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塑料改性技术在电线电缆材料中的应用
2024-05-24 09:02:12 | 作者:BOB体育开户
 
 
 

  随着我们国家的经济的快速的提升, 电线电缆材料的需求量增加很快, 同时随着安全及环保等方面的要求, 对电线电缆料也提出了新的要求, 将塑料改性技术引入到电线电缆材料的应用上不但可以满足安全、环保等要求, 同时也将降低各企业的生产成本。

  生产电缆料的基础树脂主要是PVC、聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)。其中, PVC的使用量最大。PVC树脂具有难燃、耐油、耐化学药品腐蚀、耐水等特点, 同时具有物理机械性能好、电性能优良等优点, 是电线电缆行业较为理想的包覆材料;但是PVC材料存在耐温性、耐候性、耐磨性较差, 使用的过程中增塑剂的析出使材料老化性能变差等缺点, 使PVC材料难以适应当前环保要求, 也难以适应某些特种线缆的要求。此外, PVC作为电缆料的最大弊病是在燃烧过程中会释放大量的烟雾和有毒、腐蚀性的氯化氢(HCl)气体。因此, 对PVC改性以提高其综合性能是目前面对的最要紧的麻烦。对PVC改性方法较多, 应用于电线电缆改性的主要方法有:

  钙/锌复合稳定剂是无毒PVC热稳定剂中的重要品种。也是近年来复合稳定剂中研究开发最为活跃的领域之一。其研究方向是通过种种辅助稳定剂的复配, 逐步的提升其耐热性, 赋予更多功能性, 使其可用于电线电缆等领域, 耐热性有了很大提高, 也能代替或部分代替铅镉稳定剂开发新的PVC制品。稀土热稳定剂是近年来国内研究开发最关注的无毒PVC热稳定剂之一。

  研究表明, 稀土元素具有形成配位络合物能力, 在PVC工艺流程, 能大量吸收PVC降解产生的HCl, 从而起到稳定作用。

  辐照交联技术主要有Co60 -射线、高能电子射线、紫外线辐射交联和化学交联。与化学交联相比, 辐射交联具有工艺简单、低能耗、高产率、无污染的特点, 具有广泛的应用前景。近年来对PVC辐射交联的研究, 能轻松实现逐步控制辐射交联PVC产品的结构与性能而备受关注。

  PVC虽然自身已具有较好的阻燃性能, 但是在加工成型的过程中需要添加大量增塑剂, 势必会使PVC的阻燃性能出现一下子就下降, 因此, 必须对其进行阻燃抑烟改性。阻燃抑烟改性具有工艺简单, 可选阻燃抑烟剂种类多, 成本较低等优点而受到广泛关注和应用。主要类型有无机阻燃抑烟剂、纳米阻燃抑烟剂和有机阻燃抑烟剂。

  在各种各样的线缆产品中除钢芯铝绞线、电磁线等裸线产品外几乎其他所有的导线都需要有绝缘层、护套层、屏蔽层等加以保护, 因此就需要用到大量的改性塑料。随着我们国家经济实力的提高和现代化建设的进一步推进, 预计我国近年来对线缆产品用改性塑料的需求量将以10%的速度递增(见表1)。虽然PVC电缆料的消耗量十分巨大, 但随着时下人们对安全及环保的要求愈来愈高, PVC材料在电缆上的应用必将受到很大制约。近些年低烟无卤电缆料一直是各大厂家竞相发展的重点产品。

  低烟无卤电缆料选择基材是聚烯烃无卤材料, 如聚乙烯、交联聚乙烯、辐照交联聚乙烯、聚丙烯、乙烯醋酸乙烯聚合物等。这些材料本身并不阻燃, 需添加无卤阻燃剂才能使其成为低烟无卤材料。目前应用得比较多的是以乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、PE作为基础材料, __生产的EVA、PE规格众多, 这也为低烟无卤电缆料的发展奠定了基础。

  低烟无卤电缆料的阻燃剂主要是氢氧化铝和氢氧化镁阻燃剂, 两者的阻燃机理相似。氢氧化铝和氢氧化镁作为阻燃剂最大的优点是在燃烧过程中相比其他阻燃剂来说不会产生有害化学气体, 同时具有十分明显的成本优势。

  氢氧化铝单独使用一般用量达到50% (质量分数)以上才能有明显的阻燃效果。如此大的添加量会使塑料的黏度增大, 韧性降低, 断裂升长率下降。氢氧化镁阻燃剂和氢氧化铝类似, 也是高添加型的阻燃剂, 大量添加使材料力学性能、加工性能显著下降, 而且材料表面粗糙。这是由于无机阻燃剂和有机高分子基体间的表面能的差异, 高填充的无机粉体极易形成网络结构和聚集体结构, 导致电缆料强度的下降、流动性的恶化。为此对这类阻燃剂进行深入研究十分必要, 对阻燃剂的处理方法主要有表面化处理、微细化处理以及协同效应的研究。

  为了减小阻燃剂的加入对材料机械性能的影响,保持产品较好的加工及力学性能, 用表面活性剂处理阻燃剂增加阻燃剂与材料的相容性是一条很重要的途径。

  常用的表面处理剂有硅烷偶联剂、硬脂酸钠等, 其原理是通过化学键合改善无机阻燃剂氢氧化铝、氢氧化镁的表面活性来提升与基体树脂的相容性。表面处理主要有干法改性和湿法改性。干法改性即添加少量相对于偶联剂为惰性的溶剂直接与阻燃剂相混再加温偶联;湿法与干法的最大区别是将阻燃剂和偶联剂溶于溶剂, 偶联后再分离溶剂等得到改性阻燃剂。相比之下干法改性简单易行, 从减少相关成本角度, 作为企业的生产一般采取干法改性, 然而这依旧会带来成本上的增加, 找出更简单易行的方法是当前阻燃剂表面改性的发展趋势, 如直接将偶联剂与基体树脂及阻燃剂等相混, 使其在混炼过程中能很好地与各成分相结合,且达到较好的效果。

  细化阻燃剂对提高阻燃性及与树脂基体相容性也有很大的作用, 同时还能够更好的降低阻燃剂的使用量。这对国内生产氢氧化铝和氢氧化镁的厂家提出了更高的要求, 国内当前生产氢氧化铝质量较为稳定的有中国铝业公司, 虽然价格上与优质的进口产品有优势, 但在质量和性能上还有很大的差距。

  将几种不同的阻燃剂进行复配, 混合使用, 不仅能提高阻燃效果, 还可使材料的物理机械性能的损失减到最小。在低烟无卤电缆料方面一般使用氢氧化铝/氢氧化镁复合阻燃体系或者使用氢氧化铝加协效阻燃剂, 氢氧化镁本身对氢氧化铝有协效阻燃作用,协效剂使用较多的有磷及氮化合物、硼酸盐和有机硅化合物。

  除了上述对阻燃剂进行处理外, 为了提高无机成分与树脂的相容性, 低烟无卤料相容剂也相继研发成功。应用比较多的是EVA接枝料, 以EVA接枝马来酸酐为主。其原理是利用金属氢氧化物表面大量的极性亲水基团(羟基), 马来酸酐接枝EVA极性更强,可参与反应的马来酸酐与氢氧化物反应, 并形成牢固的结合, 使氢氧化物在基本树脂中实现均匀分布, 利于力学性能的大幅度提高, 同时氧指数也得以提高。为扩大聚烯烃的应用范围和研制更多有价值的新材料, 功能化聚烯烃作为增容剂, 一直是科研和工业生产中的一个重要领域。迄今为止, 由于廉价、高活性和良好的加工性, 马来酸酐接枝聚烯烃(PO-g-MAH)是最重要的功能化聚烯烃, 除EVA-g-MAH外还有PE-g-MAH作为相容剂, 在提高产品的拉伸强度和拉伸断裂伸长率方面有比较大的贡献。

  低烟无卤料相容剂不仅能大大的提升基体树脂与无机成分的相容性, 同时相容剂也可提高色粉在体系里的分散性, 低烟无卤料专用相容剂虽然在性能上具有很大的优势, 但由于其添加量大(一般在7% ~ 12%),在成本控制方面与硅烷偶联剂有一定差距, 虽然硅烷偶联剂一般价格较高, 但其添加量很少, 一般只有1%左右。怎么样提高相容剂的相容性及减少相关成本是当前生产相容剂企业的研发方向。

  辐照交联技术的引入使得低烟无卤料的耐温性有明显的提高。辐照交联的原理是采用高能射线等放射性元素的 射线加速)或高速电子作能源,形成高分子自由基, 然后高分子自由基重新组合成为交联键, 从而使原来的线性分子结构变成三维网状分子结构, 使高分子链直接连接起来, 由线型结构变成体型结构。由于射线的能量较高, 所以不需要交联剂, 也不需要高温和高压条件就可以引起化学键的断裂与组合, 将C C键直接连接起来, 因而具有较高的耐热等级。根据材料的配方和加工工艺的不同可做成90、105、125 ℃级绝缘料。化学交联一般的使用温度只能达到90 ℃, 辐照交联弥补了化学交联产品耐温性不足的缺点。在美、日、欧等工业发达国家交联绝缘电缆产品用量大大超过温水交联绝缘电缆, 而成为主要电缆包覆材料。

  辐照交联与化学交联产品相比, 还具有体积电阻系数大、介质损耗小等级高的特点, 使同样规格的产品载流量大幅度的提升, 同时化学交联具有的性能也同样能够很好的满足。辐照交联低烟无卤阻燃及电线 kV及以下动力输配电系统、控制线路和各种要求阻燃、耐火、无烟、无毒和耐高温的重要场所, 可大范围的应用于核电站、电厂、钢厂、油井、机房、学校、娱乐场所、人员密集场所和高层楼宇等。

  随着社会的进步, 科学的发展和人们环保意识及安全意识的提高, 对辐照交联低烟无卤阻燃及耐火电线电缆需求量将慢慢的变大, 同时对替代铜导体的新型材料的研究也将逐步深入, 相信辐照交联低烟无卤阻燃及耐火电线电缆的发展将具有十分广阔的前景, 表2所示为低烟无卤电缆料在未来几年的用量预测。

  为了满足市场对低烟无卤料的需求, 国内外一批具有领先技术的线缆改性材料企业, 如美国普立万、上海至正、广东银禧等依靠自身研发力量及设备设施, 研发成功一系列热塑性低烟无卤料及辐照交联无卤料, 产品性能优异, 能满足多种客户的要求。大范围的应用在电力电缆、控制电缆、通信电缆及数据电缆电子线、汽车线、控缆、仪器仪表用线结束语

  近年来, 随着时下人们生活水平的提高和对绿色环保概念的大力倡导, 对电线电缆产品的安全和环保要求都提出了更高的要求。随着塑料改性技术的发展, 电线电缆行业进入一个新的飞跃发展时期, 特别是低烟无卤电线电缆材料得到了广泛的应用和发展。我国电线电缆行业经过多年发展, 取得了举世瞩目的成绩。但从整个行业的发展水平来看, 还存在着行业集中度低、技术力量分散、产品科技含量不高等问题。部分重要基础原料和技术依赖进口已成为制约我国线缆行业发展的瓶颈。因此, 利用塑料改性技术开发具有自主知识产权的高性能电线电缆材料是我国线缆行业的当前的主要研究和发展趋势, 必须适度地加大对线缆行业的研发的投入和政策扶持的力度。

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