全球電纜產業常用PVC阻燃劑成分整理

聚氯乙烯(PVC)是使用範圍第三大的塑膠聚合物,全球大約有10%的PVC用於電纜行業。PVC可以透過添加阻燃劑(Flame retardants)的方式,來達到電線電纜的阻燃效果。

常用於PVC的阻燃劑成分
根據PVC的應用,其中會添加不同的塑化劑(Plasticizer),一般常用於PVC的塑化劑有DIDP(鄰苯二甲酸二異癸酯)、DINP(鄰苯二甲酸二異壬酯)以及DOP(鄰苯二甲酸二辛酯)、偏苯三甲酸、己二酸酯或癸二酸酯這類化學成分。然而,前述這些塑化劑都是低分子有機液體,在發生火災時具有高揮發性和可燃性,但透過添加三氧化二銻和含鹵素的阻燃劑,可以改善PVC的阻燃性,而PVC的阻燃效果也受阻燃劑的種類以及用量影響效果,下方也會針對常見的阻燃劑成分做相關簡介。

三氧化二銻 (Antimony trioxide):
三氧化二銻(Sb2O3)在含鹵素的聚合物中,做為阻燃劑是一種非常有效的成分,通常它以3到7 phr(每百份樹脂要添加的份數)的數量添加到PVC。作用原理是基於三氯化二銻的揮發,它在氣相中是一種非常有效的阻燃劑。而由於三氧化二銻的粉塵可能會引發對人體的健康問題,為了避免粉塵的危害,因此它主要以90%活性成分含量的母料或無塵粉末的形式做為產品的型態。

 

溴化磷苯二甲酸酯 (Brominated phthalate):
這類阻燃劑成分主要是四溴鄰苯二甲酸二-2-乙基己酯。例如Uniplex FRP-45,它是一種非常有效的阻燃劑,因為溴化阻燃劑會產生氫溴酸,會影響在火焰中所進行的氧化連鎖反應,此外具有相當高的熱穩定性,而且相對較不會有煙霧形成,通常也與三氧化二銻一起使用。

 

氯化石蠟 (Chlorinated paraffin):
通常用做輔助阻燃劑,並做為額外鹵素含量的來源。現今電纜行業依然正在使用氯化石蠟,例如Dover生產的具有更高分子量和更長鏈的氯化石蠟,這可以降低PVC阻燃成分的總體成本。根據相關資料顯示,50份的DOP和8份的三氧化二銻成分組合,可以用40份的DOP、12份的氯化石蠟和4份的三氧化二銻成分組合替代,達到相同的阻燃效果。而為了避免阻燃劑從電纜滲出,氯化石蠟的含量必須盡可能低,並依據使用的阻燃劑類型來限制數量,例如使用DOP,氯化石蠟的含量就不應該超過20份。

 

氫氧化鋁(ATH)和氫氧化鎂(MDH):
這兩種金屬氫氧化物都用做PVC中的阻燃劑,阻燃效果是基於ATH或MDH在固相(Solid phase)內的吸熱分解和水釋放到氣相中,從而產生氣相(Gas phase)淬滅(Quench)自由基反應,且因為細小的沉澱金屬氫氧化物,優化了粒子分佈,也因此增強其阻燃性。在全球電纜行業中,這兩種成分在鹵素和非鹵素的阻燃劑類型中,都能夠有很好的應用。

而為了降低PVC的煙霧密度,也經常使用MDH,因為其分解生成的活性氧化鎂可以吸收燃燒時產生的煙霧,並同時能夠降低PVC降解氣體在燃燒過程中的酸度,在文獻中,MDH通常也當做是非常有效的阻燃劑。

 

硼酸鋅 (Zinc borate):
通常它與三氧化二銻結合使用,這種成分組合具有很強的阻燃性,且產生的煙霧也會比較低。如果硼酸鋅/三氧化二銻的比例為3/1至1/1,可以獲得最佳的阻燃效果,有時候會看到硼酸鋅降低PVC的熱穩定性,這與硼酸鋅中的雜質氧化鋅有關,不過這可以透過增加成分中的熱穩定劑來彌補。硼酸鋅對線材的阻燃性改善相當明顯,通常是由於PVC降解過程中,炭形成來增強其阻燃效果,而這種炭在發生火災時,剛好可以做為良好的隔熱屏障來抵禦外部熱通量。

 

磷酸鹽 (Phosphate):
如果對阻燃性有很高的要求,磷酸鹽的阻燃劑可以做為參考使用。目前電纜產業正在使用含有這些通過了美國標準UL 910測試的磷酸鹽阻燃劑電纜。這種電纜常用於安裝空調系統中空氣輸送管道、通風系統和其他空間中。

 

煙霧抑製劑 (Smoke suppressants):
在發生火災的情況下,PVC電線通常會有產生較多的煙霧,為了有效降低煙霧產生,通常會使用鉬或鋅化合物做為抑煙劑。PVC目前主要的抑煙劑是八鉬酸銨。

 

奈米複合材料 (Nanocomposites):
在過去的15年中,一種稱為奈米複合材料的新型阻燃劑,一直是許多國際聚合物阻燃性會議的主題。它是一種有機粘土(蒙特石,一種層狀矽酸鹽類)它以奈米型態分散在聚合物基質中,改變了聚合物的降解機制,並產生非常好的炭化反應,成為聚合物的隔熱屏障。

但可惜的是,直到今天這個概念對於PVC的應用上還是沒有成功,因為PVC的熱穩定性被有機粘土中改性劑所破壞,因此一直無法應用其中。不過有些研究指出,將奈米複合材料用在無鹵成分的阻燃劑中,能使阻燃效果具有顯著改善,這部分就需要在持續進行關注。

 

總結
對於電纜行業的PVC是一種非常適合的塑膠材料,它能夠透過添加不同的阻燃劑強化其阻燃效果,以此滿足各式各樣對於阻燃性的要求與應用。

 

延伸閱讀:
1.如何選擇合適的高溫線?

參考資料:
1.電線電纜材料-結構˙性能˙應用(郭紅霞)
2.塑膠添加劑的種類及功能介紹(邱政文)

 

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