与金属材料和无机非金属材料相比，塑料材料具有成本低、生产便捷、材料种类多等优势，在多个领域广泛应用。近些年，随着电气设备向轻量化、微型化、精细化方向发展，阻燃塑料在电气领域的应用成为当前热点[1-3]。但部分塑料材料中含有较多的碳、氢等元素，耐热性能有待提升，在发生火灾时易发生二次燃烧。通常利用材料改性的方式改进塑料材料的阻燃性能，进一步扩大塑料材料在电气设备领域的应用范围[4-5]。本研究以阻燃塑料为研究对象，选择目前应用较广泛的阻燃塑料，如聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚氨酯(PU)、聚碳酸酯(PC)等材料为例，论述不同种类的阻燃塑料在电气设备领域的应用现状和发展趋势，为未来新型阻燃塑料的研发提供参考。1阻燃塑料概述阻燃塑料具有良好的阻燃性能、耐化学性能、力学性能、绝缘性能，且具有成本低廉、密度低等优势，能够满足不同的生产加工需要，降低材料使用成本[6]。常见的阻燃塑料包括PVC、PE、PP等[7-8]，其中PVC阻燃性能较好，能够直接作为阻燃材料被应用，而PE、PP等需要加入阻燃剂提升阻燃耐热性能。复合型阻燃塑料的阻燃性能、力学性能和电绝缘性能均有所提升，相比纯阻燃塑料具有更广泛的应用潜力。常见的应用于塑料的阻燃剂包括溴系阻燃剂、磷-氮系阻燃剂、磷系阻燃剂、氢氧化铝(ATH)和氢氧化镁(MH)阻燃剂等[9]。2阻燃塑料在电气设备的应用现状2.1PVC塑料阻燃PVC管是应用较广泛的新型合成材料，具有良好的耐热阻燃性能、较高的绝缘性、高弹性等，因此在建筑电气、电气自动化系统、配电系统领域具有较广泛应用[10]。随着应用场景的要求不断提高，为提升PVC的阻燃性能和力学性能，研究者们对PVC阻燃剂的种类、添加量和加工工艺进行大量研究[11]。PVC阻燃塑料可以分为硬质阻燃型和半硬质阻燃型[12]。为提升硬质阻燃型PVC的阻燃性能。林雅莲[13]以建筑工程施工电气管道的硬质PVC塑料为研究对象，采用有机蒙脱土、MH、聚磷酸铵等阻燃剂对PVC塑料进行改性。结果表明：MH改性的PVC塑料阻燃性能最佳，MH含量为30份时，其极限氧指数(LOI)为28%，进一步说明MH改性PVC在燃烧时发生吸热、脱水反应，进而起阻燃作用，且改性PVC的力学性能得到提升。孙英娟等[14]探究微胶囊红磷(MRP)、硼酸锌(ZnBO3)、ATH和MH在不同配比下形成新型阻燃剂，改性软质PVC。结果表明：当PVC/MRP/ZnBO3/ATH/MH质量比为100∶3∶1∶20∶20，PVC复合材料具有良好的阻燃性能，其LOI值可达35.9%，且烟释放量更少、热稳定性更强，为建筑电气管线应用提供参考。PVC复合材料能够适用于80 ℃以下、电压600 V以下的场景，是电气自动控制系统中常用的材料[15]。马万里等[16]利用有机硅树脂改性PVC塑料，提升材料的阻燃性能和防腐蚀性能，并将改性材料运用于电缆领域。结果表明：改性PVC塑料的力学性能较好，拉伸强度在15 MPa以上，LOI值最高达到27.3%，说明改性后材料的阻燃性能明显提升，且经过一段时间的老化腐蚀，阻燃性能仍然较稳定。王健等[17]以绝缘软电线用阻燃PVC为研究对象，测定不同老化条件下阻燃PVC塑料的力学性能和耐热性能。结果表明：老化时间为80 d时，阻燃PVC塑料的断裂伸长率下降至61.78%，且热稳定性下降，导致电线出现漏电、短路电气火灾等危险。该研究为阻燃型PVC的应用环境提供参考。尚松川等[18]以电气设备用电缆用PVC为研究对象，以锌镁铝类水滑石(LDHs)和Sb2O3-LDHs为改性剂，通过熔融共混制成PVC复合材料，测定PVC复合材料阻燃及力学性能。结果表明：2种改性材料均能够提升PVC的阻燃性能，且达到UL 94 V-0级别，且LOI值最高达到33.4%，力学性能略有提升。该方法制成的阻燃PVC塑料具有良好的应用潜力。2.2PE塑料PE具有化学稳定性好、成本低和密度低等优势，被运用于电气设备领域，但由于PE的耐热性能较差，在火灾环境下容易散发热量，导致火势蔓延，因此限制PE的使用范围。通常利用卤系阻燃剂、磷系阻燃剂、金属氢氧化物阻燃剂等材料改性PE性能[19-21]。为提升PE的阻燃性能，目前学者开展许多针对PE塑料改性剂的种类、改性条件的研究。蒋晓娟等[22]对PE塑料在高压电气设备中电缆的应用进行研究，选择十溴二苯乙烷(DODPE)、Sb2O3、ATH、MH、红磷母料等阻燃添加剂为改性剂，并测定改性后PE塑料的电气性能。结果表明：MH改性的PE塑料在浸水条件下电气性能最稳定，而红磷母料改性的阻燃PE浸水后电气性能明显下降，为阻燃PE塑料的应用环境提供参考。刘莹等[23]以六羟甲基三聚氰胺(HMM)和苯膦酰二氯(PPD)为原料制成阻燃剂，与PE塑料进行反应，并测定不同阻燃剂含量下PE复合材料的阻燃性能。结果表明：当阻燃剂含磷量为6.22%，PE复合材料的LOI值达到29.3%，具有良好力学性能，最大冲击强度为16.9 kJ/m2。该研究为PE材料阻燃剂的选择提供方向。周城等[24]对电气设备中电线电缆用PE材料进行研究，并选择改性 MH为阻燃剂对PE进行阻燃改性，测定阻燃性能和电性能。结果表明：阻燃剂含量增加，PE复合材料的炭层更致密，阻燃性能更好，但材料的电性能和力学性能略有下降，当添加改性剂含量为70份，PE复合材料综合性能最好。PE也是电话、报警器等电子设备外壳的重要材料，提升电子设备外壳的阻燃性能和抗静电性能能够有效降低使用风险。邵水源等[25]对电气设备外壳的PE进行阻燃性能、抗静电性能研究，并选择十溴联苯醚(DBDPO)和Sb2O3为阻燃剂。结果表明：PE复合材料的LOI值为27.5%，体积电阻率为1.58×1010 Ω‧cm，表面电阻率为2.0×109 Ω，明显提升PE的性能，能够满足电子设备的使用要求。2.3PP塑料PP具有良好的电绝缘性能、抗撕裂性能和低成本性，目前在开关、电气盒子、电缆夹、电视等电气设备中应用，但由于PP的LOI值仅有18%，在燃烧时容易出现熔滴现象，因此对PP进行阻燃改性具有重要的应用价值[26-27]。目前关于PP阻燃性能改性的研究较多，主要集中于阻燃剂种类、改性条件等方面。史彦山等[28]以PP为原材料，采用无卤P—N系膨胀型阻燃剂对PP进行改性。结果表明：PP复合材料在受火时间6 min时烟密度较低，且达到UL94 V-0级。蔡浩等[29]采用双螺环席夫碱为原材料制成季戊四醇磷酸酯(SPDEB)阻燃剂，并对PP进行改性。结果表明：PP复合材料的LOI值最高达到35%，通过UL94 V-0级，且相比纯PP，在燃烧时形成致密的炭层，能够起阻燃作用。林志丹等[30]选用用十溴二苯乙烷/Sb2O3、氮磷阻燃剂AP752/季戊四醇和PP熔融共混，并测定PP复合材料的阻燃性能、力学性能和绝缘性能。结果表明：改性后PP复合材料的通过UL94 V-0级，LOI值为30%，电气强度为57.14 kV/mm。该PP阻燃塑料具有环保性，符合未来的发展趋势。杨凯[31]对电气设备用PP薄膜阻燃性能进行研究，采用磷-氮-溴阻燃体系与聚烯烃弹性体(POE)作为阻燃剂。结果表明：最佳的改性剂配比为POE∶磷-氮-溴阻燃体系为1∶1，当阻燃剂质量为9%，PP阻燃塑料的阻燃等级为UL94 VTM-0级，能够满足电子电气领域的应用要求。2.4其他阻燃塑料阻燃塑料在电子设备封装领域应用十分广泛，其中包括ABS、PU、PC等[32]。王亮等[33]对电子电气设备领域使用较广泛的ABS进行改性，添加硅灰石并通过熔融共混制成阻燃ABS复合材料，并测定材料的力学性能、尺寸稳定性和阻燃性能。结果表明：当硅灰石的质量分数为10%，ABS复合材料的阻燃等级达到UL 94 V-0级，且尺寸稳定性和力学性能较好。在PU塑料的阻燃性能改性研究方面，薛竹林等[34]采用含磷多元醇(DMMP-EG)、聚磷酸铵(APP)作为复合阻燃剂，对PU塑料进行阻燃改性。结果表明：DMMP-EG和APP的比例为1∶2时，PU复合材料的力学性能明显提升，冲击强度提高101.53%，且LOI值高达21.7%。崔锦峰等[35]以侧链含磷的端羟基饱和聚酯与甲苯二异氰酸酯(TDI)反应合成含磷阻燃热塑性PU弹性体，并测定材料的力学性能、阻燃性能。结果表明：随着改性剂含磷量的提升，阻燃热塑性PU材料的LOI值增加，最大LOI值为30%；同时改性剂对阻燃热塑性PU材料的力学性能影响较小。3阻燃塑料在电气设备的发展趋势在电气设备领域使用阻燃塑料能够满足轻量化、便捷化的发展趋势，且含卤阻燃剂高效提升塑料的阻燃性能，在阻燃塑料发展早期广泛应用。但卤素阻燃剂易释放有毒气体和腐蚀性气体，因此在环保要求不断提升的背景下，阻燃塑料向环保、无毒化、无害化的方向转型，制备低毒性、低烟量、不含卤素的阻燃塑料成为研究热点[36-37]。为研究环保且性能优异的阻燃塑料，许多研究者们积极探索。黄新冰等[38]以三甲硅基甲基膦酸二甲酯、氰尿酸三聚氰胺、红磷、ATH为原料，合成1种新型复合环保阻燃剂，并与HDPE通过熔融混炼，制备HDPE复合阻燃塑料，并测定材料的阻燃性能和力学性能。结果表明：当阻燃剂质量分数为30%，HDPE复合阻燃塑料的LOI值可以达到33.4%，而未改性HDPE阻燃塑料的LOI值只有17.5%，说明经过改性后HDPE塑料的阻燃性能明显提升。刘立华等[39]研究MH粉体改性PP环保阻燃塑料的性能，阻燃剂与PP塑料的相容性较好，且对塑料的力学性能影响较小，改性PP阻燃级别达到UL 94 V-1级。林涛等[40]综述磷系、氮系、膨胀型和无机填料型阻燃剂，改性环保聚酰胺阻燃塑料的性能。经过磷系、膨胀型阻燃剂改性后的环保聚酰胺阻燃塑料，通过产生不燃气体，稀释易燃气体从而起阻燃作用；而氮系、无机填料型阻燃剂改性后环保聚酰胺，形成致密的不燃隔热层，进而抑制燃烧。阻燃剂在不同塑料材料上产生的阻燃效果不同。随着电气设备用阻燃塑料向柔性化、可降解化方向发展，需要开发更环保、高效的阻燃剂，避免添加过量的阻燃剂对塑料材料的其他性能产生负面影响。阻燃性能优越、电绝缘性能良好、易于加工、更环保的阻燃塑料将在电气领域具有更大的应用空间[41-42]。4结论塑料材料具有良好的耐化学性能、力学性能和绝缘性能，且加工便捷、成本低、材料密度低，在电气设备领域具有良好的应用。通过添加阻燃改性剂的方式，可以提升塑料材料的阻燃性能。未来，随着环保要求和电气设备要求的不断提升，阻燃塑料需要向环保化、低毒性和可降解回收方向发展，新型阻燃塑料材料和高效、环保型阻燃剂将成为未来的研究热点。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.027.F001