无卤协同阻燃TPE电缆护套的研究进展

摘要

本文综述了无卤协同阻燃热塑性弹性体(TPE)电缆护套材料的研究现状与发展趋势。随着环保法规日益严格和火灾安全要求提高，传统卤系阻燃剂逐渐被无卤阻燃体系取代。文章系统分析了TPE基体的结构特性及其对阻燃性能的影响，详细探讨了无机阻燃剂、氮系阻燃剂和磷系阻燃剂的协同阻燃机理，重点介绍了近年来纳米复合阻燃体系和生物基阻燃剂的研究突破。最后，文章展望了无卤协同阻燃TPE电缆护套的未来发展方向，包括新型阻燃剂设计、多功能一体化以及环境友好型材料的开发。

关键词：无卤阻燃；热塑性弹性体；电缆护套；协同效应；环境友好材料

1引言

随着电力工业的快速发展和城市化进程加速，电缆作为电力传输的重要载体，其安全性能日益受到关注。电缆护套材料不仅需要具备良好的机械性能和耐候性，还必须满足严格的阻燃要求以防止火灾发生和蔓延。传统卤系阻燃剂虽然阻燃效率高，但在燃烧时会产生大量有毒烟雾和腐蚀性气体，对环境和人体健康造成严重危害。近年来，各国相继出台法规限制卤系阻燃剂的使用，推动了无卤阻燃技术的发展。

热塑性弹性体(TPE)因其优异的柔韧性、加工性能和可回收性，成为电缆护套的理想材料。然而，TPE本身易燃，必须通过添加阻燃剂来提高其阻燃性能。单一无卤阻燃剂往往难以达到理想的阻燃效果，而协同阻燃体系通过不同阻燃剂之间的相互作用，可以显著提高阻燃效率并保持材料其他性能。本文旨在系统梳理无卤协同阻燃TPE电缆护套材料的研究进展，为未来开发高性能环保型电缆护套提供参考。

图1 热塑性弹性体

2 TPE基体的结构与性能特点

热塑性弹性体(TPE)是一类兼具橡胶弹性和塑料加工性能的高分子材料，其分子结构通常由硬段和软段组成。硬段提供物理交联点，赋予材料强度和热稳定性；软段则负责弹性恢复性能。这种特殊的微相分离结构使TPE具有优异的柔韧性、耐屈挠性和可重复加工性，非常适合作为电缆护套材料。

在电缆护套应用中，TPE需要满足一系列严格的性能要求。首先，机械性能方面需要具备适当的拉伸强度(通常大于10MPa)和断裂伸长率(大于200%)，以确保在安装和使用过程中不易损坏。其次，电气性能要求体积电阻率高(通常大于10^14Ω·cm)，介电强度良好。耐候性方面，需要抵抗紫外线、臭氧和温度变化的影响。最重要的是阻燃性能，要求通过UL94V-0或类似标准，且燃烧时烟密度低、毒性气体释放少。

不同种类的TPE在电缆护套应用中表现出不同的特点。苯乙烯类TPE(SBS、SEBS)价格适中、加工性能好，但耐温性较差；聚烯烃类TPE(TPO)耐候性好但强度偏低；热塑性聚氨酯(TPU)力学性能优异但易水解；聚酯类TPE(TPEE)耐温性高但价格昂贵。针对阻燃要求，研究者需要根据TPE基体的特性选择合适的阻燃体系，并解决阻燃剂添加对材料其他性能的影响。

3 无卤阻燃剂的种类与协同机理

无卤阻燃剂主要分为无机阻燃剂、氮系阻燃剂和磷系阻燃剂三大类。无机阻燃剂包括氢氧化铝(ATH)、氢氧化镁(MH)、硼酸锌等，通过吸热分解和释放水蒸气稀释可燃气体发挥阻燃作用。氮系阻燃剂如三聚氰胺及其衍生物，主要通过受热分解产生惰性气体和促进炭层形成。磷系阻燃剂包括红磷、磷酸酯等，在凝聚相促进炭化，在气相捕获自由基。

协同阻燃是指两种或多种阻燃剂共同使用时，其阻燃效果优于单独使用时的简单加和。在TPE电缆护套中，常见的协同体系包括：磷-氮协同(如APP/PER/MEL系统)，通过形成膨胀炭层隔绝热量和氧气；金属氢氧化物与硅系协同(如MH/有机硅)，改善炭层质量和稳定性；纳米填料与常规阻燃剂协同(如纳米粘土/ATH)，增强炭层强度和阻隔性能。

协同效应的机理主要包括：(1)不同阻燃阶段互补，如气相阻燃与凝聚相阻燃结合；(2)改善炭层质量，形成更致密稳定的保护层；(3)改变分解路径，促进成炭抑制可燃气体产生；(4)热传导调控，形成有效的热屏障。通过合理设计协同体系，可以在减少阻燃剂添加量的同时提高阻燃效率，减轻对材料力学性能的影响。

4 无卤协同阻燃TPE电缆护套的研究进展

近年来，无卤协同阻燃TPE电缆护套研究取得了显著进展。在纳米复合阻燃体系方面，研究者发现将层状硅酸盐(如蒙脱土)、碳纳米管或石墨烯与传统阻燃剂复合，可显著提升阻燃效率。例如，SEBS/APP/纳米粘土三元体系在添加25%阻燃剂时即达到UL94V-0级，且拉伸强度保持在12MPa以上。纳米材料通过形成"迷宫效应"和增强炭层，大幅降低了热释放速率和烟密度。

生物基阻燃剂是另一个研究热点。植酸、木质素、壳聚糖等天然物质被开发用于TPE阻燃。这些生物基材料通常含有丰富的磷、氮等阻燃元素，且环境友好。有研究将植酸与纤维素纳米晶复合用于TPU，实现了LOI值32%和V-0等级，同时保持了材料的柔韧性。生物基阻燃剂的挑战在于热稳定性较低和与基体的相容性问题，需要通过化学改性来解决。

新型协同体系的开发也取得突破。例如，金属有机框架(MOF)材料作为新型阻燃协效剂，其多孔结构可吸附可燃气体并催化成炭；硅氧烷改性的阻燃剂可同时改善阻燃性和加工流动性；过渡金属化合物(如Fe2O3、MoS2)被发现能显著提升磷氮系统的阻燃效率。这些创新为开发高效无卤阻燃TPE提供了新思路。

5 无卤协同阻燃TPE电缆护套的挑战与展望

尽管无卤协同阻燃TPE电缆护套研究取得了显著进展，但仍面临一些挑战。首先，阻燃效率与力学性能的平衡问题尚未完全解决，高添加量往往导致材料变硬变脆。其次，复杂协同体系可能增加加工难度和成本，影响工业化应用。此外，现有测试标准主要针对阻燃性能，对燃烧产物毒性和长期环境影响的评估体系尚不完善。

未来发展方向包括：(1)分子设计新型高效阻燃剂，如超支化聚合物型阻燃剂、反应型阻燃单体等；(2)开发多功能一体化体系，同时满足阻燃、抑烟、抗滴落等要求；(3)研究智能阻燃系统，如温度响应型阻燃剂；(4)完善生命周期评估，确保材料从生产到废弃全过程的环境友好性；(5)发展新型测试方法和标准，更全面评价材料在实际火灾中的表现。

6 结论

无卤协同阻燃TPE电缆护套材料的研究对于满足日益严格的环保和安全要求具有重要意义。通过合理设计协同阻燃体系，可以在保持TPE优异性能的同时实现高效阻燃。当前研究已证明，纳米复合、生物基阻燃剂和新型协同系统是提高阻燃效率的有效途径。未来需要进一步解决性能平衡、加工性能和成本等问题，推动无卤阻燃TPE电缆护套的广泛应用。随着材料设计和表征技术的进步，环保型高性能电缆护套材料将迎来更广阔的发展前景。

参考文献

[1]王立春,崔建伟,段磊,等.无卤协同阻燃TPE电缆护套复合材料的研究[J].现代塑料加工应用,2024,36(06):25-28.DOI:10.19690/j.issn1004-3055.20240120.

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