随着室内设计要求的提高，人群密集的场所中电缆需要具有绝缘性和阻燃性，以降低火灾风险，高阻燃低烟无卤环保型电缆成为我国电缆的发展重点[1]。聚氯乙烯(PVC)具有较好的拉伸性能、优异的柔韧性和低廉的成本，在电线电缆行业中占有重要地位，但PVC也存在热稳定性差、加工难度大等缺点[2-3]。尽管PVC材料具有良好的自熄性，但增塑改性的软质PVC电缆料通常易燃。因此，需要改善软质PVC的热稳定性和阻燃性，使其符合电缆料的加工要求。实际应用过程中，单独利用一种阻燃剂很难达到目标阻燃效果，需要将各种阻燃剂及其他添加剂复配使用，产生协同效应，提高材料综合性能[4-5]。金属氢氧化物阻燃剂是目前软质PVC阻燃剂中较理想的环保阻燃剂，不仅高效阻燃，且具有抑烟降温、安全无毒、不产生腐蚀性废气等优点[6]。但无机阻燃剂的加工过程添加量过大，导致分散性较差，严重影响软质PVC电缆料的拉伸性能[7]。因此，尽量减少阻燃剂的用量，并与其他添加剂共同作用，使软质PVC电缆的阻燃性能、热稳定性与拉伸性能最佳。本实验选用氢氧化铝(ATH)与氢氧化镁(MDH)复配阻燃剂、ZB协效阻燃剂、钙锌复合热稳定剂(Ca-Zn)等添加材料，通过熔融共混法对软质PVC进行改性，制备PVC/ATH/MDH、PVC/ATH/MDH/ZB及PVC/ATH/MDH/ZB/Ca-Zn等软质PVC复合材料。分析ATH/MDH、ZB、Ca-Zn的添加对软质PVC复合材料的阻燃性能、热稳定性、拉伸性能的影响，为制备综合性能优良的电缆用软质PVC材料提供依据。1实验部分1.1主要原料聚氯乙烯(PVC)，SG-3，韩华化学（宁波）有限公司；邻苯二甲酸二辛酯(DOP)，工业级，山东济创化工有限公司；氢氧化镁阻燃剂(MDH)，D50≤3.00 μm，潍坊海利隆镁业有限公司；氢氧化铝阻燃剂(ATH)，D50≤5.00 μm，淄博韩锦新材料科技有限公司；碳酸钙(CaCO3)，工业级，唐山钙邦新材料集团有限公司；硼酸锌(ZB)，工业级，山东九重化工有限公司；钙锌复合热稳定剂(Ca-Zn)，粉状，山东宝利莱塑料助剂有限公司。1.2仪器与设备开放式双辊炼胶机，SK-400，大连华韩橡塑机械有限公司；压力成型机，XLB-D1350×700，湖州东方机械有限公司；氧指数测定仪(LOI)，HC-2，南京江宁分析仪器有限公司；烟密度测试箱(SDR)，PX-01-002，江苏费尔曼安全科技有限公司；电子万能试验机，WDT-W-50D，承德市精密试验机有限公司；锥形量热仪，PX-07-007，江苏费尔曼安全科技有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，S-3400N，日本日立公司；热重分析仪(TG)，TGA-50/50H，日本岛津公司。1.3样品制备表1为不同软质PVC体系的复合材料配方。按表1配方称量各种样品，获得4种软质PVC体系的复合材料。将样品置于高速混合机中搅拌10 min，混合均匀放入双辊开炼机中混炼，前辊温度为(160±5) ℃，后辊温度为(155±5) ℃，混炼6 min下片。样片置于压力成型机上压制10 min成片，所制样片在常温下放置24 h，在万能制样机上制备样条。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.009.T001表1不同软质PVC电缆料配方Tab.1Formula of different flexible PVC cable materials样品PVCDOPCaCO3ATH/MDHZBCa-Zn软质PVC1004010000PVC/ATH/MDH10040102000PVC/ATH/MDH/ZB10040102050PVC/ATH/MDH/ZB/Ca-Zn10040102056份phr1.4性能测试与表征LOI测试：按GB/T 2406.2—2009进行测试，样条尺寸为100 mm×6.5 mm×3 mm。SDR测试：利用烟密度测试箱，测试软质PVC电缆料在规定条件下发烟量，按GB/T 8627—2007进行测试。锥形量热仪测试：按GB/T 16172—2007进行测试，试样尺寸为100 mm×100 mm×6 mm。拉伸性能测试：按GB/T 1040.1—2018进行测试，制备哑铃型标准样条，拉伸速度为50 mm/min。TG分析：N2气氛下，以10 ℃/min的升温速率从40 ℃升温至750 ℃。SEM分析：对不同软质PVC电缆料的残炭喷金处理，观察残炭形貌。2结果与讨论2.1LOI分析图1为纯软质PVC及PVC/ATH/MDH、PVC/ATH/MDH/ZB、PVC/ATH/MDH/ZB/Ca-Zn复合材料的LOI值。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.009.F001图1纯软质PVC及三种软质PVC复合材料的LOI值Fig.1LOI values of pure flexible PVC and three kinds of flexible PVC composites从图1可以看出，纯软质PVC的LOI值为25.5%，属于可燃材料。当添加阻燃剂及热稳定剂，软质PVC的LOI值明显增加，阻燃性能得到有效改善。PVC/ATH/MDH、PVC/ATH/MDH/ZB、PVC/ATH/MDH/ZB/Ca-Zn的LOI值与软质PVC相比，分别增加16.08%、26.67%、34.90%。PVC/ATH/MDH/ZB/Ca-Zn的LOI值最大，其阻燃效果最佳。这是由于ATH/MDH失去结晶水吸收热量，抑制软质PVC温度上升，阻止燃烧反应进行，从而提高软质PVC的阻燃性能。而ZB的加入可以较好地分散于软质PVC基体，还可以与ATH/MDH产生协效阻燃作用，隔绝氧气渗入，产生较好的阻燃效果，提高PVC/ATH/MDH/ZB的LOI值。而Ca-Zn的加入使PVC/ATH/MDH/ZB/Ca-Zn中软质PVC的浓度相对下降，阻燃剂浓度上升，阻燃效果提升。2.2SDR分析图2为纯软质PVC及PVC/ATH/MDH、PVC/ATH/MDH/ZB、PVC/ATH/MDH/ZB/Ca-Zn复合材料的SDR结果。从图2可以看出，纯软质PVC的SDR为94.11，随着复配阻燃剂、协效阻燃剂及热稳定剂的添加，三种软质PVC复合材料的SDR均下降，并达到电缆料的SDR标准(SDR≤75)。相比纯软质PVC，PVC/ATH/MDH、PVC/ATH/MDH/ZB、PVC/ATH/MDH/ZB/Ca-Zn的SDR分别下降20.82%、25.34%、29.50%。PVC/ATH/MDH/ZB/Ca-Zn的下降幅度最明显，抑烟效果最佳。这是因为ATH/MDH的发烟性较小，受热失水形成表面积较大的氧化层，吸收烟和可燃物。ZB促进成炭从而隔绝氧气渗入，同时阻止内部可燃烟气向外挥发。而Ca-Zn具有高耐热、高绝缘的特性。三种助剂发挥协同作用，对纯软质PVC的抑烟效果更好，使PVC/ATH/MDH/ZB/Ca-Zn阻燃性能更优良。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.009.F002图2纯软质PVC及三种软质PVC复合材料的SDRFig.2SDR of pure flexible PVC and three kinds of flexible PVC composites2.3锥形量热分析2.3.1热释放量分析图3为软质PVC及不同软质PVC复合材料的热释放速率(HRR)和总热释放量(THR)随时间的变化曲线。从图3a可以看出，纯软质PVC材料的热释放速率峰值(pHRR)最高，为297.38 kW/m2，且到达pHRR的时间较短。而加入ATH/MDH、ZB、Ca-Zn，三种复合材料达到pHRR的时间增加，pHRR显著降低。与纯软质PVC相比，PVC/ATH/MDH、PVC/ATH/MDH/ZB、PVC/ATH/MDH/ZB/Ca-Zn的pHRR分别降低39.30%、41.90%、45.80%。从图3b可以看出，三种软质PVC复合材料的THR显著降低，且PVC/ATH/MDH/ZB/Ca-Zn的THR降低最明显，说明PVC/ATH/MDH/ZB/Ca-Zn的阻燃效果最佳。图3纯软质PVC及三种软质PVC复合材料的HRR和THR曲线Fig.3HRR and THR curves of pure flexible PVC and three kinds of flexible PVC composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.009.F3a1（a）HRR10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.009.F3a2（b）THR2.3.2烟气释放量分析图4为纯软质PVC及三种软质PVC复合材料烟气释放速率(SPR)随时间的变化曲线。从图4可以看出，相较纯PVC材料，三种软质PVC复合材料的SPR显著下降，且变化趋势与HRR曲线一致。纯软质PVC材料在76 s和170 s处出现两个SPR峰值，为0.181 m2/s。PVC/ATH/MDH、PVC/ATH/MDH/ZB、PVC/ATH/MDH/ZB/Ca-Zn分别在108、119、130 s达到SPR峰值(0.113、0.105、0.097 m2/s)。说明三种软质PVC阻燃体系均可以有效降低软质PVC材料的SPR，三种阻燃体系均具有抑烟作用。另外，PVC/ATH/MDH/ZB/Ca-Zn的SPR最低，说明ATH/MDH、ZB和Ca-Zn表现良好的阻燃抑烟协同效应。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.009.F004图4纯软质PVC和三种软质PVC复合材料的SPR曲线Fig.4SPR curves of pure flexible PVC and three kinds of flexible PVC composites2.4拉伸性能分析图5为纯软质PVC及PVC/ATH/MDH、PVC/ATH/MDH/ZB、PVC/ATH/MDH/ZB/Ca-Zn三种复合材料拉伸性能。从图5可以看出，PVC/ATH/MDH的拉伸强度和断裂伸长率分别降至19.85 MPa和220.36%，下降幅度最大。PVC/ATH/MDH/ZB的拉伸强度和断裂伸长率下降幅度略微减小，但拉伸强度和断裂伸长率均高于PVC/ATH/MDH。而随着Ca-Zn的添加，软质PVC复合材料的拉伸性能得到提高。与纯软质PVC相比，PVC/ATH/MDH/ZB/Ca-Zn的拉伸强度和断裂伸长率分别提高1.78%和2.48%。Ca-Zn可以与软质PVC中填充剂CaCO3发生耦合作用，既提高复合材料刚度，也提高其韧性，PVC/ATH/MDH/ZB/Ca-Zn的拉伸强度及断裂伸长率均高于其他复合材料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.009.F005图5纯软质PVC和三种软质PVC复合材料的拉伸性能曲线Fig.5Mechanical properties curves of pure flexible PVC and three kinds of flexible PVC composites2.5TG分析图6为纯软质PVC以及三种软质PVC复合电缆料的TG曲线。从图6可以看出，当加入ATH/MDH、ZB和Ca-Zn，提高软质PVC材料的起始分解温度。相比纯软质PVC，PVC/ATH/MDH、PVC/ATH/MDH/ZB、PVC/ATH/MDH/ZB/Ca-Zn复合材料的失重率均减小，表明阻燃剂与热稳定剂的加入可以促进骨架结构交联，增强复合材料的阻燃性能和热稳定性。PVC/ATH/MDH/ZB/Ca-Zn复合电缆料在410 ℃后的残炭率高于其他未添加Ca-Zn的复合材料。因此，说明Ca-Zn能够提升软质PVC的热稳定性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.009.F006图6纯软质PVC和三种软质PVC复合材料的TG曲线Fig.6TG curves of pure flexible PVC and three kinds of flexible PVC composites2.6SEM分析图7为纯软质PVC、PVC/ATH/MDH、PVC/ATH/MDH/ZB和PVC/ATH/MDH/ZB/Ca-Zn残炭的SEM照片。从图7可以看出，纯软质PVC残炭的脆性和空隙较大。添加ATH/MDH的软质PVC复合材料的炭层更致密，可以隔绝空气，抑制燃烧材料温度上升，提高软质PVC复合材料的阻燃性能。而添加ZB和Ca-Zn的软质PVC复合材料的残炭表面空隙减小，炭层更致密，该SEM结果与三种软质PVC复合材料的阻燃性能分析结果一致。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.009.F007图7纯软质PVC和三种软质PVC复合材料残炭的SEM照片Fig.7SEM images of carbon residue of pure flexible PVC and three kinds of flexible PVC composites3结论（1）相较纯软质PVC，软质PVC复合材料的LOI值增加，SDR下降，到达HRR峰值的时间延长，SPR峰值以及THR降低，阻燃性能提高。PVC/ATH/MDH/ZB/Ca-Zn的阻燃性能更好，与纯软质PVC相比，其LOI值增加34.90%，SDR下降29.50%，材料残炭具有较好的连续性和致密性。（2）相较纯软质PVC，PVC/ATH/MDH、PVC/ATH/MDH/ZB的拉伸强度和断裂伸长率下降，而PVC/ATH/MDH/ZB/Ca-Zn的拉伸强度和断裂伸长率均小幅度提升，分别提高1.78%和2.48%。Ca-Zn的添加降低软质PVC复合材料的失重率，提高残炭率，改善热稳定性。（3）添加ATH/MDH、ZB、Ca-Zn有效改善纯软质PVC的阻燃性能与热稳定性，但PVC/ATH/MDH/ZB/Ca-Zn的综合性能最佳，其阻燃耐热性能与拉伸性能达到最佳。