【前沿技术】无卤阻燃驱动电缆创新

电线电缆共混料的行业需求很大，而建筑、汽车、电气电子以及通信等行业对其的要求也变得越来越严苛。电线电缆生产商正在寻找能够持续满足这些领域严格标准的无卤阻燃解决方案。与此同时，电缆生产的生产率仍然是重中之重，而且还将引入可简化制造流程的解决方案。这在可交联无卤阻燃共混料这一增长领域尤为明显。

标题图 阻燃剂——越来越多的无卤阻燃系统是电缆应用中的关键增长领域之一

电线电缆是瑞士混炼机械制造商布斯（Buss）的重要应用领域之一。因为新冠疫情的原因，该公司2020年经济放缓，但其报告称，他们发现无卤阻燃剂（HFFR）材料领域对混炼挤出机的需求出现了强劲增长，尤其是可交联共混料。

“光伏技术和电动汽车的稳步扩张促进了可交联HFFR电缆共混料需求的不断增长。针对汽车电缆的建筑产品法规（CPR）和规范提出了对高性能材料的需求。反过来，这也推动了更高性能的共混料和更高效的混配技术的进一步发展。”该公司的工艺负责人François Loviat表示。

“许多应用都需要用到交联材料，例如需要优异的耐热性、耐磨性和耐油性的场景。汽车和光伏行业就是如此。大多数交联聚烯烃基电缆材料的主要缺点是它们在燃烧时极易滴落。这不仅会助长火势的蔓延，而且还限制了可交联共混料在可燃性测试过程中的表现。”他说道。

“传统的HFFR共混料在可燃性测试中表现更好，但通常具有较差的耐油性和耐磨性以及机械性能。这些问题可通过用可交联阻燃替代品代替传统的可交联或HFFR电缆共混料来解决。”Loviat说道。

可交联阻燃电缆材料一般通过两步式工艺生产。第一步是将基础聚烯烃聚合物与反应性硅烷接枝，然后在第二步中将接枝材料与阻燃添加剂/填料混合。这种成熟的工艺行之有效，但布斯认为这种方法低效且成本高昂，因为材料必须经过两次熔化和造粒，要么需要两台混料机，要么需要在一台机器上通过交替的生产周期进行。

布斯已开发出一种他们认为更有效的方法，可一步式生产可交联HFFR共混料，并且全球一些主要的交联HFFR共混料生产商已实现了该方法的工业化规模应用。该公司称它在生产率、产品质量和能耗方面具有巨大的竞争优势。

布斯一步式生产工艺需要接枝化学品的快速混合以及良好的工艺温度控制。“从这个角度来看，布斯混炼机专为此应用量身定制。”Loviat表示，“机器的第一部分必须达到170-190°C的最低温度才能成功进接枝。然后，添加阻燃材料——通常是铝或氢氧化镁并与接枝共混料混合。在操作过程中，阻燃剂出色的分散性和精确的温度控制对于获得良好的机械性能而又不超过阻燃剂的降解温度（约200°C）来说至关重要。”

Loviat表示，最新的Buss Compeo的柔性模块化设计使其可以针对该应用进行微调。“新一代Buss Compeo混炼机将三螺片和四螺片混炼元件结合在同一机器中，有助于xl-HFFR共混料生产工艺的后续优化。机器第一部分中的四螺片混炼元件快速高量地熔融并加热树脂，而机器第二部分中的三螺片混炼元件则完美结合了优异的阻燃剂分散性和精确的温度控制。”

图1 Buss Compeo 55混炼挤出机配置为HFFR混配形式，带有单螺杆排气装置 （图：布斯）

添加剂创新

电线电缆也是赢创（Evonik）的重要市场之一，它推出了许多专为开发满足高标准要求的新型电缆共混料而设计的添加剂产品。“我们投资了新的实验室功能，例如：锥形量热法，它能够帮助我们评估使用了我们的添加剂的共混料在燃烧过程中的释热率和烟密度，最终帮助我们开发出更安全的添加剂。”聚合物事业部美洲生产经理Ido Offenbach博士说。

图2 赢创锥形量热仪防火测试设备有助于电线电缆复合配方的快速开发（图：赢创）

“许多新法规是电线电缆共混料增长的主要驱动力。例如，针对铁路车辆防火的新欧盟建筑产品法规（CPR）– EN 45545要求在提高阻燃性能的同时降低烟气和热量的释放。” Offenbach说道。

他还发现电线电缆混配出现了多种不同的发展趋势，他解释道，这些趋势会根据共混料的类型而变化。例如，热塑性共混料需要改善阻燃性能并尽量减少对机械性能的影响，而大型挤出机运营商则需要增加产量。在水油环境中保持并改善性能以及增强共混料配方的疏水性也是当务之急。

氢氧化物阻燃剂的高负载量对于获得更好的性能来说非常重要。但是，这种高负载水平通常会损害机械和电气性能，因此需要使用能够在不损害性能的情况下提高负载水平的添加剂。赢创开发了一系列有机改性的硅氧烷添加剂，包括Tegomer V-Si 4042和Tegopren 6879，它们能够在提高氢氧化物阻燃剂最大负载量的同时实现在聚合物基体中的均匀分散，从而确保电线电缆共混料的机械性能不受负面影响并保持良好的加工性。

赢创有机改性硅氧烷（OMS）有液体和固体两种状态。“我们还在为过氧化物和电子束交联共混料配方引入一种干式交联剂来提高交联效率。”Offenbach说道。“这些添加剂基于硅烷、三烷基和三烯丙基官能团。我们还拥有基于EVA、HDPE和LLDPE的有机多孔载体技术Accurel XP，它能够帮助客户将液体添加剂转化为固体母料，方便在挤出生产线上使用。此外，我们还开发了适用于PA6和PA12聚合物共混料的Accurel XP，可用于要求严苛的电缆领域，例如：隧道作业。”

赢创未来的电线电缆产品包括干硅烷系列添加剂。与标准液体硅烷相比，干硅烷产品计量更简单、更精确，并且固体状态更有利于生产场地保持清洁。

无卤素

Tolsa表示，由于更严格的新法规的出台以及高性能电缆需求的不断增长，无卤电缆领域仍将持续增长。根据该公司特种添加剂业务部团队的说法，该公司的Adins添加剂产品有助于满足这些要求。

虽然Adins Fireproof系列产品也可用于高压电缆，但Adins添加剂主要用于中低压电缆。 HV电缆以及海底和通信电缆是该公司目前在电缆行业增长最快的应用之一。电动汽车是另一个重要的增长和开发领域，因为它们对阻燃性能和高速充电的要求较高，并且还有回收阻燃共混料的需求。

Tolsa说道，除了无卤材料的趋势外，它还发现了三氧化二锑（ATO）的环保问题并正在积极寻求替代方案。电线电缆行业其他明显的趋势包括增加可回收或环境可持续材料利用的愿望以及为更严格的国际健康和安全法规做准备的需求。从技术角度来看，其他挑战还包括提高光纤电缆产能、改进水下电缆来承担可再生能源责任以及普遍提高机械性能和耐热性。

Tolsa特种添加剂业务部团队表示，整个行业明显需要更安全的阻燃添加剂和增效剂系统来提高功能性并且在减少用量的同时不影响可加工性以及所需的物理和化学性能。能够满足特定终端用户要求的定制添加剂以及用于陶瓷化胶带的最新解决方案也有需求。此外，如何改善电缆抗滴落性能也正在研究之中。

图3 Tolsa认为整个电缆行业都需要更安全的阻燃系统（图：TOLSA）

Tolsa的最新产品包括Adins系列阻燃增效剂添加剂，它们基于一种使用天然硅酸盐的新技术。该公司表示，这些产品具有性能可量身定制的优势，并有可能部分取代当今高负载的阻燃系统。

Adins Clay系列包括Adins Clay 20、Adins Clay 80T和Adins Clay Sil-1。Adins Clay 80T在烟气和热量释放方面表现出尤为强大的影响力，目前已被用于电缆行业的热塑性基材和橡胶。Adins Clay Sil-1则被用于硅橡胶和PVC配方来减少热释放量并抑制烟气，同时减少三氧化二锑（ATO）的含量。适用于陶瓷化电缆材料的另一个新产品是Adins Clay G1，它基于天然硅酸盐和低熔点玻璃。

Tolsa表示，Adins Clay和Adins Fireproof添加剂都基于表面改性的硅酸盐（Adins Fireproof是一种掺有低熔点玻璃的陶瓷化添加剂）。该增效剂可以与几种常用的阻燃剂组合使用，包括金属氢氧化物、膨胀体系和卤化阻燃剂。该产品还与EVA、PVC、PP、PE和PA等一系列聚合物以及EPDM等橡胶兼容。该公司表示，即使剂量低，Adins Clay和Adins Fireproof添加剂也能提供高性能，包括抗滴落效果、改善的机械性能、减少的热释放量以及抑烟性。

Tolsa表示，其技术使硅酸盐可以通过不同的改性剂、共混料或料粒进行功能化来提高该系统的效率，从而通过较少的阻燃添加剂来实现更高的性能。该公司表示，它正在与领先的电线电缆制造商紧密合作来开发汽车和电气/电子行业的新应用以及用于PA和硅橡胶的特种添加剂。

提升性能

德国Nabaltec公司为HFFR电缆共混料生产商开发了Actilox PA-B2添加剂母料。作为一种阻燃助剂，它被认为可降低混配和挤出过程中的压力累积而不会影响产品的机械性能和老化特性。据说它易于与所有矿物基填料混合，并且在阻燃性方面与ATH有协同效应（Nablatec在Apyral产品线中推出了一系列ATH填料）。

尽量减少高填充量对HFFR电缆配方加工的负面影响也是Innospec Leuna的目标。Innospec Leuna开发了一种有机加工助剂，据称可改善ATH和MDH以及碳酸盐和硅基纳米材料的分散性。Viscospeed是一种极性添加剂，旨在改善无机填料颗粒的润湿性和分散性并防止加工过程中产生再聚结。该公司补充道，该添加剂保持了原有的断裂伸长率和老化特性，而阻燃性则通过改善成碳性能和减少滴落趋势而得以增强。

Europiren是俄罗斯矿业化学品公司（Russian Mining Chemical Company）生产的Brucite+高纯度氧化镁产品的经销商，它针对将乙烯丙烯酸丁酯（EBA）共聚物用作无卤阻燃（HFFR）电缆共混料的新基体进行了研究。与ATH-EVA组合类似，EBA和氢氧化镁（MDH）具有接近的热分解点——MDH为300-330°C，而EBA则高于350°C。

Europiren聚合物实验室对一系列基于EBA的HFFR配方进行了研究，EBA用Ecopiren MDH填充。第一道工序是用EBA完全替代传统的电缆护套料中的EVA。经硬脂酸（C）、烷基硅烷（NP）处理且未经表面处理的Ecopiren 3.5被用作填料。此外还对机械性能、熔体流动速率和LOI进行了测试（表1）。

表1含不同的Brucite+ Ecopiren氢氧化镁（MDH）阻燃填料的乙烯丙烯酸丁酯（EBA）共聚物电缆护套料的基本性能

经过研究，基于100% EBA基础聚合物的配方无法提供合适的机械性能。硬脂酸正如预期那般降低了LOI值和机械性能。但是，尽管机械性能较低，HFFR护套仍达到了预期的高LOI水平，因为MDH和EBA的热分解点较为接近。第二批配方还尝试了用ULDPE改善机械性能（表2）。

表2 基于乙烯丙烯酸丁酯（EBA）和不同的ULDPE聚合物（含有Brucite+ Ecopiren氢氧化镁（MDH）阻燃填料）的共聚物电缆护套料的基本性能

ULDPE的加入改善了机械性能而又不太影响LOI。但是，理想的机械性能只能通过减少总填料含量来获得。尽管开发工作尚处于初期阶段，Europiren的研究人员仍然表示，HFFR电缆配方中EBA-brucite共混料的研究结果令人满意。正如ATH-EVA组合一样，他们在MDH-EBA和天然MDH（六角颗粒）组合中也发现了协同效应，因此能够提供更好的阻燃性能。

电力性能

聚烯烃专家博禄（Borouge）推出了专为额定电压高达230kV的高场强应用的电力电缆而设计的Borlink LS4201S。该公司表示，新产品在洁净条件下生产，面对10kV/mm的最大工作场强也有良好的表现。该共混料据称可为XLPE电缆生产商提供设计灵活性、优越的焦烧安全性以及长期生产运行的可靠性。

图4 博禄Borlink LS4201S XLPE专为高压电力电缆而设计

该公司表示，显著改善的焦烧安全性降低了电缆绝缘缺陷风险并缩短了电缆生产时的脱气时间，使电缆制造商能够进一步优化生产周期和运行时间而不影响整体安全性和可靠性。 Borlink LS4201S已成功完成了符合IEC62067国际标准的型式测试。

Hexpol TPE最近推出了一系列基于高性能材料的电线电缆共混料产品组合，例如：VMQ高级硅橡胶弹性体、传统弹性体和热塑性弹性体（TPE）。该公司表示，电气化趋势和日益增长的联网用户意味着电力和通信产品的需求正在迅速增长。伴随这种增长而来的是用来保护居民和基础设施的更为严格的法规和行业标准。

“为了满足这些行业需求，我们利用我们的经验和专业知识开发了市场上最全面的产品组合之一。我们提供独特的主张，采用聚合物中性方法为客户提供满足其需求的最佳解决方案。”Hexpol Compounding 欧洲区和亚洲区总裁Ralph Wolkener说道。

该公司的产品包括硅橡胶材料、CPE、EPDM、NBR+PVC、CR橡胶共混料、颜料和添加剂母料以及热塑性材料、EVA、TPE和TPV技术。产品特性包括无卤阻燃性、低烟和低毒性。这些材料不仅满足RoHS、SVHC和REACH标准，而且符合EN50363和IEC 60811等国际电缆标准。

垫层、隔热和护套材料也是产品组合的一部分。应用领域包括装有昂贵或敏感设备的地方，例如：医院、机场、火车站和交通枢纽、通信交换点、发电设施和海上平台。此外还有适用于通信和高低压电缆的产品。

Alphagary开发了一种TPE共混料，可用于电动汽车的充电桩用电缆，据称它具有耐用性、高效性和环保性。Garaflex旨在用作热固性橡胶的替代品，并已通过了领先的充电站制造商的测试。该公司表示，它能够承受恶劣的天气条件，符合UL安全标准并保持坚固性。

该公司还开发了Megolon（一种无卤阻燃共混料），适用于符合欧盟建筑产品法规（CPR）的电缆应用。这些共混料专为光纤、铜数据电缆和电力电缆等应用量身定制。Alphagary表示，它尤为注重加工的便捷性。

颜色方案

普立万（Avient）开发了OnColor WC Choice，这一最新的着色剂系列能够可靠地满足众多电线电缆应用的性能要求。含12种标准颜色的产品组合性价比高，与EVA和PE兼容，最小起订量更低，交货时间更短。这些产品适用于通信、能源和电力以及汽车应用。

图5 普立万表示其最新的OnColor WC Choice着色剂系列可满足电缆生产商的需求

该公司还推出了新的特种聚合物产品，能够提高光纤电缆（OFC）的耐化学性和生产率。凭借高达1000m/min的加工速度以及比PBT（传统的OFC护套材料）低得多的熔点，Eccoh系列产品有助于实现更快的加工速度并减少制造过程中的能源消耗。此外，它们在更小壁厚的情况下仍能保持性能，并且易于着色。

随着全球对互联网连接和数据传输需求的不断增长，光纤电缆正在迅速取代传统的铜通信电缆。普立万表示，据Mordor Intelligence预测，到2025年，光纤电缆市场的复合年均增长率（CAGR）将达到12.5%。这种增长反过来将推动高性能电线电缆材料的需求增长。

Eccoh LSFOH 6153 UV和6154 UV产品扩展了普立万低烟、低尘、无卤素产品的范围。该系列适用于特别注重烟气消除的应用，包括通信和数据电缆。新型产品主要用于凝胶填充的松管、微型模块和紧包缓冲光纤电缆应用。普立万表示，这些材料既适用于干燥环境，也适用于潮湿环境，具有良好的耐化学性和抗紫外线性，可与保护光纤的多种填充共混料和凝胶兼容。

因PVC产品而闻名的Benvic目前正在扩展其聚合物板岩产品并开发了Linkflex HF系列聚烯烃HFFR共混料，可用于制造电缆和护套。据说这些材料完全符合欧洲目前正在实施的最新建筑产品法规（CPR）要求。

Benvic表示，目前Linkflex HF产品最强劲的需求来自于建筑和施工用的低压电缆市场。“就价格来看，这是一个极具挑战性的市场，因此我们很高兴进入这一市场并为买家提供成本竞争力。”该公司的新产品市场经理Vinceç Mercade说道。

新型Linkflex HF材料的机械性能、耐化学性和气候特性据说已经过优化，能够提高灵活性并易于在安装和维修中使用。Linkflex HF还经过了特别优化来实现价格合理的电缆制造，主要是在减少聚合物共混料使用量的同时提高加工稳定性。

“Benvic的核心PVC业务使我们较晚进入市场，因此我们能够为它带来全新的视角。”Mercade说，“我们招募的都是来自电缆行业和相关塑料加工行业的专家。通过这种方式，Benvic致力于为供应链创造价值——提高产品的加工性和竞争力，与客户和OEM说着共同的语言，用共混料提供客户支持并全部采用无卤方案。毕竟，现在建筑和电气行业的所有产品都需要满足CPR等法规和监管要求。”

最新的Linkflex HF系列原本用于建筑和数据通信领域的低压应用，但该公司计划将其扩展至工业、公用事业和重型应用。展望未来，Mercade表示，该公司还将提供交联版本的Linkflex HF共混料。

图6 Benvic认为其Linkflex HF聚烯烃电缆共混料是高性价比的LV电缆产品

意大利共混料公司Padanaplast推出了新的试验性交联阻燃HFFR共混料Cogegum GFR 1709-27 T4，将产品扩展到了电动汽车领域。“复杂的混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车的飞速发展需要先进的汽车电线电缆来满足一系列电压和性能标准。”该公司R&I兼技术服务首席经理Antonello Casale说道。

Cogegum GFR 1709-27 T4是一种硅烷交联聚烯烃，专为超柔性电池高压电缆的生产而开发，该电缆需要极其优异的热性能和机械性能以及汽车流体的耐受性。

翻译自本刊合作伙伴AMI《共混世界》，请勿转载，违者必究。