田小艷，楊金明，鄭健鈞，湯粵豫，王 波

（1.陜西省石油化工研究設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710054；2.陜西省石油化工精細(xì)化學(xué)品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054）

氯化聚乙烯（CPE）橡膠是由聚乙烯氯化改性制得的高分子合成材料，其分子是線形飽和無規(guī)則結(jié)構(gòu)，因此具有優(yōu)良的柔韌性、耐熱老化性、耐候性和耐臭氧性等[1–3]；又由于其分子結(jié)構(gòu)中含有相當(dāng)比例的氯元素，因此具有良好的耐油、耐化學(xué)藥品和阻燃性，其綜合性能介于氯丁橡膠和氯磺化聚乙烯之間[4]。CPE可作為高性能特種橡膠單獨(dú)使用，若與三元乙丙橡膠（EPDM）、丁腈橡膠、氯磺化聚乙烯等材料共混，產(chǎn)品使用壽命、耐候性能、耐紫外線性能、耐熱老化性能、彈性、電性能、低溫性能、耐油性能等均得到改善，可用于電線電纜領(lǐng)域，特別是用作護(hù)套材料[5–6]。

本工作主要研究CPE/EPDM用量比及硫化體系對(duì)CPE/EPDM共混物性能的影響，確定優(yōu)化配方，以期在滿足加工工藝要求、降低成本的情況下，制備可替代進(jìn)口CPE電纜料產(chǎn)品的CPE/EPDM阻燃型電纜料。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

CPE，牌號(hào)135，濰坊亞星化學(xué)股份有限公司產(chǎn)品；EPDM，牌號(hào)EP51，日本合成橡膠株式會(huì)社產(chǎn)品；炭黑N539，上海立事化工實(shí)業(yè)公司產(chǎn)品；硫化劑DCP，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；助交聯(lián)劑TAIC，湖南瀏陽化工廠產(chǎn)品。

1.2 主要設(shè)備與儀器

Φ160 320型開煉機(jī)，無錫市橡膠塑料機(jī)械廠產(chǎn)品；QLB-D350 350 2C型平板硫化機(jī)，上海西瑪偉力橡塑機(jī)械有限公司產(chǎn)品；2500 N材料試驗(yàn)機(jī)，江蘇省江都試驗(yàn)機(jī)械廠產(chǎn)品；HST-50D型熱空氣老化箱，晨輝電器有限公司產(chǎn)品；YDY-1型氧（空氣）彈老化儀，呼和浩特市機(jī)電研究所產(chǎn)品。

1.3 試樣制備

CPE與EPDM在130 ℃下進(jìn)行塑煉，然后加入硫化劑、防老劑、熱穩(wěn)定劑、填充劑、增塑劑等各種小料進(jìn)行混煉，最后在平板硫化機(jī)上硫化制樣。硫化后常溫放置24 h以上，進(jìn)行各項(xiàng)性能測(cè)試。

1.4 性能測(cè)試

CPE電纜料耐老化性能及拉伸性能參照GB/T 2915—2008《電纜和光纜絕緣和護(hù)套材料通用試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試；CPE電纜料電性能參照GB/T 3048.5—2007《電線電纜電性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化體系對(duì)CPE電纜料耐老化和耐油性能的影響

CPE為主鏈飽和橡膠，可用多種硫化體系硫化，其傳統(tǒng)硫化體系為過氧化物硫化體系、硫脲硫化體系和噻唑類硫化體系。本工作分別對(duì)硫化劑DCP/助交聯(lián)劑TAIC和噻唑類衍生物（TDD）/胺類促進(jìn)劑（NC）硫化體系進(jìn)行對(duì)比研究，以選擇合適的硫化體系。

兩種硫化體系對(duì)CPE/EPDM共混物焦燒時(shí)間和正硫化時(shí)間的影響如表1所示。

表1 兩種硫化體系對(duì)CPE/EPDM共混物焦燒時(shí)間和正硫化時(shí)間的影響 min

注：1）配方為CPE 70，EPDM 30，炭黑 10，氧化鎂 5，抗氧劑 2，增塑劑DOP 5，硫化劑DCP 4，助交聯(lián)劑TAIC 2.5；2）配方為CPE 70，EPDM 30，炭黑 10，氧化鎂 5，抗氧劑2，增塑劑DOP 5，TDD 2.5，NC 4。

從表1可以看出，DCP/TAIC硫化體系的焦燒時(shí)間較長，長于2 min，TDD/NC硫化體系的焦燒時(shí)間略長于1 min。不同硫化體系對(duì)正硫化時(shí)間影響較小，兩硫化體系的正硫化時(shí)間均在28 min左右。

兩種硫化體系對(duì)CPE/EPDM共混物耐老化性能和耐油性能的影響如表2所示。

表2 兩種硫化體系對(duì)CPE/EPDM共混物耐老化性能和耐油性能的影響 %

從表2可以看出：TDD/NC硫化體系膠料老化后，拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率降幅較小，耐老化性能較好；硫化劑DCP/助交聯(lián)劑TAIC硫化體系膠料在熱空氣老化后拉伸強(qiáng)度非但沒有下降，反而存在一定程度的提高，但其拉斷伸長率降幅較大。不同硫化體系硫化膠的耐油性能差異很大，硫化劑DCP/助交聯(lián)劑TAIC硫化體系膠料的耐油性能明顯優(yōu)于TDD/NC硫化體系膠料。

綜上所述，TDD/NC和硫化劑DCP/助交聯(lián)劑TAIC硫化體系的硫化時(shí)間和焦燒時(shí)間總體而言差別不大。兩種硫化體系膠料的耐老化性能各有優(yōu)劣。TDD/NC硫化體系硫化膠的物理性能良好，但該硫化劑價(jià)格昂貴，在國內(nèi)尚未得到推廣。硫化劑DCP/助交聯(lián)劑TAIC硫化體系硫化膠的物理性能稍差，但壓縮永久變形性能很好，耐油性能較優(yōu)，且該硫化劑價(jià)格便宜。綜合考慮產(chǎn)品性價(jià)比，后續(xù)試驗(yàn)選擇硫化劑DCP/助交聯(lián)劑TAIC硫化體系。

2.2 正交試驗(yàn)

2.2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

分別以EPDM、硫化劑DCP、助交聯(lián)劑TAIC、炭黑、氧化鎂、抗氧劑、增塑劑DOP用量（份）為變量因子A～G進(jìn)行正交水平設(shè)計(jì)，試驗(yàn)方案見表3。

表3 正交設(shè)計(jì)表

2.2.2 性能與影響因素分析

CPE電纜料老化前后性能如表4所示，各組分用量對(duì)老化后膠料物理性能和電性能影響的顯著性分析如表5所示。

2.2.2.1 各組分用量對(duì)老化后電纜料物理性能的影響

從表5可以看出，對(duì)拉斷伸長率的影響大小順序?yàn)镈＞A＞B＞G＞F＞C＞E，其中因子D對(duì)拉斷伸長率影響最大。獲得最佳拉斷伸長率的方案應(yīng)為A3B2C1D1E3F2G2。

從表4可以看出，老化后拉伸強(qiáng)度增大，增幅介于24%與65%之間。從表5可以看出，各因子對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響大小順序?yàn)镈＞A＞E＞B＞C＞G＞F，其中因子D和A對(duì)拉伸強(qiáng)度影響較大；老化后炭黑對(duì)拉伸強(qiáng)度提高作用明顯，EPDM用量增大，老化后材料的拉伸強(qiáng)度先大幅下降而后小幅上升。其他組分用量對(duì)老化前后材料的拉伸強(qiáng)度影響不大。獲得最佳拉伸強(qiáng)度的方案應(yīng)為A1B3C2D3E3F3G1。

表4 老化前后CPE電纜料性能對(duì)比

綜上所述，隨著EPDM用量的增大，老化后材料的物理性能相對(duì)提高，因此EPDM的加入有利于提高材料的耐老化性能，老化后材料的拉斷伸長率下降，拉伸強(qiáng)度提高。

2.2.2.2 各組分用量對(duì)老化后電纜料電性能的影響

從表5可以看出，老化后電纜料的電阻率大幅下降，各因子對(duì)電阻率的影響大小順序?yàn)镈＞A＞C＞E＞B＞F＞G，炭黑能夠大幅提高老化后電阻率。這是由于炭黑的耐老化性能較強(qiáng)。獲得最佳老化后電阻率的方案應(yīng)為A3B2C3D3E1F2G3。

從表4可以看出，老化后電纜料的介電損耗較大幅度地增大。從表5可以看出，各因子對(duì)介電損耗的影響大小順序?yàn)镈＞A＞F＞B＞G＞E＞C。炭黑對(duì)材料介電損耗的影響與老化前結(jié)果正好相反，隨著炭黑用量的增大，材料老化后的介電損耗降低，這是由于炭黑的耐老化性能較強(qiáng)，與電阻率結(jié)果一致。因此獲得最小老化后介電損耗的方案應(yīng)為A3B1C1D1E1F3G3。隨著EPDM用量的增大，材料的介電損耗降低，這與老化前結(jié)果一致。

表5 各組分用量對(duì)老化后膠料物理性能和電性能影響顯著性分析

從表4可以看出，老化后介電常數(shù)變化不大。從表5可以看出，各因子對(duì)介電常數(shù)的影響大小順序?yàn)锳＞G＞F＞B＞D＞C＞E。EPDM對(duì)老化后介電常數(shù)的影響較大，這與老化前結(jié)果相一致。

從表4可以看出，老化后電纜料的擊穿電壓降低。從表5可以看出，各因子對(duì)擊穿電壓的影響大小順序?yàn)镈＞C＞E＞A＞B＞F＞G，各組分對(duì)老化前后材料的擊穿電壓影響不大。少量的炭黑可以提高材料的耐老化擊穿電壓。獲得最佳老化后擊穿電壓的方案應(yīng)為A3B2C3D2E2F2G3。

綜上所述，炭黑對(duì)老化后材料的電性能影響較大，炭黑的加入可以增強(qiáng)材料在電性能方面的耐老化性能。

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化及驗(yàn)證

綜合考慮電纜料老化后的物理性能及電性能，對(duì)各因子對(duì)電纜料老化后各性能的影響進(jìn)行顯著性分析，通過正交試驗(yàn)得到最佳配方為：CPE 70，EPDM 30，炭黑 10，氧化鎂 5，抗氧劑2，增塑劑DOP 5，硫化劑DCP 4，助交聯(lián)劑TAIC 2.5。

對(duì)正交試驗(yàn)得到的分析結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化配方膠料的物理性能、電性能及耐老化性能如表6所示。

表6 優(yōu)化配方膠料的物理性能和電性能

從表6可以看出，優(yōu)化配方膠料具有較好的物理性能、電性能及耐老化性能，綜合性能優(yōu)于正交試驗(yàn)各方案。

3 結(jié)論

當(dāng)膠料配方為CPE 70，EPDM 30，炭黑10，氧化鎂 5，抗氧劑 2，增塑劑DOP 5，硫化劑DCP 4，助交聯(lián)劑TAIC 2.5時(shí)，CPE電纜料具有較好的物理性能、電性能及耐老化性能，滿足電纜料要求。