PVC电缆料的配方技术及应用.docx

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PVC电缆料的配方技术及应用

题目：

PVC电缆配方技术及其应用

专业：

材料工程技术（新材料）

班级：

材料131

学生姓名：

嵇敏

学号：

130301117

指导教师：

马群锋

时间：

2015年1月

摘要

以聚氯乙烯为基础树脂,添加环保型的钙/锌复合稳定剂、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二异癸酯对苯二甲酸二辛酯、偏苯三酸三辛酯增塑剂等添加剂,制备了环保型电缆料。

本文介绍了聚氯乙烯电缆料中阻燃抑烟的方法和生产工艺。

阐述了PVC电缆料阻燃性能的研究进展，并揭示了增塑剂、阻燃剂以及填充剂用量对其阻燃性能的影响。

最后，简单描述了共混制备阻燃PVC电缆料的研究现状。

关键词：

聚氯乙烯、电缆料、环保、新产品开发、阻燃

目录

PVC电缆配方技术及其应用

（一）PVC电缆简介

PVC电缆料是以聚氯乙烯为基础树脂,添加稳定剂、邻苯二甲酸二辛酯，邻苯二甲酸二异癸酯，对苯二甲酸二辛酯、偏苯三酸三辛酯等增塑剂以及碳酸钙等无机填充物，助剂和润滑剂等添加剂,经过混配捏合挤出而制备的粒子。

（二）PVC电缆改性

2.1钙/锌热稳定剂的研究[1]

2.2阻燃改性[2]

（三）PVC电缆配方

（四）实验结果分析

传统的PVC稳定剂含有铅等重金属，性能虽好却不环保，所以用环保的稳定剂替代传统的重金属稳定剂是必须的，目前研究较多、应用较广的是钙/锌复合稳定剂。

苏朝北[3]~[4]等经过一系列研究，用国产钙/锌稳定剂，配合适当温度等级的增塑剂，分别制得了70,90,105℃的环保PVC护套料，环保要求符合RoHS规定，性能可满足GB/T8815-2002的要求。

4.1PVC树脂的选用

选用合适的PVC树脂是设计具有良好加工工艺性能的PVC绝缘料配方和生产性能良好的电缆的至关重要的一步。

PVC分子量越高，制品的拉伸强度、冲击强度、弹性模量越高，但熔体的流动性与可塑性下降，耐热耐寒性越好，加工温度越高。

试验发现，采用聚合度为1300左右的聚氯乙烯树脂较适合（即SG-3型树脂）。

4.2增塑剂的选择

增塑剂的主要作用是降低聚合物的熔融温度和熔体粘度，进而降低聚合物的加工温度，赋予聚合物制品以柔软性和耐低温性能。

通过配方试验发现，环保型70PVCC绝缘料在20及工作温度下体积电阻率较难达到标准要求。

因此使绝缘料的热失重和断裂伸长率及体积电阻率同时满足标准要求是配方研制的关键所在。

PVC树脂有良好的绝缘性能，增塑剂的加入会使绝缘性能降低。

选择电性能好、热稳定性好、挥发性比较小、增塑效果好的增塑剂才能使绝缘料有较好的电绝缘性能和物理机械性能。

环保型聚氯乙烯绝缘料中较常使用的增塑剂有:

邻苯二甲酸二辛醋（DOP）邻苯二甲酸二壬醋（DINP），邻苯二甲酸二异癸醋（DIDP）邻压苯二甲酸二十一醋（DUP），邻苯二甲酸双十三醇酯（DTDP），对苯二甲酸二辛醋（DOTP）偏苯三酸三辛酷（TOTM）等。

由图1看出，增塑剂的挥发性及耐热性优劣顺序如下:

TOTM>DTDP>DUP>DIDP>DINP>DOTP>DOPo。

DOP具有优良的综合性能，增塑效率高、挥发性小、耐寒性和电性能等良好，是理想的主增塑剂。

但DOP单独使用难满足绝缘料电绝缘能性的要求。

DOTP与DOP性能相近，但耐寒性、耐热稳定性和电绝缘性都好于DOP（比DOP高约18倍）。

因此，需将DOP与DOTP增塑剂配合使用，可获得所需性能的绝缘料。

塑料的挥发性小,则制品的热失重就少,其老化性能就好。

其挥发性主要与所用增塑剂有关，增塑剂的挥发性与其闪点有关，闪点低的挥发性较大。

由表1可知:

13#的热失重比其他三个配方大，原因是增塑剂加入量较多挥发量增大所致。

热失重与增塑剂的挥发、氯化氢的逸出、低分子物质的析出等有关;热失重会在一定程度上影响塑料的断裂伸长变化率。

由表2可知:

10#配方在20及工作温度下体积电阻率比5#配方高，这是因为虽然两个配方的增塑剂总用量相同，但10#配方中DOTP的比例较5#配方多所致;2#配方20及工作温度下体积电阻率比5#配方高，这是因为在DOTP加入量相同下，2#配方中DOP加入量较5#配方少，绝缘电阻随着增塑剂加入量增多而下降所致。

另外，从表2也可以看出，2#配方的低温冲击实验不合格，这是因为2#配方的增塑剂用量较少导致材料的玻璃化温度升高。

因此绝缘电阻与低温冲击性能是一对矛盾，要使他们同时满足标准要求，必须选择适合的增塑剂并将其添加量控制在合适的范围。

综合多方面的因素选取邻苯二甲酸二辛酯（DOP）和对苯二甲酸二辛醋CDOTP}作为PVC的增塑剂。

加入DOTP主要是为了提高塑料的电绝缘性能等。

4.3环保稳定剂的选择

环保PVC绝缘料的稳定剂不能含对人体有危害的铅（Pb）,锅CCd}、汞（Hg）、砷（As）、铬（Cr）、硒（Se）、锑（Sb）等重金属元素，因此选用无毒的钙锌复合稳定剂。

钙锌复合稳定剂的热稳定性接近或超过某些钡/锅稳定剂、铅类稳定剂，并且耐候性好、透明性良好。

钙锌复合稳定剂对热稳定时间的影响见表3配方中填充剂25份，润滑剂0.6份，抗氧剂0.6。

钙锌复合稳定剂的加入量太少材料老化性能不合格，加入量太多成本太高，一般加入5份左右比较合适。

4.4阻燃改性[5]

（1）增塑剂用量对阻燃性能的影响PVC电缆料中加入的增塑剂不同，电缆料的阻燃性和发烟性将会有所不同。

对于PVC电缆料中最常用四种增塑剂：

邻苯二甲酸二辛酯、偏苯三酸三辛酯、磷酸三甲苯酯和聚酯系增塑剂，它们的阻燃性有很大的区别，科学家们做了相关的研究工作。

在软质PVC100份中加入了30～60份的增塑剂，研究发现当增塑剂含量增加时，PVC的氧指数降低。

对于不同的增塑剂，下降的快慢程度基本一致。

并且含磷酸三甲苯酯的PVC具有最高的氧指数，它比含有邻苯二甲酸二辛酯的PVC的氧指数约高5。

对发烟量的研究显示，含邻苯二甲酸二辛酯和磷酸三甲苯酯的PVC的发烟量随着增塑剂的含量的增加而增加。

但是含偏苯三酸三辛酯和聚酯系增塑剂的PVC具有相反的结果。

（2）阻燃剂用量对阻燃性能的影响

PVC电缆料中加入了Al（OH）3，Sb2O3，硼酸锌（ZB）等无机阻燃剂，它们的用量对PVC的阻燃性能影响很大，国内外学者对此作了很多相关的研究。

聂红云等人研究了Sb2O3及Sb2O3/ZB复配阻燃剂添加量对PVC氧指数的影响。

他们发现随着Sb2O3的增加，PVC电缆料的极限氧指数呈直线上升趋势，在纳米Sb2O3的添加量大于1.5份时，纳米Sb2O3对PVC的氧指数贡献大于微米级Sb2O3。

他们还研究了PVC在Sb2O3与ZB的质量比不同的时候的氧指数，发现随着质量比的增加，氧指数下降。

这就是说，加入Sb2O3越多，PVC的阻燃性能越高，但是由于Sb2O3价格比较昂贵，所以一般加入Sb2O3的量不是很高，只要能保证一定的阻燃性即可。

并且加入的ZB可以用作消烟剂，将ZB与Sb2O3复合使用将使得PVC电缆料在具有合适的氧指数的同时还具有低的生烟量。

青岛科技大学的黄兆阁[6]除了研究了ZB和Sb2O3的添加量对阻燃性能的影响，还研究了Al（OH）3用量对阻燃性能的影响，整体上，得到了这样的规律：

随着阻燃剂用量的增加，PVC电缆料的阻燃性能有了明显的提高。

（3）填充剂用量对阻燃性能的影响在PVC电缆料中，通常需要加入一定量的填充剂。

如果我们加入滑石和陶土作为填充剂时氧指数提高1到2倍，但是电缆料的燃烧速度也会加倍，最大减光系数不变。

如果加入Al（OH）3作为填充剂，燃烧速度增加50%，氧指数增加，最大减光系数下降，所以它对发烟量抑制的效果较好。

在PVC中也通常加入CaCO3填充剂，科学家们研究发现，随着CaCO3加入量的增加，PVC电缆料的氧指数下降，且最大减光系数也下降，所以加入CaCO3的量不能太多，否则会影响到电缆料的阻燃抑烟效果。

但是CaCO3可以作为HCl气体的捕获剂，具有非常显著的效果。

基本配方

PVC100份;DOP30份;氯化石蜡10}25份;稳定剂3份;CaC0310一30份;

其他助剂1.2份;阻燃剂为变量。

性能测试

极限氧指数（L01）按国标GB/T2406-2006标准进行测试，试样尺寸100mmx6.5mmx3.2mm.

力学性能按国标GB/T1040-2006标准进行测试，试样为V型试样，拉伸速度为250mm/min.

结果与讨论

图3不同三氧化二锑添加量下PVC电缆料的极限氧指数

图3所示为添加不同量的三氧化二锑后PVC电线电缆料的极限氧指数。

从图中可以看出，随着三氧化二锑添加量的增加，PVC电缆料的极限氧指数呈直线上升趋势，在纳米三氧化二锑的添加量大于1.5份时一，纳米三氧化二锑对PVC的氧指数贡献大十微米级三氧化二锑。

在氧指数为35%时一，纳米三氧化二锑的添加量可以比微米级三氧化二锑少20%。

这是因为纳米级三氧化二锑阻燃材料由十粒度变小具有了特殊的延展性能，可均匀分散十聚合物材料中，其比表面积的增大使其在阻燃过程中能有效地生成SbX3，采用凝聚相阻燃和减少链式反应自由基·OH来实现阻燃，在阻燃性能方面比微米级三氧化二锑有数量级的提高「z-o。

虽然纳米三氧化二锑可以在较低的添加量下达到比较高的氧指数，然而由十三氧化二锑阻燃机理是气相阻燃与固相阻燃同时一进行，所以，以纳米三氧化二锑阻燃的PVC电缆料的生烟量还是比较大，考虑烟气对火灾中逃生的不利影响，我们将具有抑烟功能的硼酸锌引入阻燃剂体系中。

硼酸锌（ZB）与纳米三氧化二锑复配阻燃剂对PVC氧指数的影响

图4Sb2O3/ZB不同比例下PVC电缆料的极限氧指数

图2所示为添加5份不同比例硼酸锌与三氧化二锑时PVC电缆料的极限氧指数!

从图中可以看出，随着复合阻燃剂中三氧化二锑添加量的增加，PVC电缆料的LOI增加。

众所周知，三氧化二锑与卤系阻燃剂协效可以达到一般阻燃剂无法企及的综合性能，然而目前三氧化二锑的价格一涨再涨，改性塑料尤其是PVC这种利润比较低的改性材料已经难以承受!

硼酸锌价格低廉，且据前人研究可以作为PVC的阻燃消烟剂［!

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本研究中发现，将硼酸锌与三氧化二锑复合后材料的生烟量大大降低，这使得该阻燃剂在达到适合氧指数的同时具有较低的生烟量。

硼酸锌（ZB）与纳米三氧化二锑复配阻燃剂对PVC力学性能的影响

图5所示为Sbz03/ZB不同比例下PVC电缆料的力学性能。

从图中可以看出，随着硼酸锌比例的增加，PVC电缆料的拉伸强度呈下降趋势，断裂伸长

率先有一个微小的升高后降低的趋势，但拉伸强度与断裂伸长率的降低均不明显，拉伸强度最大降低7.5%，断裂伸长率最大降低9.47%。

这是因为使用的硼酸锌为微米级的硼酸锌，其粒径分布为2一10微米，与纳米三氧化二锑相差不大，因此对力学性能的影响不明显。

图5Sb2O3/ZB不同比例下PVC电缆料的力学性能

4.5结论

1）纳米三氧化二锑对PVC的氧指数贡献大十微米级三氧化二锑，当氧指数为35%时一，纳米三氧化二锑的添加量可以比微米级三氧化二锑少20%。

2）纳米三氧化二锑与硼酸锌复合后材料的氧指数降低，这说明硼酸锌对氧指数的贡献小十三氧化二锑，但复配后材料的生烟量大大降低，材料的整体成本也降低。

3）随着复配阻燃剂中硼酸锌比例的增加，PVC电缆料的拉伸强度呈下降趋势，断裂伸长率先有一个微小的升高后降低的趋势，但拉伸强度与断裂伸长率的降低均不明显，拉伸强度最大降低7.5%，断裂伸长率最大降低9.47%。

（五）结束语

随着人们环保意识和安全意识的增强，阻燃抑烟的PVC电缆料的研究和生产引起了世界各国的普遍关注。

人们纷纷寻找能够提高PVC电缆料的阻燃性能的方法，并取得了突破性的进展。

对PVC电缆料中加入的增塑剂、阻燃剂以及填充剂的量能够做到很好的控制，这是开发优异性能的电缆料的前提。

并且利用共混等方法将会开发出更多的集无毒、高效于一体的新型环保阻燃的PVC电缆材料。

尽管环保法令日益严格,但PVC电缆料以其出色的性能、低廉的价格和容易加工的特点在电缆料中仍占据相当的份量,且这一局面在短期内很难有根本改变,所以开发环保、高性能的PVC电缆料在今后一段时间内仍是一个热门课题。

参考文献

[1]杨森.国内PVC电缆料研究近况,2011,08:

1-3.

[2]王宇、高凯.阻燃PVC电缆料的研究现状[J].轻工标准与质量,2013,03:

47-50

[3]苏朝.70℃环保型聚氯乙烯电缆绝缘料研究[J].绝缘材料,2006,39（6）:

13-15.

[4]张建耀,戴红兵,左晓兵,等.环保型聚氯乙烯电缆料的研制[J].塑料科技,2007,35（10）:

64-67.

[5]聂红云，聂矗，夏锐，周光举，冯洪福，张瑜. 聚氯乙烯（PVC）电缆料阻燃性能的研究[J]. 塑料工业， 2012， 40

（1）：

 104-106..