三聚氰胺氰尿酸盐(MCA)在阻燃聚乙烯电缆料中的应用与性能研究

PE作为一种热塑性树脂，因其性能优异，广泛应用于电线电缆的制作过程中。PE的极限氧指数仅有17.4 %左右，易燃烧，因此应用在某些需要阻燃性能的电线电缆中需要对其进行改性处理，使其变为阻燃材料。PE的阻燃改性通常会使用金属氢氧化物、含卤阻燃剂、膨胀型阻燃剂和磷系阻燃剂等。在电线电缆行业，通常以氢氧化镁（MH）作为主体阻燃剂，磷系阻燃剂红磷作为协效阻燃剂对PE进行改性处理。这种改性方式可以极大地提高PE的阻燃性能，但是该体系在UL 94标准中的V级燃烧测试中仍不能满足要求。

三聚氰胺氰尿酸盐(MCA)是一种氮系膨胀型阻燃剂，具有使用经济、高效、优异的电性能和力学性能、不变色、低烟、低腐蚀性。同时它低毒，对使用者安全，与环境相容性好，良好的热稳定性，非常适宜材料的加工。磷、氮系阻燃剂复配已被证明在树脂的阻燃改性中阻燃性能优于单一使用磷系或氮系的阻燃性能。

本研究使用MCA等量代替MH作为主体阻燃剂，以红磷母粒作为协效阻燃剂，制备新型的阻燃PE电缆料，通过对成品阻燃PE电缆料进行力学性能、熔体流动速率（MFR）、体积电阻率、极限氧指数（LOI）、和V级垂直燃烧性能进行测试、分析，探究MCA对阻燃PE电缆料的力学性能、电性能、加工性能和阻燃性能的影响。

（一）实验部分

按照下表的质量百分比将PE⁃ULD、PE⁃LLD、相容剂、炭黑母粒、红磷母粒、MH和MCA称量后，放入橡塑混合装置中混合，装置各段温度为130 ℃、135 ℃、140 ℃，转速设置为60 r/min，混合至料温达到165 ℃后取出混炼好的胶团；将胶团放置在设定温度为165 ℃的炼胶（塑）机上继续混炼8 min，制成片材；将片材裁取后放置在模具中，放置在平板硫化机上压制成厚度为1 mm和3.2 mm的片材，平板硫化机温度为165 ℃，压力为15 MPa，压制过程为不加压预热10 min，加压成型5 min，加压冷却3 min，冷却后分别得到厚度为1 mm和3.2 mm阻燃PE片材（试样Z和Z⁃1至Z⁃10）；将厚度为1 mm的阻燃PE片材裁制成5型哑铃片和直径为100 mm的圆形试片，厚度为3.2 mm的阻燃PE片材裁制成为125 mm×13 mm×3.2 mm和125 mm×6.5 mm×3.2 mm的样条，放置在温度为（23±2） ℃，相对湿度为45 %~55 %的环境状态调节24h，供测试使用。

表1 阻燃PE电缆料各组分的质量百分比 ( % )

力学性能测试：使用微机控制电子万能试验机测试阻燃PE的拉伸强度和断裂伸长率，按GB/T 1040.3—2006规定进行，试样为5型哑铃片，拉伸速度为（250±50） mm/min。7个哑铃片为一组，单组取相近的5个数值求平均值，测试3组，取3组数据的平均值为最终结果。

LOI性能测试：使用氧指数测定仪测试阻燃PE的LOI，按GB/T 2406.2—2009规定进行，采用Ⅳ型试样（125 mm×6.5 mm×3.2 mm），点火方式采用方法B⁃扩散点燃法。每个样品测试3次，取3次数据平均值为最终结果。

MFR性能测试：将阻燃PE的片材裁剪成小颗粒状，使用熔体流动速率仪测试其熔体流动速率，按GB/T 3682.1—2018进行，温度为150 ℃，载荷为21.6 kg。每个样品测试3次，取3次数据平均值为最终结果。

体积电阻率测试：使用高阻计测试阻燃PE的体积电阻率，按GB/T 1410—2006规定进行，试片厚度为（1.0±0.1） mm，测试电压为1 000 V。每个样品测试3次，取3次数据平均值为最终结果。

垂直燃烧测试：使用水平垂直燃烧实验箱测试阻燃PE的垂直燃烧性能，按UL 94规定进行，试样为125 mm×13 mm×3.2 mm样条。每个样品测试3次，使用3次测试中垂直燃烧等级最差的一次作为最终结果。

（二）结果与讨论

力学性能是衡量电缆料的重要基础指标之一，由于国内暂时没有阻燃PE电缆料的技术标准，力学性能指标的参考数值多以线缆厂家企标规定为主，目前多数线缆厂家规定的指标为拉伸强度不低于14 MPa，断裂伸长率不低于400 %。

表2和图1为阻燃PE电缆料的力学性能，随着MCA含量的提高，阻燃PE电缆料的力学性能整体呈逐渐下降的趋势，MCA含量不超过3 %（质量分数，下同）时，随着MCA含量的提高，断裂伸长率下降更为明显，含量超过3 %后，断裂伸长率数值变化趋于稳定，拉伸强度仍有下降的趋势。MCA含量超过8 %后，阻燃PE电缆料的拉伸强度已接近临界值，MCA含量超过5 %后，阻燃PE电缆料的断裂伸长率接近临界值。

表2 阻燃PE电缆料的力学性能

图1 阻燃PE电缆料的力学性能

样品中添加的相容剂为接枝马来酸酐的PE（PE⁃g⁃MAH），该材料用于提高极性差距较大的树脂和无机阻燃剂间的相容性，PE是非极性聚合物，实验用改性MH的极性较强，所以PE⁃g⁃MAH能有效提高PE和MH的相容性。MCA与PE基材的相容性较差，材料共混使用会使PE复合材料内部结构的稳定性受到一定程度破坏，MCA为非极性阻燃剂，PE⁃g⁃MAH不能提高PE与MCA间的相容性，从而导致拉伸强度和断裂伸长率下降。

MFR性能主要影响材料的挤出加工性能，在电缆料挤出加工过程中，常用的挤出模具有3种，分别为挤压式、半挤压（半挤管）式和挤管式模具，其中挤压式模具常用于加工小规格线缆，受MFR性能影响较大，挤管式模具常用于加工大规格线缆，受MFR性能影响较小。从表3和图2可以看出，随着MCA含量的提高，阻燃PE电缆料的MFR数值逐渐减小并趋于稳定，MFR最高值与最低值差距较小。由于阻燃PE电缆料在加工过程中多采用挤管式模具，在实际挤出加工过程中影响并不明显，对于少数使用挤压式和半挤压（半挤管）式模具生产的线缆，MCA的使用会对阻燃PE电缆料加工性造成一定不良影响。

表3 阻燃PE电缆料MFR和体积电阻率性能

图2 阻燃PE电缆料MFR和体积电阻率性能

阻燃PE电缆料应用于不同电压等级的线缆，在超高压线缆中也有应用，因此体积电阻率是一项十分关键的指标，目前行业内要求阻燃PE电缆料体积电阻率不低于1×1012Ω·m。从表3和图2可以看出，MCA添加后，材料体积电阻率数值上有提升，但量级上没有变化，随着MCA替换MH量的提高，材料体积电阻率整体趋于稳定，说明MCA的添加对阻燃PE电缆料的体积电阻率有提升效果，但提升效果不明显。

LOI和垂直燃烧性能是考量材料阻燃性的重要指标，一般情况下，LOI数值越高，材料的阻燃性越好，但是LOI性能受多种因素影响，尤其是各种助剂的添加会导致LOI数值出现虚高的情况，因此需结合垂直燃烧性能对材料的阻燃性能进行判断。

表4为阻燃PE电缆料LOI性能和垂直燃烧等级，由表4可知，随着MCA替换MH添加量的提高，阻燃PE电缆料的LOI性能逐渐提高并趋于稳定，在MCA添加量为总质量的7 %时达到最大值30.5 %；MCA替换MH的量分别为总质量的4 %、6 %和9 %时，对应的阻燃PE电缆料可通过UL 94标准中规定的V⁃2、V⁃1和V⁃0垂直燃烧测试。综合LOI性能和垂直燃烧等级变化，可知随着MCA替换MH添加量的提高，材料的阻燃性能逐步提高。

表4 阻燃PE电缆料LOI性能和垂直燃烧等级

（三）结论

（1）MCA的使用对阻燃PE电缆料的力学性能影响较大；在该配方体系中，随着MCA含量的提高，拉伸强度和断裂伸长率都接近指标要求的临界值，在实际应用中应根据指标的要求调整MCA的含量，以确保材料性能符合相关规定；

（2）对比了在不添加MCA和添加不同量的MCA后阻燃PE电缆料的MFR和体积电阻率性能，添加MCA会使得材料的MFR数值变小，随着添加量的提高，数值逐渐变小并趋于稳定，实际生产过程中，需根据加工方式的不同，变更配方体系和决定MCA的添加量；使用MCA对材料体积电阻率有提升，但是这种提升较小，体积电阻率并不会随着MCA添加量的逐步提高而提高，而是维持动态平衡；

（3）MCA能有效提高阻燃PE材料的阻燃性能；MCA的添加对LOI数值的提升达到一定程度后趋于稳定，但是对于垂直燃烧等级的提升是一直存在的，在这些验证配方中，MCA的使用量越大，对应材料的阻燃性能越好。