高阻燃标准苯乙烯类弹性体电缆应用

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　　高阻燃标准苯乙烯类弹性体电缆应用
　　作者：Teknor Apex Biing-Lin Lee    来源：

　　具备阻燃性的热塑性弹性体化合物主要应用于电线和电缆绝缘、护套和电子设备中。苯乙烯类热塑性弹性体（TPE-S）广泛作阻燃应用，包括汽车，音响，电池，电机接线盒，潜水泵以及软线应用中，这些应用都要求电、热、阻燃性和各种物理性质达到平衡。在过去，许多工业产品设计师和制造商为把阻燃剂引入到产品中，往往牺牲TPE的力学性能。

　　这些应用的关键要求包括，必要的UL等级认证，热老化后力学性能的保留，易于加工和低温适应性。苯乙烯类热塑性弹性体特别适于这种应用。含阻燃剂的热塑性弹性体的配方为了达到UL 1581 VW-1和1061阻燃性标准规定的，需要添加非常多的添加剂。然而，添加剂添加过多，往往对阻燃性化合物的机械、物理和流变性能产生负面的影响。
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8 f* R) A4 K; ]8 h　　本文讨论Teknor Apex最近开发的一系列符合RoHs要求的高阻燃性能TPE-S化合物。该成果包括苯乙烯嵌段共聚物（SBC）的制备技术；结合阻燃添加剂技术和消防科学中的UL垂直耐燃测试。使用这些技术，能够把UL 1581 VW-1标准和方法1061试验方法的成果用于化合物以取得更好的特性。

　　结果和讨论

　　◆ UL 94垂直耐燃
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　　UL 94垂直燃烧试验的目的是评估塑料材料作为零件在设备和用具中的易燃性。测试方法是检测高分子材料在接触到小火焰下的易燃性和火焰蔓延速度。为了评估测试，尺寸为120毫米×13毫米的型钢形状试样垂直放置着，顶部被固定。测试试样的厚度是3.2、1.6或0.8毫米。医用棉被放在试样下方300毫米的地方，以观察能点燃棉花的易燃滴液。用煤气灯火焰烧标本两次各10秒。在每次火焰处理后，自我持续燃烧的时间被记录下来。第二次处理是紧接着第一次处理后试样火焰自我熄灭之后。表1总结了V-0,V-1和V-2等级标准。例如，V-0的分级适用于符合下列所有条件的材料：（1）在施加任何火焰后不到10秒就熄灭了；（2）有5个测试样本的总燃烧时间应不超过50秒；及（3）没有发生可燃滴液。
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1 H! y4 C) u0 D! n3 b0 \　　表1、UL 94垂直燃烧级别/分级
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2 i4 g2 {7 b6 B4 {% o, n/ h7 E5 {　　等级是不连续的分级，比如V-0,V-1或V-2.有人企图把UL 94等级和热释放能力关联起来。但是，似乎T1和T1+T2的数值对筛选评定是有用的。图1显示的是，5T1,即依照UL 94程序和5个样本的T1值，对比阻燃剂的重量百分比。样品的厚度为0.125英寸。根据表1所示的标准，达5T1不到50秒的混合物作为进一步研究的候选。在这个例子中，它需要的阻燃剂的重量比超过了20%.图2中5（T1和T2），5种样品T1和T2的总和遵照UL 94程序，对比阻燃剂的比重。考虑到5（T1和T2）的和必须小于50秒。在这个特殊的例子里，它需要比重大约为20%的阻燃剂，以满足在0.125英寸的V-0等级。

　　电线电缆燃烧性能试验

4 L7 j, o' f) Q! A　　◆ VW-1垂直耐燃测试
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　　这是一个针对小规模搭置好的电线的试验。试样长度为24".UL1581测试方法规定，一个垂直的电线、电缆或绳索，不得沿着其长度传递火焰，不得将火焰传到在其附近的易燃物品上，时间为15秒的标准燃烧测试后，5分钟内或者之后。火焰源是一个Tirrill火炉（类似于煤油灯），拥有大约500W或1700 btu/h的热输出。火焰长达15秒，每次当电线停止燃烧时，再次处理，一共4次。如果样本在任何1次处理过程中燃烧时间超过60秒，或者如果指标标记或棉絮在测试过程中被点燃，被测试的电缆或电线则未能通过测试。
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　　◆ 1061点燃燃烧性能试验

　　这同样是一个针对试样长度为24"的电缆的小规模试验。该成品电缆的垂直试样不得沿其长度传递火焰，在完成标准的燃烧测试后，1分钟内或者之后，不得将火焰传到在其附近的易燃物品上。标准测试的火焰要求为名义125毫米高，提供的热量名义为500W或1700 btu/h,燃烧施加时间是1分钟，次数为3次。火焰燃烧的时间是30秒，不管试样前30秒的火焰燃烧所引起的燃烧是否终止。如果指示标志超过25%或棉絮在测试过程中被点燃，则电缆未能通过测试。

; d' l$ j3 g; E: n5 @4 n2 L+ z6 e　　和1061电缆的燃烧测试受到电线电缆的设计的影响，例如，绝缘壁的厚度，护套厚度和隔热导线的数量。

　　◆ 锥形量热测试

　　锥形量热是基于NIST开发的实验室规模的测试。我们通过燃烧小试样，用它来评价燃烧热释放速率，点燃时间，烟雾的产生和焦烧构成。其基本原理虽然是经验主义的，但充分利用了观察，即燃烧净热量是与燃烧所需的氧气量成正比的。因此，新的阻燃TPE-S的配方的研究需要使用锥形量热试验。
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　　◆ 聚合物/树脂工艺技术

　　苯乙烯嵌段共聚物（SBC）用于电线电缆应用。随着氢化技术的重大进步，氢化SBC得以大范围制备。他们与聚烯烃和矿物油极其容易相容。此外，由于在聚烯烃工艺和催化剂技术方面的进步，聚烯烃可以广泛的延长其工作温度范围。就微观结构来说，SBC也影响着熔体强度和加工特性。SBC的氢化流变和聚烯烃技术的结合，为制备高性能阻燃化合物奠定基石，并且这些化合物将具备独特的平衡性能，包括优良的拉伸性能和流变特性。得到这些特性的同时，将改善阻燃性以达到UL 94 V-0级，并具备良好的低温性能，良好的耐热性能和良好的介电性能。

/ ?* W& i9 ]' N$ ?% Z' ~' l- f　　此外，SBC和聚烯烃的共混物，可用开发用于抗紫外线，高工作温度（如105℃温度等级），低工作温度（例如，脆点小于-50℃），同时加工稳定性也是非常重要的。氢化SBC基阻燃热塑性弹性体的硬度范围可以从50A至60D不等。
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　　◆ 阻燃剂

　　阻燃剂有几个不同的类别。含卤阻燃剂是最多元化的阻燃剂种类。如今，溴化和氯化阻燃剂已经广泛地使用。充分溴化的芳烃通常用于较高的加工温度下的树脂。近来，阻燃剂新的发展方向已转向磷和其他无机氢氧化物无卤系统。在本文介绍中，聚合物的选择以及与阻燃剂相结合的技术产生了符合RoHS要求的阻燃热塑性弹性体。

　　结合阻燃技术带来的对性能的影响流变性能的改变，并且对物理性能的影响达到最小化。观测到的变化体现在图3-5上。图3显示了随着阻燃成分的增加，低剪切粘度也增加。图4显示了良好的稳定的结合了FR成分的焦烧组合。

　　最后，图5显示了在热释放速率随着阻燃组分的减少而下降，包括：
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　　* 消除滴液：如图3所示，低剪切速率下，在TPEs中添加阻燃技术的组合增加了粘度。这是在U 94L垂直燃烧标准下减少滴灌转换来的。

! H9 }% @! Y8 a* D6 g1 `3 J" W　　* 提高焦烧的形成和焦烧的完整性：焦烧形成和完整对改良阻燃来说是可取的。将阻燃技术纳入到阻燃热塑性弹性体化合物中，可以改良暴露在火焰下的焦烧成分。图4比较了传统的阻燃TPE-S技术的焦烧，和新的阻燃TPE-S技术。黑的部分是焦烧，而白色部分是灰度或烧焦裂缝。使用了FR技术的焦烧比传统的TPE-S的焦烧厚得多，同时再次呈现开裂较少。

0 ?, V& l2 W; [% @, W　　* 减少峰值热释放率：图5显示了常规阻燃TPE-S与新的阻燃TPE-s技术的锥形量热仪热释放率峰值（PHRR）的数据对比。结果表明，组合成分降低了峰值热释放率。它也增加了突然冒出火焰的时间。

9 @* `( k9 P6 p$ U7 Y: t　　增强阻燃剂

　　◆ 特性
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　　上面针对材料技术和内在的原理的讨论是为了开发增强阻燃TPE-S.这些增强的FR TPE-S化合物使用符合RoHS的阻燃剂。具体例子如下。表2中列出了几种强化阻燃TPE-S化合物的典型特征。这些增强阻燃TPE-S系统的特点是：
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　　* 符合RoHS要求；

. ?6 A# c0 c: W7 r　　* 0.060英寸时通过UL 94 V-0 分级；
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) W. Q& m/ C8 B4 v+ N7 m. S8 |　　* 符合VW-1 and 1061电缆燃烧测试，没有滴液；
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9 [4 R2 q* G4 a- i, y" J- S　　* 易脆点低于-50℃；
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　　* 在136℃，7天的热老化后已然能良好地保留拉伸性能，同样在158℃，7天的热老化后也一样；
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4 W/ ]3 `. I' R7 ^# l2 p0 J　　* 显示了优秀的电学特性。
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　　◆ VW-1和方法1061电缆可燃性测试和线圈

　　电线和电缆的挤出试验验证了这些属性也同时表现出了良好的加工性能。这些化合物是那些需要V-0阻燃等级的软电线、线圈线、机器人电缆、电动工具、高柔性电缆、电器连接零件和部件等低温应用的理想选择。
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　　在VW-1和1061电缆易燃性的测试中，电线或电缆必须通过的标准是，保留超过75%的指示剂标记，并且是无滴的。仅仅举一个例子，图6和图7显示的是1跟烧过的电线和1根烧过的电缆，它们都使用EL-1392B制成。在VW-1和1061电缆易燃性的测试中，这两者在实现指标的时候都无滴液。图8显示了1根由EL1392B制成的线圈线，同时作为绝缘，也可以作为保护套。它具有很好的收缩性能。

* K1 F' N4 S; G! G( P　　结论
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7 L' s: @9 f; `' V3 H　　新的高分子材料和阻燃技术的联合应用使得符合RoHS要求的增强阻燃热塑性弹性体获得了理想的时机。这些新化合物超出了常规阻燃热塑性弹性体的的阻燃性能范围。它们通过UL 94 V-0的评级为0.060英寸，并满足VW-1和方法1061电线电缆火焰无滴液测试。这些是由良好的低温弹性，经热老化后保持良好的拉伸性能，并表现出优异的电性能取得的。这些新化合物能够很好地用于软线、线圈线、机器人电缆、电动工具、高柔性电缆和连接器及零件，能满足它们所需的V-0阻燃等级。这些SBC化合物改进后的阻燃性能归因于配方技术的进步，且还改善了熔融粘度和焦烧成分。