技术分享 | 线缆用PP多维度阻燃性能评价方法

线缆的绝缘材料大部分使用交联聚乙烯，交联聚乙烯具有优异的力学性能和耐温性能，长期工作温度可达70℃。

聚丙烯(PP)是常见的热塑性材料，熔融温度可以达到150℃以上，耐温性能优于聚乙烯材料，且不需要交联；PP的体积电阻率随着温度的升高变化不显著，并且不受环境湿度影响，PP的长期工作温度可达到90℃。然而，PP结晶度大，导致材料刚性强、韧性差，在线缆制作、运输、敷设等过程中易产生脆性开裂。

利用SEBS增韧PP是常见的一种方式，这种热塑性弹性体(TPE)兼顾优异的力学性能和耐温性能，且加工工艺简单，可回收利用，是一款有前景的绝缘材料。

采用TPE阻燃体系作为电线的绝缘材料，尤其是外径较小的电线，对材料的阻燃性能和挤出性能要求较高。对于较高阻燃要求的电线，需要通过电线垂直燃烧(VW-1燃烧)测试。VW-1阻燃要求喷灯功率500W，火焰高度12.5cm；点火5次，每次点火15s；要求无滴落；上方指示旗炭化部分不超过25%；单次余焰时间均不超过60s。为了通过VW-1阻燃，电线绝缘材料需要具有优异的自熄性能，和压制火焰高度的能力。

本文研究了无机次磷酸铝(AHP)、氢氧化镁(MDH)、三聚氰胺聚磷酸盐(MPP)和三聚氰胺氰尿酸盐(MCA)对TPE的自熄性能、燃烧速率等影响，建立材料阻燃性能与成品电线VW-1阻燃性能的对应关系。

表1 实验配方

2.1 流变性能研究

国高材分析测试中心旋转流变仪

使用旋转流变仪测试PP/SEBS共混体系的流变行为，测试温度200℃。

图1 不同TPE储能模量(G')和损耗模量(G″)随应变的变化

图1是不同分子量SEBS的TPE储能模量(G')和损耗模量(G″)随应变的变化，显示出线性黏弹区的差异。高分子量SEBS的线性黏弹区最短，说明其在体系中的相容性最差。而中低分子量SEBS的线性黏弹区较长，在共混体系中的相容性要比高分子量SEBS更好。

图2 不同TPEtanδ和复数黏度随频率的变化

图2是不同分子量SEBS的TPEtanδ和复数黏度随频率的变化。tanδ=G″/G'，随着SEBS分子量的提高，tanδ逐渐降低，复数黏度逐渐增加，说明PP/SEBS共混体系的弹性更高，链缠结密度更大。共混体系在挤出过程中有缠结-解缠结的过程，高分子量SEBS共混体系不易解缠结，松弛时间长，挤出过程更容易发生熔体破裂。从流变结果来看，中低分子量SEBS体系黏弹性更低，挤出性能更佳。为了兼顾机械性能和加工性能，选用中分子量SEBS是最佳选择。

2.2不同阻燃剂对TPE阻燃性能的影响

2.2.1极限氧指数

极限氧指数(LOI)测试，执行标准GB/T2406.2—2009。

图3 不同阻燃体系的极限氧指数

图3是TPE添加了不同阻燃剂的极限氧指数。添加AHP和MDH的LOI值较低，因为AHP和MDH的阻燃性能较差;而添加MPP和MCA的LOI值较高，尤其是添加MCA，LOI值达到25.5%。这是因为MCA在燃烧过程中分解大量的含氮气体，这些难燃的含氮气体能够稀释可燃挥发物和氧气，降低气相中的燃烧强度;同时含氮气体的大量释放能带走大量的热量和可燃挥发物;因此MCA的阻燃性能较高。

2.2.2 锥形量热

国高材分析测试中心锥形量热仪

锥形量热测试执行标准为ISO-5660:2015，热通量为50kW/m²。

表2 不同阻燃体系的锥型量热测试数据   

表2是不同阻燃体系的锥形量热数据，包括点燃时间(TTI)、熄灭时间(TTF)、热释放速率峰值(pk-HRR)、总热释放量(THR)、平均有效燃烧热(av-EHC)和最终残炭率(W)。氢氧化镁的热释放最高，这是因为氢氧化镁燃烧过程中，分解生成氧化镁;通过物理堆积的氧化镁层连续性较差，很容易被释放的燃烧热和气体破坏，隔绝保护作用差，因此热释放偏高。无机次磷酸铝有类似的情形。而添加MCA，燃烧时分解释放大量的不燃气体，能够稀释可燃挥发物和氧气，因此燃烧强度低，热释放更低。而MPP能够发挥P-N协效作用，其热释放最低。含磷结构分解生成强酸，促进基体脱水炭化，形成连续的焦炭层，在凝聚相中起到隔绝保护作用；同时含氮结构也能分解生成含氮的不燃气体，在气相中发挥阻燃作用。

图4 不同阻燃体系的热释放速率和总热释放量

图4是不同阻燃体系的热释放曲线。图5是锥形量热测试不同阻燃体系的质量损失曲线。

图5 不同阻燃体系的质量损失曲线

图6 不同阻燃体系锥形量热测试的炭层

图6是不同阻燃体系锥形量热测试后的炭层。相较于MPP和MCA体系，AHP和MDH体系热分解后质量损失更快，最终的残炭率也较低；AHP和MDH阻燃体系形成的炭层较差，无法完整地覆盖在表面，隔绝保护作用较差。MCA的阻燃机理是燃烧时分解释放大量的不燃气体，稀释可燃挥发物和氧气，因此降低了热释放；由于MCA阻燃体系燃烧过程中释放大量的气体，炭层被大量的气体破坏，因此MCA阻燃体系燃烧后的炭层也较松散。而MPP发挥了P-N协效作用。既能生成不燃气体在气相发挥阻燃作用，又能促进生成连续的炭层在凝聚相发挥阻燃作用，因此MPP阻燃体系的质量损失最慢，最终的残炭率最高，锥形量热测试后的炭层更完整。

2.2.3VW-1燃烧

表3是不同阻燃体系的电线的VW-1燃烧性能，采用电线规格导体截面积为8.37mm²。MDH和AHP体系自熄性能较差，VW-1阻燃性能较差；MCA体系火焰高度较高，烧到上方指示旗，使VW-1阻燃通不过，MPP体系的VW-1性能最佳。VW-1性能无法与常规的氧指数对标；对比表2的LOI测试数据，MCA体系的LOI最高，但是VW-1阻燃性能不佳。

表3不同阻燃体系的VW-1燃烧

LOI测试的是材料稳定燃烧的最低氧浓度，燃烧过程较平稳。而VW-1燃烧需要用大火连续点火5次，火焰区域的材料必然会被点燃，并且燃烧完全。MPP体系的锥形量热热释放最低，燃烧时间最长;锥形量热与VW-1性能对应关系更强，因为锥形量热测试热功率较高，材料最终会完全分解，这一点与VW-1燃烧接近。为了通过VW-1阻燃，需要阻燃体系同时具有较强的气相阻燃和凝聚相阻燃；MPP体系发挥了P-N协效作用，既能促进成炭，隔绝燃烧热和可燃挥发物;也能产生不燃气体；同时在气相和凝聚相中降低燃烧强度，压制火焰高度，促进自熄。

LOI和锥形量热结果表明三嗪类阻燃剂MPP和MCA对TPE的阻燃性能更高；而对于成品电线的VW-1阻燃，只有MPP体系能够通过，这是因为MPP发挥了P-N协效阻燃，在气相和凝聚相同时发挥阻燃作用，阻燃效率最高。