摘要

本文綜述了無(wú)鹵協(xié)同阻燃熱塑性彈性體(TPE)電纜護(hù)套材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。隨著環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格和火災(zāi)安全要求提高，傳統(tǒng)鹵系阻燃劑逐漸被無(wú)鹵阻燃體系取代。文章系統(tǒng)分析了TPE基體的結(jié)構(gòu)特性及其對(duì)阻燃性能的影響，詳細(xì)探討了無(wú)機(jī)阻燃劑、氮系阻燃劑和磷系阻燃劑的協(xié)同阻燃機(jī)理，重點(diǎn)介紹了近年來(lái)納米復(fù)合阻燃體系和生物基阻燃劑的研究突破。最后，文章展望了無(wú)鹵協(xié)同阻燃TPE電纜護(hù)套的未來(lái)發(fā)展方向，包括新型阻燃劑設(shè)計(jì)、多功能一體化以及環(huán)境友好型材料的開(kāi)發(fā)。

關(guān)鍵詞：無(wú)鹵阻燃；熱塑性彈性體；電纜護(hù)套；協(xié)同效應(yīng)；環(huán)境友好材料

1引言

隨著電力工業(yè)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程加速，電纜作為電力傳輸?shù)闹匾d體，其安全性能日益受到關(guān)注。電纜護(hù)套材料不僅需要具備良好的機(jī)械性能和耐候性，還必須滿足嚴(yán)格的阻燃要求以防止火災(zāi)發(fā)生和蔓延。傳統(tǒng)鹵系阻燃劑雖然阻燃效率高，但在燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量有毒煙霧和腐蝕性氣體，對(duì)環(huán)境和人體健康造成嚴(yán)重危害。近年來(lái)，各國(guó)相繼出臺(tái)法規(guī)限制鹵系阻燃劑的使用，推動(dòng)了無(wú)鹵阻燃技術(shù)的發(fā)展。

熱塑性彈性體(TPE)因其優(yōu)異的柔韌性、加工性能和可回收性，成為電纜護(hù)套的理想材料。然而，TPE本身易燃，必須通過(guò)添加阻燃劑來(lái)提高其阻燃性能。單一無(wú)鹵阻燃劑往往難以達(dá)到理想的阻燃效果，而協(xié)同阻燃體系通過(guò)不同阻燃劑之間的相互作用，可以顯著提高阻燃效率并保持材料其他性能。本文旨在系統(tǒng)梳理無(wú)鹵協(xié)同阻燃TPE電纜護(hù)套材料的研究進(jìn)展，為未來(lái)開(kāi)發(fā)高性能環(huán)保型電纜護(hù)套提供參考。

圖1 熱塑性彈性體

2 TPE基體的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)

熱塑性彈性體(TPE)是一類兼具橡膠彈性和塑料加工性能的高分子材料，其分子結(jié)構(gòu)通常由硬段和軟段組成。硬段提供物理交聯(lián)點(diǎn)，賦予材料強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性；軟段則負(fù)責(zé)彈性恢復(fù)性能。這種特殊的微相分離結(jié)構(gòu)使TPE具有優(yōu)異的柔韌性、耐屈撓性和可重復(fù)加工性，非常適合作為電纜護(hù)套材料。

在電纜護(hù)套應(yīng)用中，TPE需要滿足一系列嚴(yán)格的性能要求。首先，機(jī)械性能方面需要具備適當(dāng)?shù)睦鞆?qiáng)度(通常大于10MPa)和斷裂伸長(zhǎng)率(大于200%)，以確保在安裝和使用過(guò)程中不易損壞。其次，電氣性能要求體積電阻率高(通常大于10^14Ω·cm)，介電強(qiáng)度良好。耐候性方面，需要抵抗紫外線、臭氧和溫度變化的影響。最重要的是阻燃性能，要求通過(guò)UL94V-0或類似標(biāo)準(zhǔn)，且燃燒時(shí)煙密度低、毒性氣體釋放少。

不同種類的TPE在電纜護(hù)套應(yīng)用中表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。苯乙烯類TPE(SBS、SEBS)價(jià)格適中、加工性能好，但耐溫性較差；聚烯烴類TPE(TPO)耐候性好但強(qiáng)度偏低；熱塑性聚氨酯(TPU)力學(xué)性能優(yōu)異但易水解；聚酯類TPE(TPEE)耐溫性高但價(jià)格昂貴。針對(duì)阻燃要求，研究者需要根據(jù)TPE基體的特性選擇合適的阻燃體系，并解決阻燃劑添加對(duì)材料其他性能的影響。

3 無(wú)鹵阻燃劑的種類與協(xié)同機(jī)理

無(wú)鹵阻燃劑主要分為無(wú)機(jī)阻燃劑、氮系阻燃劑和磷系阻燃劑三大類。無(wú)機(jī)阻燃劑包括氫氧化鋁(ATH)、氫氧化鎂(MH)、硼酸鋅等，通過(guò)吸熱分解和釋放水蒸氣稀釋可燃?xì)怏w發(fā)揮阻燃作用。氮系阻燃劑如三聚氰胺及其衍生物，主要通過(guò)受熱分解產(chǎn)生惰性氣體和促進(jìn)炭層形成。磷系阻燃劑包括紅磷、磷酸酯等，在凝聚相促進(jìn)炭化，在氣相捕獲自由基。

協(xié)同阻燃是指兩種或多種阻燃劑共同使用時(shí)，其阻燃效果優(yōu)于單獨(dú)使用時(shí)的簡(jiǎn)單加和。在TPE電纜護(hù)套中，常見(jiàn)的協(xié)同體系包括：磷-氮協(xié)同(如APP/PER/MEL系統(tǒng))，通過(guò)形成膨脹炭層隔絕熱量和氧氣；金屬氫氧化物與硅系協(xié)同(如MH/有機(jī)硅)，改善炭層質(zhì)量和穩(wěn)定性；納米填料與常規(guī)阻燃劑協(xié)同(如納米粘土/ATH)，增強(qiáng)炭層強(qiáng)度和阻隔性能。

協(xié)同效應(yīng)的機(jī)理主要包括：(1)不同阻燃階段互補(bǔ)，如氣相阻燃與凝聚相阻燃結(jié)合；(2)改善炭層質(zhì)量，形成更致密穩(wěn)定的保護(hù)層；(3)改變分解路徑，促進(jìn)成炭抑制可燃?xì)怏w產(chǎn)生；(4)熱傳導(dǎo)調(diào)控，形成有效的熱屏障。通過(guò)合理設(shè)計(jì)協(xié)同體系，可以在減少阻燃劑添加量的同時(shí)提高阻燃效率，減輕對(duì)材料力學(xué)性能的影響。

4 無(wú)鹵協(xié)同阻燃TPE電纜護(hù)套的研究進(jìn)展

近年來(lái)，無(wú)鹵協(xié)同阻燃TPE電纜護(hù)套研究取得了顯著進(jìn)展。在納米復(fù)合阻燃體系方面，研究者發(fā)現(xiàn)將層狀硅酸鹽(如蒙脫土)、碳納米管或石墨烯與傳統(tǒng)阻燃劑復(fù)合，可顯著提升阻燃效率。例如，SEBS/APP/納米粘土三元體系在添加25%阻燃劑時(shí)即達(dá)到UL94V-0級(jí)，且拉伸強(qiáng)度保持在12MPa以上。納米材料通過(guò)形成"迷宮效應(yīng)"和增強(qiáng)炭層，大幅降低了熱釋放速率和煙密度。

生物基阻燃劑是另一個(gè)研究熱點(diǎn)。植酸、木質(zhì)素、殼聚糖等天然物質(zhì)被開(kāi)發(fā)用于TPE阻燃。這些生物基材料通常含有豐富的磷、氮等阻燃元素，且環(huán)境友好。有研究將植酸與纖維素納米晶復(fù)合用于TPU，實(shí)現(xiàn)了LOI值32%和V-0等級(jí)，同時(shí)保持了材料的柔韌性。生物基阻燃劑的挑戰(zhàn)在于熱穩(wěn)定性較低和與基體的相容性問(wèn)題，需要通過(guò)化學(xué)改性來(lái)解決。

新型協(xié)同體系的開(kāi)發(fā)也取得突破。例如，金屬有機(jī)框架(MOF)材料作為新型阻燃協(xié)效劑，其多孔結(jié)構(gòu)可吸附可燃?xì)怏w并催化成炭；硅氧烷改性的阻燃劑可同時(shí)改善阻燃性和加工流動(dòng)性；過(guò)渡金屬化合物(如Fe2O3、MoS2)被發(fā)現(xiàn)能顯著提升磷氮系統(tǒng)的阻燃效率。這些創(chuàng)新為開(kāi)發(fā)高效無(wú)鹵阻燃TPE提供了新思路。

5 無(wú)鹵協(xié)同阻燃TPE電纜護(hù)套的挑戰(zhàn)與展望

盡管無(wú)鹵協(xié)同阻燃TPE電纜護(hù)套研究取得了顯著進(jìn)展，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先，阻燃效率與力學(xué)性能的平衡問(wèn)題尚未完全解決，高添加量往往導(dǎo)致材料變硬變脆。其次，復(fù)雜協(xié)同體系可能增加加工難度和成本，影響工業(yè)化應(yīng)用。此外，現(xiàn)有測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)阻燃性能，對(duì)燃燒產(chǎn)物毒性和長(zhǎng)期環(huán)境影響的評(píng)估體系尚不完善。

未來(lái)發(fā)展方向包括：(1)分子設(shè)計(jì)新型高效阻燃劑，如超支化聚合物型阻燃劑、反應(yīng)型阻燃單體等；(2)開(kāi)發(fā)多功能一體化體系，同時(shí)滿足阻燃、抑煙、抗滴落等要求；(3)研究智能阻燃系統(tǒng)，如溫度響應(yīng)型阻燃劑；(4)完善生命周期評(píng)估，確保材料從生產(chǎn)到廢棄全過(guò)程的環(huán)境友好性；(5)發(fā)展新型測(cè)試方法和標(biāo)準(zhǔn)，更全面評(píng)價(jià)材料在實(shí)際火災(zāi)中的表現(xiàn)。

6 結(jié)論

無(wú)鹵協(xié)同阻燃TPE電纜護(hù)套材料的研究對(duì)于滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保和安全要求具有重要意義。通過(guò)合理設(shè)計(jì)協(xié)同阻燃體系，可以在保持TPE優(yōu)異性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效阻燃。當(dāng)前研究已證明，納米復(fù)合、生物基阻燃劑和新型協(xié)同系統(tǒng)是提高阻燃效率的有效途徑。未來(lái)需要進(jìn)一步解決性能平衡、加工性能和成本等問(wèn)題，推動(dòng)無(wú)鹵阻燃TPE電纜護(hù)套的廣泛應(yīng)用。隨著材料設(shè)計(jì)和表征技術(shù)的進(jìn)步，環(huán)保型高性能電纜護(hù)套材料將迎來(lái)更廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

[1]王立春,崔建偉,段磊,等.無(wú)鹵協(xié)同阻燃TPE電纜護(hù)套復(fù)合材料的研究[J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用,2024,36(06):25-28.DOI:10.19690/j.issn1004-3055.20240120.

[2] Liu, L., et al. (2023). "Bio-based phytic acid/alginate composites as efficient flame retardants for thermoplastic polyurethane." ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 11(2), 876-885.