全及環(huán)保的要求愈來(lái)愈高, PVC材料在電纜上的應用必將受到很大制約。近些年低煙無(wú)鹵電纜料一直是各大廠(chǎng)家競相發(fā)展的重點(diǎn)產(chǎn)品。
?
2 聚烯烴低煙無(wú)鹵電纜料
低煙無(wú)鹵電纜料選擇基材是聚烯烴無(wú)鹵材料, 如聚乙烯、交聯(lián)聚乙烯、輻照交聯(lián)聚乙烯、聚丙烯、乙烯—醋酸乙烯聚合物等。這些材料本身并不阻燃, 需添加無(wú)鹵阻燃劑才能使其成為低煙無(wú)鹵材料。目前應用得比較多的是以乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、PE作為基材, 全球生產(chǎn)的EVA、PE規格眾多, 這也為低煙無(wú)鹵電纜料的發(fā)展奠定了基礎。
2.1 低煙無(wú)鹵阻燃劑
低煙無(wú)鹵電纜料的阻燃劑主要是氫氧化鋁和氫氧化鎂阻燃劑, 兩者的阻燃機理相似。氫氧化鋁和氫氧化鎂作為阻燃劑最大的優(yōu)點(diǎn)是在燃燒過(guò)程中相比其他阻燃劑來(lái)說(shuō)不會(huì )產(chǎn)生有害氣體, 同時(shí)具有十分明顯的成本優(yōu)勢。
氫氧化鋁單獨使用一般用量達到50% (質(zhì)量分數)以上才能有明顯的阻燃效果。如此大的添加量會(huì )使塑料的黏度增大, 韌性降低, 斷裂升長(cháng)率下降。氫氧化鎂阻燃劑和氫氧化鋁類(lèi)似, 也是高添加型的阻燃劑, 大量添加使材料力學(xué)性能、加工性能顯著(zhù)下降, 而且材料表面粗糙。這是由于無(wú)機阻燃劑和有機高分子基體間的表面能的差異, 高填充的無(wú)機粉體極易形成網(wǎng)絡(luò )結構和聚集體結構, 導致電纜料強度的下降、流動(dòng)性的惡化。為此對這類(lèi)阻燃劑進(jìn)行深入研究十分必要, 對阻燃劑的處理方法主要有表面化處理、微細化處理以及協(xié)同效應的研究。
(1)表面化處理
為了減小阻燃劑的加入對材料機械性能的影響,保持產(chǎn)品較好的加工及力學(xué)性能, 用表面活性劑處理阻燃劑增加阻燃劑與材料的相容性是一條很重要的途徑。
常用的表面處理劑有硅烷偶聯(lián)劑、硬脂酸鈉等, 其原理是通過(guò)化學(xué)鍵合改善無(wú)機阻燃劑氫氧化鋁、氫氧化鎂的表面活性從而提高與基體樹(shù)脂的相容性。表面處理主要有干法改性和濕法改性。干法改性即添加少量相對于偶聯(lián)劑為惰性的溶劑直接與阻燃劑相混再加溫偶聯(lián);濕法與干法的最大區別是將阻燃劑和偶聯(lián)劑溶于溶劑, 偶聯(lián)后再分離溶劑等得到改性阻燃劑。相比之下干法改性簡(jiǎn)單易行, 從降低成本角度, 作為企業(yè)的生產(chǎn)一般采取干法改性, 然而這依舊會(huì )帶來(lái)成本上的增加, 找出更簡(jiǎn)單易行的方法是當前阻燃劑表面改性的發(fā)展方向, 如直接將偶聯(lián)劑與基體樹(shù)脂及阻燃劑等相混, 使其在混煉過(guò)程中能很好地與各成分相結合,且達到較好的效果。
(2)微細化處理
細化阻燃劑對提高阻燃性及與樹(shù)脂基體相容性也有很大的作用, 同時(shí)還可以降低阻燃劑的使用量。這對國內生產(chǎn)氫氧化鋁和氫氧化鎂的廠(chǎng)家提出了更高的要求, 國內當前生產(chǎn)氫氧化鋁質(zhì)量比較穩定的有中國鋁業(yè)公司, 雖然價(jià)格上與優(yōu)質(zhì)的進(jìn)口產(chǎn)品有優(yōu)勢, 但在質(zhì)量和性能上還有很大的差距。
(3)協(xié)同效應
將幾種不同的阻燃劑進(jìn)行復配, 混合使用, 不但可以提高阻燃效果, 還可使材料的物理機械性能的損失減到最小。在低煙無(wú)鹵電纜料方面一般使用氫氧化鋁/氫氧化鎂復合阻燃體系或者使用氫氧化鋁加協(xié)效阻燃劑, 氫氧化鎂本身對氫氧化鋁有協(xié)效阻燃作用,協(xié)效劑使用較多的有磷及氮化合物、硼酸鹽和有機硅化合物。
2.2 相容劑的應用
除了上述對阻燃劑進(jìn)行處理外, 為了提高無(wú)機成分與樹(shù)脂的相容性, 低煙無(wú)鹵料相容劑也相繼研發(fā)成功。應用比較多的是EVA接枝料, 以EVA接枝馬來(lái)酸酐為主。其原理是利用金屬氫氧化物表面大量的極性親水基團(羥基), 馬來(lái)酸酐接枝EVA極性更強,可參與反應的馬來(lái)酸酐與氫氧化物反應, 并形成牢固的結合, 使氫氧化物在基本樹(shù)脂中實(shí)現均勻分布, 利于力學(xué)性能的大幅度提高, 同時(shí)氧指數也得以提高。為擴大聚烯烴的應用范圍和研制更多有價(jià)值的新材料, 功能化聚烯烴作為增容劑, 一直是科研和工業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)重要領(lǐng)域。迄今為止, 由于廉價(jià)、高活性和良好的加工性, 馬來(lái)酸酐接枝聚烯烴(PO-g-MAH)是最重要的功能化聚烯烴, 除EVA-g-MAH外還有PE-g-MAH作為相容劑, 在提高產(chǎn)品的拉伸強度和拉伸斷裂伸長(cháng)率方面有比較大的貢獻。
低煙無(wú)鹵料相容劑不僅可以提高基體樹(shù)脂與無(wú)機成分的相容性, 同時(shí)相容劑也可提高色粉在體系里的分散性, 低煙無(wú)鹵料專(zhuān)用相容劑雖然在性能上具有很大的優(yōu)勢, 但由于其添加量大(一般在7% ～ 12%),在成本控制方面與硅烷偶聯(lián)劑有一定差距, 雖然硅烷偶聯(lián)劑一般價(jià)格較高, 但其添加量很少, 一般只有1%左右。如何提高相容劑的相容性及降低成本是當前生產(chǎn)相容劑企業(yè)的研發(fā)方向。
2.3 輻照交聯(lián)技術(shù)的應用
輻照交聯(lián)技術(shù)的引入使得低煙無(wú)鹵料的耐溫性有明顯的提高。輻照交聯(lián)的原理是采用高能射線(xiàn)(鈷60等放射性元素的β 射線(xiàn)加速)或高速電子作能源,形成高分子自由基, 然后高分子自由基重新組合成為交聯(lián)鍵, 從而使原來(lái)的線(xiàn)性分子結構變成三維網(wǎng)狀分子結構, 使高分子鏈直接連接起來(lái), 由線(xiàn)型結構變成體型結構。由于射線(xiàn)的能量較高, 所以不需要交聯(lián)劑, 也不需要高溫和高壓條件就可以引起化學(xué)鍵的斷裂與組合, 將C— C鍵直接連接起來(lái), 因而具有較高的耐熱等級。根據材料的配方和加工工藝的不同可做成90、105、125 ℃級絕緣料?；瘜W(xué)交聯(lián)一般的使用溫度只能達到90 ℃, 輻照交聯(lián)彌補了化學(xué)交聯(lián)產(chǎn)品耐溫性不足的缺點(diǎn)。在美、日、歐等工業(yè)發(fā)達國家交聯(lián)絕緣電纜產(chǎn)品用量大大超過(guò)溫水交聯(lián)絕緣電纜, 而成為主要電纜包覆材料。
輻照交聯(lián)與化學(xué)交聯(lián)產(chǎn)品相比, 還具有體積電阻系數大、介質(zhì)損耗小等級高的特點(diǎn), 使同樣規格的產(chǎn)品載流量大大提高, 同時(shí)化學(xué)交聯(lián)具有的性能也同樣能夠滿(mǎn)足。輻照交聯(lián)低煙無(wú)鹵阻燃及電線(xiàn)電纜適用于10 kV及以下動(dòng)力輸配電系統、控制線(xiàn)路和各種要求阻燃、耐火、無(wú)煙、無(wú)毒和耐高溫的重要場(chǎng)所, 可廣泛應用于核電站、電廠(chǎng)、鋼廠(chǎng)、油井、機房、學(xué)校、娛樂(lè )場(chǎng)所、人員密集場(chǎng)所和高層樓宇等。
隨著(zhù)社會(huì )的進(jìn)步, 科學(xué)的發(fā)展和人們環(huán)保意識及安全意識的提高, 對輻照交聯(lián)低煙無(wú)鹵阻燃及耐火電線(xiàn)電纜需求量將越來(lái)越大, 同時(shí)對替代銅導體的新型材料的研究也將逐步深入, 相信輻照交聯(lián)低煙無(wú)鹵阻燃及耐火電線(xiàn)電纜的發(fā)展將具有十分廣闊的前景, 表2所示為低煙無(wú)鹵電纜料在未來(lái)幾年的用量預測。
3 結束語(yǔ)
近年來(lái), 隨著(zhù)人們生活水平的提高和對綠色環(huán)保概念的大力倡導, 對電線(xiàn)電纜產(chǎn)品的安全和環(huán)保要求都提出了更高的要求。隨著(zhù)塑料改性技術(shù)的發(fā)展, 電線(xiàn)電纜行業(yè)進(jìn)入一個(gè)新的飛躍發(fā)展時(shí)期, 特別是低煙無(wú)鹵電線(xiàn)電纜材料得到了廣泛的應用和發(fā)展。我國電線(xiàn)電纜行業(yè)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展, 取得了舉世矚目的成績(jì)。但從整個(gè)行業(yè)的發(fā)展水平來(lái)看, 還存在著(zhù)行業(yè)集中度低、技術(shù)力量分散、產(chǎn)品科技含量不高等問(wèn)題。部分重要基礎原料和技術(shù)依賴(lài)進(jìn)口已成為制約我國線(xiàn)纜行業(yè)發(fā)展的瓶頸。因此, 利用塑料改性技術(shù)開(kāi)發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的高性能電線(xiàn)電纜材料是我國線(xiàn)纜行業(yè)的當前的主要研究和發(fā)展方向, 必須適度地加大對線(xiàn)纜行業(yè)的研發(fā)的投入和政策扶持的力度。
本文作者：秦家強, 汪英, 李禎, 李昌鴻(四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院, 四川成都610065)
?歡迎進(jìn)入【粉體論壇】
更多精彩！歡迎掃描下方二維碼關(guān)注中國粉體技術(shù)網(wǎng)官方微信（bjyyxtech）
|
