低烟聚氯乙烯和阻燃硅橡胶电缆材料的制备与性能研究

摘要

由于电线电缆在能量传输和信息传递等方面的重要性，特别是现代社会的环保和健康需求，研究和开发新型低烟、低毒的防火(包括阻燃和耐火)电缆材料成为电缆新材料研究领域的热点。 本文在总结聚氯乙烯电缆材料的阻燃抑烟研究现状和最新进展的基础上，通过优化制备羟基锡酸锌(ZHS)的条件，以及将ZHS包覆在氢氧化镁(MH)和碳酸钙(CaCO3)粒子表面上，制备清洁高效的阻燃抑烟剂，研究ZHS类添加剂对PVC热稳定性和阻燃抑烟性能的影响以及作用机理。同时在总结耐高温硅橡胶电缆材料的补强阻燃最新研究基础上，制备了甲基乙烯基硅橡胶(MVMQ)无卤阻燃电缆材料和MVMQ/粘土阻燃纳米复合材料，系统研究氢氧化物阻燃体系对硅橡胶材料的阻燃作用。通过对PVC新型阻燃抑烟配方和硅橡胶无卤阻燃补强配方的优化设计，以期发展在不同使用环境中具有优异火灾安全性的新型电缆材料。 本文的主要研究内容总结为以下四个方面： 1.ZHS的制备及其对PVC电缆材料阻燃抑烟作用的研究采用共沉淀法制得平均粒径为20～30nm的ZHS粒子，利用粉末X射线衍射(XRD)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、热重分析(TGA)和透射电子显微镜(TEM)等对ZHS的结构和性能进行表征，系统研究反应温度和pH值对ZHS结构的影响，优化制备条件。将制得的ZHS与PVC及加工助剂熔融共混制备阻燃抑烟PVC电缆材料，采用极限氧指数法(LOI)、垂直燃烧(UL94V)和NBS烟密度箱(SDR)系统研究了ZHS和AO、ZB、MH、ATH、CaCO3对PVC的阻燃抑烟效用，结果表明ZHS对PVC电缆材料具有优良的阻燃抑烟效果，使用量为15％时可以满足我国对PVC电缆材料烟密度的要求，阻燃级别可以达到V0。环境扫描电子显微镜(ESEM)炭渣形貌分析表明，经ZHS作用后的PVC炭渣均匀、致密且连续，结合TGA，锥型量热计(CONE)和真空裂解气相色谱和质谱联用仪(GC-MS)研究其阻燃机理，结果表明ZHS有利于促进PVC热解或燃烧过程中多烯产物的交联成炭，形成具有隔热、隔氧、隔气的炭层，对PVC阻燃抑烟的作用机理同时包含气相和固相作用机理。 2.ZHS包覆MH和CaCO3的制备及其对PVC电缆材料阻燃抑烟作用的研究 根据以上优化条件制备以11.2％ZHS包覆的MH和CaCO3，利用XRD和TEM对包覆粒子的结构进行表征；通过熔融共混法将包覆物与PVC复合，利用LOI、UL94V、SDR、CONE、TGA等手段研究它们对PVC电缆材料阻燃抑烟性能、热稳定性和燃烧性能的影响，并且与三氧化二锑(AO)等PVC传统阻燃抑烟剂进行比较。研究发现ZHS包覆CaCO3对PVC电缆材料具有最佳的阻燃抑烟效果。结合GC-MS、CONE和TGA研究其阻燃机理，可知ZHS包覆CaCO3对PVC的阻燃抑烟作用同样是气相作用机理和固相作用机理并存的。 3.无卤阻燃硅橡胶电缆材料的研究以MH或ATH为阻燃剂、ZB或MRP为阻燃协效剂，白炭黑为补强剂制备MVMQ电缆材料，系统研究其机械性能、阻燃性能和耐溶剂性能。LOI、UL94V和SDR研究结果表明，MH/MRP协效阻燃体系对MVMQ具有最佳的阻燃作用；材料热重和热氧化动力学分析结果表明，MH/MRP改变了MVMQ材料的热解过程；MH/MRP阻燃的MVMQ材料热氧化降解过程表观活化能比未阻燃时显著增加；结合ESEM燃烧残余物形貌分析，MH/MRP阻燃的硅橡胶燃烧后的炭渣连续而致密，初步推断MH/MRP对硅橡胶电缆材料的阻燃机理中，除了增强燃烧残余物的阻隔作用外，还包含有能量阻隔机理。 根据上述研究，筛选具有最优补强和阻燃性能的MVMQ阻燃补强配方并添加适量结构控制剂，加工制备了成型阻燃硅橡胶电缆护套，制品完全符合无卤阻燃硅橡胶电缆材料的工业生产和使用要求，并通过了国家固定灭火系统和耐火构件质量监督检验中心对耐火电缆的检验。 4.MVMQ/有机蒙脱土纳米复合物无卤阻燃电缆材料的研究利用Z桨捏合机通过熔融插层法制备了MVMQ/OMMT(用十六烷基三甲基溴化铵，C16BrN改性的蒙脱土)纳米复合物，以MH/MRP为阻燃剂，白炭黑为补强剂制备了无卤阻燃的MVMQ/OMMT纳米复合材料，系统研究了OMMT和气相法白炭黑对MVMQ的协效补强作用，以及OMMT和MH/MRP对MVMQ的协效阻燃作用。OMMT对MVMQ基体的机械性能有明显的补强效果，当其用量仅为0.5％时，硅橡胶纳米复合物的拉伸强度比纯基体树脂提高141.6％，但其用量大于5％时，纳米复合物的力学性能则会有明显降低；OMMT和气相法白炭黑对MVMQ具有补强协效作用，当其用量分别为1％和20％时，复合材料拉伸强度与30％白炭黑单独使用时相当。利用LOI、UL94V、ESEM等方法综合评价了OMMT/MH/MRP对MVMQ的阻燃性能，结果表明：OMMT和MH/MRP对MVMQ的阻燃具有优良的阻燃协效性，含有1％OMMT的纳米复合物的初始热分解温度(失重5％)比MVMQ提高129℃。热氧化降解动力学研究发现，OMMT在硅橡胶/OMMT纳米复合材料的燃烧降解过程中，对残余物的生成起促进作用，并具有因降解控制步骤改变和产物变化而引起的活化能增大的能量阻隔作用。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：缩略语对照表

引言

第一章聚氯乙烯阻燃抑烟的研究现状

第二章羟基锡酸锌的制备及其对PVC阻燃抑烟性能的研究

第三章ZHS包覆无机粒子的制务及其对PVC的阻燃抑烟作用的研究

第四章阻燃硅橡胶电缆材料的研究现状

第五章无卤阻燃硅橡胶电缆材料的研究

第六章MVMQ/蒙脱土纳米复合材料的制备和阻燃性能的研究

本文总结、创新之处及进一步工作展望

博士期间完成的论文

致谢