聚氯乙烯(PVC)具有较好的绝缘性能、力学性能和加工性能等，被广泛用于电线电缆的绝缘材料和护套材料[1-3]。但PVC的硬度较大，为制备电线电缆用PVC软质塑料，通常在PVC中加入增塑剂提高其可塑性，保证PVC塑料具有一定的柔软性[4]。邻苯二甲酸-2-乙基己酯(DOP)是一种PVC塑料用增塑剂，虽然增塑剂能够提高PVC的柔软性，但增塑剂的加入会降低PVC的燃烧性能[5-6]。而电线电缆一旦燃烧，将释放有毒烟雾，威胁财产和人身安全[7-8]。因此，在增加PVC塑性的同时提升PVC燃烧性很重要[9-10]。目前，为了保证电线电缆用PVC同时具备柔软性和较高阻燃性，常用方法是向PVC配方中加入有机阻燃和无机阻燃剂[11-13]。氯化石蜡及磷酸酯类阻燃剂是PVC主要的有机阻燃剂；三氧化二锑(Sb2O3)和氢氧化镁(Mg(OH)2)是PVC主要的无机阻燃剂[14-16]。夏锐等[11]向PVC电线电缆料中加入阻燃增塑剂磷酸三（2-氯丙基）酯(TCPP)和纳米Sb2O3，并研究二者对PVC复合材料性能的影响。结果表明：纳米Sb2O3与TCPP协同作用较好，显著提高PVC的阻燃性能，但体系的力学性能和体积电学性能有所降低。马砺等[16]研究了阻燃剂Sb2O3和羟基锡酸锌(ZHS)对PVC复合材料阻燃抑烟性能的影响。结果表明：单独掺入Sb2O3抑烟效果不显著；当Sb2O3/ZHS总掺量为12%，Sb2O3与ZHS质量比为1∶2时，PVC复合材料极限氧指数(LOI)达30.8%，烟释放速率峰值与总烟释放量分别下降了46.7%和10.4%。硼酸锌(ZB)是一种环保型无机阻燃剂，不仅抑烟效果好且在树脂中分散性好，被广泛作为塑料、橡胶、涂料等领域的阻燃剂[17-18]。本实验加入适量Sb2O3作为阻燃剂，同时加入ZB进一步提高PVC塑料的阻燃性能，制备了电线电缆用PVC复合材料，并研究其阻燃性能和力学性能。1实验部分1.1主要原料聚氯乙烯(PVC)，SG-1，天津诚远化工有限公司；三氧化二锑(Sb2O3)，纯度98%，成都中鹏化工有限公司；邻苯二甲酸二辛酯(DOP)，纯度≥99.9%，上海昆瑞化工有限公司；钙锌稳定剂，纯度≥98%，河北协同化学有限公司；硬脂酸，纯度≥99%，南昌晟兴化工有限公司；硼酸锌(ZB)，纯度≥99%，山东博奥实业有限公司。1.2仪器与设备炼胶机，XK360，青岛环宇科技有限公司；平板硫化机，QLB-D，上海迪胜橡塑机械有限公司；烟密度测定仪，JCY-2、氧指数测定仪(LOI)，JF-3，绍兴市容纳测控技术有限公司；UL94水平垂直燃烧测试仪，PX03001，江苏费尔曼安全科技有限公司；拉力试验机，HT-140SC-10，广东宏拓仪器科技有限公司；卤酸气体释出测定仪，ZY6192-ZN，中诺质检仪器设备有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，XL-30，荷兰菲利浦公司。1.3样品制备表1为电线电缆用PVC复合材料的配方。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.013.T001表1电线电缆用PVC复合材料的配方Tab.1Formula of PVC composites for wires and cables试样编号PVCSb2O3DOP钙锌稳定性硬脂酸ZB1#751203102#731203123#711203144#691203165#67120318%%按表1配方分别称取各原料，在高速混料机中混合20 min。将混合好的物料倒入165 ℃的炼胶机中混炼10 min。将混炼好的混合物加入170 ℃的平板硫化机上热压，压力15 MPa保持8 min。压制成型24 h后，裁剪测试所需的标准样条。1.4性能测试与表征垂直燃烧测试：按GB/T 2408—2021进行测试。LOI测试：按GB/T 2408—2021进行测试，样品尺寸100 mm×6 mm×2 mm。烟密度测试：按GB/T 8627—2007进行测试，样品尺寸25 mm×25 mm×2 mm。HCl释放量测试：按GB/T 17650.1—2021进行测试，试样切成15~25 mm的小段。拉伸性能测试：按GB/T 1040.1—2018进行测试，拉伸速率为50 mm/min。2结果与讨论2.1阻燃性能表2为电线电缆用PVC复合材料的燃烧性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.013.T002表2电线电缆用PVC复合材料的燃烧性能Tab.2Combustion performance of PVC composites for wires and cables试样编号ZB/%LOI/%垂直燃烧等级烟密度HCl释放量/（mg·g-1）1#032.2FV-1119762#238.6FV-098683#439.2FV-084594#640.1FV-072415#840.2FV-07039从表2可以看出，ZB掺量在0~6%之间时，随着ZB掺量的增加，PVC复合材料的LOI逐渐增大；垂直燃烧等级由FV-1级达到FV-0级；烟密度值逐渐降低。当ZB掺量达到6%时，PVC复合材料的烟密度只有72，低于JB/T 10707—2007要求（不超过250）。随着ZB掺量的增加，PVC复合材料的HCl释放量逐渐降低，说明PVC的阻燃性逐渐提高。当ZB掺量从6%增至8%时，PVC复合材料的阻燃性能提高不显著。因为，一方面，ZB分散性好，能够均匀分散到PVC树脂基体中，在燃烧过程中，ZB充分吸收大量热量，抑制PVC温度上升；另一方面，ZB受热时发生脱水反应，同时膨胀形成玻璃态物质，可以促进成炭，在基体表面形成保护层，可以隔绝氧气和热量进入基体，起阻燃和抑烟效果[19-20]。ZB的加入能够提高PVC复合材料的阻燃性能。但是，ZB掺量过大时（超过6%），ZB出现部分聚集，不能充分发挥阻燃抑烟和吸收HCl的效果[21-22]。图1为PVC复合材料的热释放速率(HRR)曲线。从图1可以看出，1#试样~5#试样的HRR曲线在0~50 s过程中缓慢上升，在50~200 s过程中急速增长，在200~250 s之间曲线快速下降，在250 s后HRR缓慢降低，说明PVC复合材料燃烧时剧烈的热分解主要发生在50~250 s之间。因为PVC复合材料的受热初期，其表面和内部温度开始不断上升，PVC主要发生熔融反应，随后PVC基体树脂发生分解，并且分解速率逐渐加快，随着时间延长，部分基体分解且基体内阻燃剂发挥阻燃作用，PVC的分解速率快速下降。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.013.F001图1PVC复合材料的HRR曲线Fig.1HRR curves of PVC composites对于1#试样~5#试样，随着ZB掺量的增加，同一时段PVC复合材料的HRR值逐渐降低，尤其是200 s时，1#试样~5#试样的PHRR值分别为39.38、37.48、34.50、32.53和30.83 kW/m2。与1#试样相比，2#试样~5#试样的PHRR值分别降低4.8%、12.4%、17.4%和21.7%，说明ZB的加入提升了PVC复合材料的阻燃性能。因为，一方面，ZB分散到PVC树脂基体中，在燃烧过程中，ZB充分吸收大量热量，抑制PVC温度上升；另一方面，ZB受热时发生脱水反应，同时膨胀形成玻璃态物质，可以促进成炭，在基体表面形成保护层，可以隔绝氧气和热量进入基体，对PVC复合材料起阻燃和抑制热分解作用[20, 23]。图2为PVC复合材料的总热释放量(THR)曲线。从图2可以看出，随着时间延长，PVC复合材料的THR值逐渐增大，并且0~200 s之间，THR增长迅速；1 200 s时，1#试样~5#试样的THR分别增至18.31、17.41、12.22、11.63和11.12 MJ/m2。对于1#试样~5#试样，随着ZB掺量的增加，同一时刻THR值逐渐降低。与1#试样相比，1 200 s时，2#试样~5#试样的THR值分别降低4.9%、33.3%、36.5%和39.3%。说明ZB的加入，提升了PVC复合材料的阻燃性，并且ZB掺量为2%，试样的THR降低幅度不大；ZB掺量为4%~8%时，试样的THR降低显著。因为ZB掺量较低时（2#试样），分散到PVC基体中的ZB无法完全包裹PVC，ZB的阻燃和抑制热量释放的效果有限[24-25]。随着ZB掺量继续增加，PVC被充分包裹，ZB的阻燃和抑制热量释放的效果逐渐提高。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.013.F002图2PVC复合材料THR曲线Fig.2THR curves of PVC composites对于电线电缆用PVC材料，600 s内总烟释放量(TSP600s)是评价材料阻燃性能的重要指标。图3为PVC复合材料TSP曲线。从图3可以看出，在600 s内，1#试样的TSP600s最大，为344.33 m2，说明PVC在燃烧过程中产烟量较多。随着ZB掺量的增加，试样的TSP600s逐渐降低，2#试样~5#试样的TSP600s分别为213.12、167.11、104.42和92.30 m2，比1#试样的TSP600s分别降低了38.1%、51.5%、69.7%和73.2%。因为ZB分散到PVC树脂基体中，充分吸收热量，抑制PVC分解释放烟；ZB受热时会发生脱水反应促进成炭，起阻燃和抑制烟效果。2#试样~4#试样的TSP600s降低较快，而4#试样~5#试样的TSP600s降低幅度变慢。因为随着ZB的加入，PVC材料的阻燃性能得到提升，继续增加ZB，ZB出现部分聚集，阻燃抑烟效果不能得到充分发挥[24-25]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.013.F003图3PVC复合材料TSP曲线Fig.3TSP curves of PVC composites2.2力学性能表3为电线电缆用PVC复合材料的力学性能。从表3可以看出，与1#试样（未加入ZB）相比，ZB掺量为2%、4%、6%和8%时，PVC复合材料的拉伸强度分别下降3.4%、6.9%、10.8%和27.6%，断裂伸长率分别下降3.9%、10.1%、12.7%、23.2%，说明PVC复合材料的力学性能随着ZB的加入逐渐降低。ZB掺量不超过6%时，PVC复合材料的力学性能降低幅度不大；而ZB掺量达到8%时，PVC复合材料的力学性能降低幅度较大。4#试样的拉伸性能能够满足GB/T 8815—2008标准中对PVC电缆材料的要求，而5#试样的拉伸性能不能满足GB/T 8815—2008中大部分PVC电缆材料的要求，因此ZB掺量不宜超过6%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.013.T003表3电线电缆用PVC复合材料力学性能Tab.3Mechanical property of PVC composites for wires and cables试样编号ZB/%拉伸强度/MPa断裂伸长率/%1#020.32282#219.62193#418.92054#618.11995#814.71753结论随着ZB掺量的增加，提高了PVC复合材料的阻燃性能，对复合材料的抑烟效果较好。随着ZB掺量的增加，PVC复合材料的力学性能，包括拉伸强度和断裂伸长率均降低，但是ZB掺量不超过6%时，PVC复合材料的力学性能降低程度不大。当ZB掺量为6%时，可以制备出综合性能优异的PVC复合材料，与未加ZB相比，PVC复合材料的阻燃性能提高明显，LOI达到40.1%，垂直燃烧等级达到FV-0级，烟密度降为72，HCl释放量降为41 mg/g，PHRR峰值降低17.4%，THR降低36.5%，TSP600s降低69.7%；拉伸强度下降10.8%，断裂伸长率下降12.7%。