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    塑料改性技術在電線電纜材料中的應用

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    塑料改性技術在電線電纜材料中的應用

    發布日期:2015-12-04 15:16 來源:http://www.mon43.com 點擊:

    1聚氯乙烯(PVC)電線電纜料

    生產電纜料的基礎樹脂主要是PVC、聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)改性材料廠。其中, PVC的使用量最大。PVC樹脂具有難燃、耐油、耐化學藥品腐蝕、耐水等特點, 同時具有物理機械性能好、電性能優良等優點, 是電線電纜行業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, 使用過程中增塑劑的析出使材料老化性能變差等缺點, 使PVC材料難以適應當前環保要求, 也難以適應某些特種線纜的要求。此外, PVC作為電纜料的最大弊病是在燃燒過程中會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題。對PVC改性方法較多, 應用于電線電纜改性的主要方法有:

    (1)無毒PVC熱穩定劑的應用

    鈣/鋅復合穩定劑是無毒PVC熱穩定劑中的重要品種。也是近年來復合穩定劑中研究開發最為活躍的領域之一。其研究方向是通過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, 使其可用于電線電纜等領域, 耐熱性有了很大提高, 也能代替或部分代替鉛鎘穩定劑開發新的PVC制品。稀土熱穩定劑是近年來國內研究開發最關注的無毒PVC熱穩定劑之一。

    研究表明, 稀土元素具有形成配位絡合物能力, 在PVC加工過程, 能大量吸收PVC降解產生的HCl, 從而起到穩定作用。

    (2)PVC輻照交聯技術的應用

    輻照交聯技術主要有Co60 -γ射線、高能電子射線、紫外線輻射交聯和化學交聯。與化學交聯相比, 輻射交聯具有工藝簡單、低能耗、高產率、無污染的特點, 具有廣泛的應用前景。近年來對PVC輻射交聯的研究, 可以實現逐步控制輻射交聯PVC產品的結構與性能而備受關注改性材料廠。

    (3)PVC阻燃抑煙技術的應用

    PVC雖然自身已具有較好的阻燃性能, 但是在加工成型過程中需要添加大量增塑劑, 勢必會使PVC的阻燃性能出現大幅下降, 因此, 必須對其進行阻燃抑煙改性。阻燃抑煙改性具有工藝簡單, 可選阻燃抑煙劑種類多, 成本較低等優點而受到廣泛關注和應用。主要類型有無機阻燃抑煙劑、納米阻燃抑煙劑和有機阻燃抑煙劑。


    在各種各樣的線纜產品中除鋼芯鋁絞線、電磁線等裸線產品外幾乎其他所有的導線都需要有絕緣層、護套層、屏蔽層等加以保護, 因此需要用到大量的改性塑料。隨著我國經濟實力的提高和現代化建設的進一步推進, 預計我國近年來對線纜產品用改性塑料的需求量將以10%的速度遞增(見表1)。雖然PVC電纜料的消耗量十分巨大, 但隨著人們對安全及環保的要求愈來愈高, PVC材料在電纜上的應用必將受到很大制約。近些年低煙無鹵電纜料一直是各大廠家競相發展的重點產品。


    2聚烯烴低煙無鹵電纜料

    低煙無鹵電纜料選擇基材是聚烯烴無鹵材料, 如聚乙烯、交聯聚乙烯、輻照交聯聚乙烯、聚丙烯、乙烯—醋酸乙烯聚合物等。這些材料本身并不阻燃, 需添加無鹵阻燃劑才能使其成為低煙無鹵材料。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, 全球生產的EVA、PE規格眾多, 這也為低煙無鹵電纜料的發展奠定了基礎。

    2.1 低煙無鹵阻燃劑

    低煙無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點是在燃燒過程中相比其他阻燃劑來說不會產生有害氣體, 同時具有十分明顯的成本優勢。


    改性材料廠


    氫氧化鋁單獨使用一般用量達到50% (質量分數)以上才能有明顯的阻燃效果。如此大的添加量會使塑料的黏度增大, 韌性降低, 斷裂升長率下降。氫氧化鎂阻燃劑和氫氧化鋁類似, 也是高添加型的阻燃劑, 大量添加使材料力學性能、加工性能顯著下降, 而且材料表面粗糙。這是由于無機阻燃劑和有機高分子基體間的表面能的差異, 高填充的無機粉體極易形成網絡結構和聚集體結構, 導致電纜料強度的下降、流動性的惡化。為此對這類阻燃劑進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,保持產品較好的加工及力學性能, 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劑、硬脂酸鈉等, 其原理是通過化學鍵合改善無機阻燃劑氫氧化鋁、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劑為惰性的溶劑直接與阻燃劑相混再加溫偶聯;濕法與干法的最大區別是將阻燃劑和偶聯劑溶于溶劑, 偶聯后再分離溶劑等得到改性阻燃劑。相比之下干法改性簡單易行, 從降低成本角度, 作為企業的生產一般采取干法改性, 然而這依舊會帶來成本上的增加, 找出更簡單易行的方法是當前阻燃劑表面改性的發展方向, 如直接將偶聯劑與基體樹脂及阻燃劑等相混, 使其在混煉過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脂基體相容性也有很大的作用, 同時還可以降低阻燃劑的使用量。這對國內生產氫氧化鋁和氫氧化鎂的廠家提出了更高的要求, 國內當前生產氫氧化鋁質量比較穩定的有中國鋁業公司, 雖然價格上與優質的進口產品有優勢, 但在質量和性能上還有很大的差距改性材料廠。

    (3)協同效應

    將幾種不同的阻燃劑進行復配, 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效阻燃劑, 氫氧化鎂本身對氫氧化鋁有協效阻燃作用,協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行處理外, 為了提高無機成分與樹脂的相容性, 低煙無鹵料相容劑也相繼研發成功。應用比較多的是EVA接枝料, 以EVA接枝馬來酸酐為主。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), 馬來酸酐接枝EVA極性更強,可參與反應的馬來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脂中實現均勻分布, 利于力學性能的大幅度提高, 同時氧指數也得以提高。為擴大聚烯烴的應用范圍和研制更多有價值的新材料, 功能化聚烯烴作為增容劑, 一直是科研和工業生產中的一個重要領域。迄今為止, 由于廉價、高活性和良好的加工性, 馬來酸酐接枝聚烯烴(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, 在提高產品的拉伸強度和拉伸斷裂伸長率方面有比較大的貢獻。


    低煙無鹵料相容劑不僅可以提高基體樹脂與無機成分的相容性, 同時相容劑也可提高色粉在體系里的分散性, 低煙無鹵料專用相容劑雖然在性能上具有很大的優勢, 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劑有一定差距, 雖然硅烷偶聯劑一般價格較高, 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相容劑企業的研發方向。

    2.3 輻照交聯技術的應用

    輻照交聯技術的引入使得低煙無鹵料的耐溫性有明顯的提高。輻照交聯的原理是采用高能射線(鈷60等放射性元素的β 射線加速)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鍵, 從而使原來的線性分子結構變成三維網狀分子結構, 使高分子鏈直接連接起來, 由線型結構變成體型結構。由于射線的能量較高, 所以不需要交聯劑, 也不需要高溫和高壓條件就可以引起化學鍵的斷裂與組合, 將C— C鍵直接連接起來, 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交聯一般的使用溫度只能達到90 ℃, 輻照交聯彌補了化學交聯產品耐溫性不足的缺點。在美、日、歐等工業發達國家交聯絕緣電纜產品用量大大超過溫水交聯絕緣電纜, 而成為主要電纜包覆材料。


    輻照交聯與化學交聯產品相比, 還具有體積電阻系數大、介質損耗小等級高的特點, 使同樣規格的產品載流量大大提高, 同時化學交聯具有的性能也同樣能夠滿足。輻照交聯低煙無鹵阻燃及電線電纜適用于10 kV及以下動力輸配電系統、控制線路和各種要求阻燃、耐火、無煙、無毒和耐高溫的重要場所, 可廣泛應用于核電站、電廠、鋼廠、油井、機房、學校、娛樂場所、人員密集場所和高層樓宇等。


    隨著社會的進步, 科學的發展和人們環保意識及安全意識的提高, 對輻照交聯低煙無鹵阻燃及耐火電線電纜需求量將越來越大, 同時對替代銅導體的新型材料的研究也將逐步深入, 相信輻照交聯低煙無鹵阻燃及耐火電線電纜的發展將具有十分廣闊的前景, 表2所示為低煙無鹵電纜料在未來幾年的用量預測。


    為了滿足市場對低煙無鹵料的需求, 國內外一批具有領先技術的線纜改性材料企業, 如美國普立萬、上海至正、廣東銀禧等依靠自身研發力量及設備設施, 研發成功一系列熱塑性低煙無鹵料及輻照交聯無鹵料, 產品性能優異, 能滿足不同客戶的要求。廣泛應用在電力電纜、控制電纜、通信電纜及數據電纜電子線、汽車線、控纜、儀器儀表用線、信號用線等。

    3結束語

    近年來, 隨著人們生活水平的提高和對綠色環保概念的大力倡導, 對電線電纜產品的安全和環保要求都提出了更高的要求。隨著塑料改性技術的發展, 電線電纜行業進入一個新的飛躍發展時期, 特別是低煙無鹵電線電纜材料得到了廣泛的應用和發展。我國電線電纜行業經過多年發展, 取得了舉世矚目的成績。但從整個行業的發展水平來看, 還存在著行業集中度低、技術力量分散、產品科技含量不高等問題。部分重要基礎原料和技術依賴進口已成為制約我國線纜行業發展的瓶頸。因此, 利用塑料改性技術開發具有自主知識產權的高性能電線電纜材料是我國線纜行業的當前的主要研究和發展方向, 必須適度地加大對線纜行業的研發的投入和政策扶持的力度改性材料廠。


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