(一) PVC電纜簡介

PVC電纜料是以聚氯乙烯為基礎樹脂,添加穩定劑、鄰苯二甲酸二辛酯，鄰苯二甲酸二異癸酯，對苯二甲酸二辛酯、偏苯三酸三辛酯等增塑劑以及碳酸鈣等無機填充物，助劑和潤滑劑等添加劑,經過混配捏合擠出而制備的粒子。

(二) P VC電纜改性

2.1鈣/鋅熱穩定劑的研究    

2.2阻燃改性     

(三) PVC電纜配方

(四) 實驗結果分析

傳統的PVC穩定劑含有鉛等重金屬，性能雖好卻不環保，所以用環保的穩定劑替代傳統的重金屬穩定劑是必須的，目前研究較多、應用較廣的是鈣/鋅復合穩定劑。

 蘇朝北[3]~ [4]等經過一系列研究，用國產鈣/鋅穩定劑，配合適當溫度等級的增塑劑，分別制得了70,90,105℃的環保PVC護套料，環保要求符合RoHS規定，性能可滿足GB/T 8815-2002的要求。

4.1PVC樹脂的選用

  選用合適的PVC樹脂是設計具有良好加工工藝性能的PVC絕緣料配方和生產性能良好的電纜的至關重要的一步。PVC分子量越高，制品的拉伸強度、沖擊強度、彈性模量越高，但熔體的流動性與可塑性下降，耐熱耐寒性越好，加工溫度越高。試驗發現，采用聚合度為1300左右的聚氯乙烯樹脂較適合(即SG-3型樹脂)。

4.2增塑劑的選擇

  增塑劑的主要作用是降低聚合物的熔融溫度和熔體粘度，進而降低聚合物的加工溫度，賦予聚合物制品以柔軟性和耐低溫性能。通過配方試驗發現，環保型70PVCC絕緣料在20及工作溫度下體積電阻率較難達到標準要求。因此使絕緣料的熱失重和斷裂伸長率及體積電阻率同時滿足標準要求是配方研制的關鍵所在。

  PVC樹脂有良好的絕緣性能，增塑劑的加入會使絕緣性能降低。選擇電性能好、熱穩定性好、揮發性比較小、增塑效果好的增塑劑才能使絕緣料有較好的電絕緣性能和物理機械性能。環保型聚氯乙烯絕緣料中較常使用的增塑劑有:鄰苯二甲酸二辛醋(DOP )鄰苯二甲酸二壬醋(DINP），鄰苯二甲酸二異癸醋（DIDP）鄰壓苯二甲酸二十一醋（DUP），鄰苯二甲酸雙十三醇酯（DTDP)，對苯二甲酸二辛醋（DOTP）偏苯三酸三辛酷（TOTM)等。

由圖1看出，增塑劑的揮發性及耐熱性優劣順序如下:TOTM  > DTDP > DUP > DIDP >DINP > DOTP > DOP o 。DOP具有優良的綜合性能，增塑效率高、揮發性小、耐寒性和電性能等良好，是理想的主增塑劑。但DOP單獨使用難滿足絕緣料電絕緣能性的要求。DOTP與DOP性能相近，但耐寒性、耐熱穩定性和電絕緣性都好于DOP(比DOP高約18倍)。因此，需將DOP與DOTP增塑劑配合使用，可獲得所需性能的絕緣料。

塑料的揮發性小,則制品的熱失重就少,其老化性能就好。其揮發性主要與所用增塑劑有關，增塑劑的揮發性與其閃點有關，閃點低的揮發性較大。

由表1可知:13#的熱失重比其他三個配方大，原因是增塑劑加入量較多揮發量增大所致。熱失重與增塑劑的揮發、氯化氫的逸出、低分子物質的析出等有關;熱失重會在一定程度上影響塑料的斷裂伸長變化率。

 由表2可知:10#配方在20及工作溫度下體積電阻率比5#配方高，這是因為雖然兩個配方的增塑劑總用量相同，但10#配方中DOTP的比例較5#配方多所致;2#配方20及工作溫度下體積電阻率比5#配方高，這是因為在DOTP加入量相同下，2#配方中DOP加入量較5#配方少，絕緣電阻隨著增塑劑加入量增多而下降所致。另外，從表2也可以看出，2#配方的低溫沖擊實驗不合格，這是因為2#配方的增塑劑用量較少導致材料的玻璃化溫度升高。因此絕緣電阻與低溫沖擊性能是一對矛盾，要使他們同時滿足標準要求，必須選擇適合的增塑劑并將其添加量控制在合適的范圍。

    綜合多方面的因素選取鄰苯二甲酸二辛酯（DOP)和對苯二甲酸二辛醋CDOTP}作為PVC的增塑劑。加入DOTP主要是為了提高塑料的電絕緣性能等。

4.3環保穩定劑的選擇

    環保PVC絕緣料的穩定劑不能含對人體有危害的鉛(Pb),鍋CCd}、汞(Hg)、砷(As)、鉻(Cr)、硒(Se)、銻(Sb)等重金屬元素，因此選用無毒的鈣鋅復合穩定劑。鈣鋅復合穩定劑的熱穩定性接近或超過某些鋇/鍋穩定劑、鉛類穩定劑，并且耐候性好、透明性良好。鈣鋅復合穩定劑對熱穩定時間的影響見表3配方中填充劑25份，潤滑劑0.6份，抗氧劑0.6。鈣鋅復合穩定劑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份左右比較合適。

4.4阻燃改性^[5]

（1）增塑劑用量對阻燃性能的影響PVC電纜料中加入的增塑劑不同，電纜料的阻燃性和發煙性將會有所不同。對于PVC電纜料中最常用四種增塑劑：鄰苯二甲酸二辛酯、偏苯三酸三辛酯、磷酸三甲苯酯和聚酯系增塑劑，它們的阻燃性有很大的區別，科學家們做了相關的研究工作。在軟質PVC100份中加入了30～60份的增塑劑，研究發現當增塑劑含量增加時，PVC的氧指數降低。對于不同的增塑劑，下降的快慢程度基本一致。并且含磷酸三甲苯酯的PVC具有最高的氧指數，它比含有鄰苯二甲酸二辛酯的PVC的氧指數約高5。對發煙量的研究顯示，含鄰苯二甲酸二辛酯和磷酸三甲苯酯的PVC的發煙量隨著增塑劑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劑的PVC具有相反的結果。

（2）阻燃劑用量對阻燃性能的影響

PVC電纜料中加入了Al（OH）3，Sb2O3，硼酸鋅（ZB）等無機阻燃劑，它們的用量對PVC的阻燃性能影響很大，國內外學者對此作了很多相關的研究。聶紅云等人研究了Sb2O3及Sb2O3/ ZB復配阻燃劑添加量對PVC氧指數的影響。他們發現隨著Sb2O3的增加，PVC電纜料的極限氧指數呈直線上升趨勢，在納米Sb2O3的添加量大于1.5份時，納米Sb2O3對PVC的氧指數貢獻大于微米級Sb2O3。他們還研究了PVC在Sb2O3與ZB的質量比不同的時候的氧指數，發現隨著質量比的增加，氧指數下降。這就是說，加入Sb2O3越多，PVC的阻燃性能越高，但是由于Sb2O3價格比較昂貴，所以一般加入Sb2O3的量不是很高，只要能保證一定的阻燃性即可。并且加入的ZB可以用作消煙劑，將ZB與Sb2O3復合使用將使得PVC電纜料在具有合適的氧指數的同時還具有低的生煙量。青島科技大學的黃兆閣[6]除了研究了ZB和Sb2O3的添加量對阻燃性能的影響，還研究了Al（OH）3用量對阻燃性能的影響，整體上，得到了這樣的規律：隨著阻燃劑用量的增加，PVC電纜料的阻燃性能有了明顯的提高。

（3）填充劑用量對阻燃性能的影響在PVC電纜料中，通常需要加入一定量的填充劑。如果我們加入滑石和陶土作為填充劑時氧指數提高1到2倍，但是電纜料的燃燒速度也會加倍，最大減光系數不變。如果加入Al（OH）3作為填充劑，燃燒速度增加50%，氧指數增加，最大減光系數下降，所以它對發煙量抑制的效果較好。在PVC中也通常加入CaCO3填充劑，科學家們研究發現，隨著CaCO3加入量的增加，PVC電纜料的氧指數下降，且最大減光系數也下降，所以加入CaCO3的量不能太多，否則會影響到電纜料的阻燃抑煙效果。但是CaCO3可以作為HCl氣體的捕獲劑，具有非常顯著的效果。

基本配方

  PVC 100份;DOP 30份;氯化石蠟10 } 25份;穩定劑3份;CaC03 10一30份;

其他助劑1.2份;阻燃劑為變量。

性能測試

    極限氧指數(L01)按國標GB /T 2406-2006標準進行測試，試樣尺寸100 mmx6.5 mmx3.2 mm.

    力學性能按國標GB /T 1040-2006標準進行測試，試樣為V型試樣，拉伸速度為250 mm / min .

結果與討論

圖3所示為添加不同量的三氧化二銻后PVC電線電纜料的極限氧指數。從圖中可以看出，隨著三氧化二銻添加量的增加，PVC電纜料的極限氧指數呈直線上升趨勢，在納米三氧化二銻的添加量大于1.5份時一，納米三氧化二銻對PVC的氧指數貢獻大十微米級三氧化二銻。在氧指數為35%時一，納米三氧化二銻的添加量可以比微米級三氧化二銻少20 %。這是因為納米級三氧化二銻阻燃材料由十粒度變小具有了特殊的延展性能，可均勻分散十聚合物材料中，其比表面積的增大使其在阻燃過程中能有效地生成SbX3，采用凝聚相阻燃和減少鏈式反應自由基·OH來實現阻燃，在阻燃性能方面比微米級三氧化二銻有數量級的提高「z-o。雖然納米三氧化二銻可以在較低的添加量下達到比較高的氧指數，然而由十三氧化二銻阻燃機理是氣相阻燃與固相阻燃同時一進行，所以，以納米三氧化二銻阻燃的PVC電纜料的生煙量還是比較大，考慮煙氣對火災中逃生的不利影響，我們將具有抑煙功能的硼酸鋅引入阻燃劑體系中。

硼酸鋅 ( ZB) 與納米三氧化二銻復配阻燃劑對PVC 氧指數的影響

圖 2 所示為添加 5份不同比例硼酸鋅與三氧化二銻時 PVC電纜料的極限氧指數!從圖中可以看出，隨著復合阻燃劑中三氧化二銻添加量的增加，PVC電纜料的LOI增加。眾所周知，三氧化二銻與鹵系阻燃劑協效可以達到一般阻燃劑無法企及的綜合性能，然而目前三氧化二銻的價格一漲再漲，改性塑料尤其是PVC這種利潤比較低的改性材料已經難以承受!硼酸鋅價格低廉，且據前人研究可以作為 PVC 的阻燃消煙劑［!DB］!本研究中發現，將硼酸鋅與三氧化二銻復合后材料的生煙量大大降低，這使得該阻燃劑在達到適合氧指數的同時具有較低的生煙量。

硼酸鋅 ( ZB) 與納米三氧化二銻復配阻燃劑對PVC力學性能的影響

    圖5所示為Sbz03 /ZB不同比例下PV C電纜料的力學性能。從圖中可以看出，隨著硼酸鋅比例的增加，PVC電纜料的拉伸強度呈下降趨勢，斷裂伸長

率先有一個微小的升高后降低的趨勢，但拉伸強度與斷裂伸長率的降低均不明顯，拉伸強度最大降低7. 5 %，斷裂伸長率最大降低9. 47%。這是因為使用的硼酸鋅為微米級的硼酸鋅，其粒徑分布為2一10微米，與納米三氧化二銻相差不大，因此對力學性能的影響不明顯。

4.5結論

 1)納米三氧化二銻對PVC的氧指數貢獻大十微米級三氧化二銻，當氧指數為35%時一，納米三氧化二銻的添加量可以比微米級三氧化二銻少20%。

 2)納米三氧化二銻與硼酸鋅復合后材料的氧指數降低，這說明硼酸鋅對氧指數的貢獻小十三氧化二銻，但復配后材料的生煙量大大降低，材料的整體成本也降低。

 3)隨著復配阻燃劑中硼酸鋅比例的增加，PVC電纜料的拉伸強度呈下降趨勢，斷裂伸長率先有一個微小的升高后降低的趨勢，但拉伸強度與斷裂伸長率的降低均不明顯，拉伸強度最大降低7. 5 %，斷裂伸長率最大降低9. 47 %。

(五) 結束語

隨著人們環保意識和安全意識的增強，阻燃抑煙的PVC電纜料的研究和生產引起了世界各國的普遍關注。人們紛紛尋找能夠提高PVC電纜料的阻燃性能的方法，并取得了突破性的進展。對PVC電纜料中加入的增塑劑、阻燃劑以及填充劑的量能夠做到很好的控制，這是開發優異性能的電纜料的前提。并且利用共混等方法將會開發出更多的集無毒、高效于一體的新型環保阻燃的PVC電纜材料。

盡管環保法令日益嚴格,但PVC電纜料以其出色的性能、低廉的價格和容易加工的特點在電纜料中仍占據相當的份量,且這一局面在短期內很難有根本改變,所以開發環保、高性能的PVC電纜料在今后一段時間內仍是一個熱門課題。

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