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氢氧化镁在电缆料中的应用

在高分子材料中,填料是用量最大的添加剂,几乎所有的高分子材料,如塑料(包括热塑性和热固性塑料)、橡胶和涂料中都使用大量填料。填料的种类很多,金属粉末可用作导电填料,木粉、淀粉等植物性粉末也可用作填料,但使用的最多的还是矿物性填料。填料的加入不仅可以降低成本,而且可以改善制品力学性能、加工性能或其他性能。电缆中使用的填料大多数为矿物性填料,其中数量最大的就是碳酸钙,这几乎是聚氯乙烯电缆料中必不可少的成分之一。随着人们安全意识的提高,对电缆阻燃要求也就越来越高,但碳酸钙不阻燃,所以人们也就需要研究更多的具有阻燃型的填料。
一、阻燃性填料的品种
1、氢氧化铝
氢氧化铝是光、电缆料中最为常用的一种填料型阻燃剂,该产品添加在电缆料中,如电缆发生燃烧,氢氧化铝在200-300℃发生分解,分解后发生脱水反应,吸收高分子材料表面大量热量,可降低燃烧材料表面温度;同时脱水产生大量水蒸气,稀释可燃气体和氧气浓度;分解残余物Al2O3为致密的氧化物,它们沉积于高分子材料表面,限制可燃气体的生成,起到隔热、隔绝氧气的作用,并达到了抑烟的效果;而且氢氧化铝和氢氧化镁可以吸收酸性气体。氢氧化铝的价格适中,目前是电缆材料中应用最为广泛的填料型阻燃剂。
工业用氢氧化铝阻燃剂主要采用铝酸盐分解法制备,根据原料和工艺的又分为拜耳法和碱石灰烧结法。拜耳法是用氢氧化钠溶液加温溶出铝土矿中的氧化铝,得到铝酸钠溶液,溶液与残渣(赤泥)分离后,降低温度,加入氢氧化铝作晶种,经搅拌,铝酸钠分解析出氢氧化铝。碱石灰烧结法适用于处理高硅的铝土矿,将铝土矿、碳酸钠和石灰按一定比例混合配料,在回转窑内烧结成由铝酸钠、铁酸钠、原硅酸钙和钛酸钠组成的熟料,然后用稀碱溶液溶出熟料中的铝酸钠,控制好条件,溶液与残渣(赤泥)分离,铝酸钠溶液经过专门的脱硅过程,使溶液提纯,把CO2气体通入精制铝酸钠溶液,和加入晶种搅拌,得到氢氧化铝。
氢氧化铝阻燃剂的生产工艺比较成熟,目前国家已经制定氢氧化铝的国家标准GB/T4294-2010,规范包括氢氧化铝阻燃剂在内的产品质量。国内的电缆料生产厂家使用的氢氧化铝主要有:来自国外的厂家如美国雅宝、德国的Nabaltec、日本昭和电工等,主要占据高端光电缆材料市场;而随着国内光电缆行业的蓬勃发展,对氢氧化铝的需求也大幅度增加,因此有很多厂家投资、建设新的氢氧化铝生产厂家。
2、氢氧化镁
氢氧化镁是除氢氧化铝外最为常用的阻燃型的填料,阻燃原理和氢氧化铝相似,但其分解温度更高,为340-490℃。氢氧化镁可促进高分子材料表面炭化,隔绝氧气与高分子材料接触,而氢氧化铝则无此作用;因此在相同添加量下,氢氧化镁的阻燃效果明显好于氢氧化铝。氢氧化镁的碱性更强,因此对酸性气体如HCl、CO2的吸收能力更强。但氢氧化镁与高分子材料的相容性不如氢氧化铝好。
氢氧化镁
目前氢氧化镁只有原化工部标准HG/T3607--2007,对包括氢氧化铝阻燃剂在内的产品质量做了规定。氢氧化镁是利用卤水、卤矿等中的氯化镁,与苛性碱类(如氢氧化钠、氨水等)在水介质中反应,得到氢氧化镁沉淀、经过滤、干燥得到产品。该法得到的氢氧化镁纯度高、晶体形状好,质量可控,但成本较高。国内的电缆料生产厂家使用的氢氧化镁主要有:来自国外的厂家如美国雅宝、日本神岛,国内的如等。
3、其他镁系的无机阻燃剂
3.1、水镁石
水镁石是蛇纹岩或白云岩中的典型低温热液蚀变矿物,主要成分为氢氧化镁,含量达90%甚至以上,我国蛇纹岩资源丰富,其中辽宁地区的矿藏质量较好。水镁石因为其中氢氧化镁含量较高,经过粉碎、磨粉,可制作阻燃剂,该法制得的阻燃剂又被称为矿物法氢氧化镁。矿物法氢氧化镁较之合成法产品具有技术经济优势和环境优势,且有资源易得、环境友好、技术可行、经济合理、加工简易等特点,受到国内外业界人士的广泛关注。前些年因为国内技术原因,该地区主要向国外出口原矿石。上个世纪90年代开始,我国开始关注水镁石的深加工,并形成一些矿物法氢氧化镁的生产厂家。目前我国电缆材料行业的使用的矿物法氢氧化镁主要厂家有大连亚泰
矿物法氢氧化镁的价格较低,有利于电缆料厂家降低成本,但添加量不能太大,否则会极大的降低材料的机械性能,特别是伸长率。
3.2、水菱镁/斜方云石矿
水菱镁矿是一种天然碱式碳酸镁,其分子结构通常为3MgCO3?Mg(OH)2?3H2O),该矿石含镁量高,质白,杂质含量低,是一种优质含镁非金属矿材料,是制造镁质材料的优质原料,用途十分广泛。水菱镁在340℃时失去所有的结晶水,同时氢氧化镁开始分解出结构水,477℃脱去所有结构水,碳酸镁开始分解,温度升到727℃碳酸镁完全分解,得到氧化镁。这样的分解状况和高分子材料的燃烧有一定的对应性,因此水菱镁矿可以作为高分子材料的阻燃剂。我国菱镁石储量约占世界总储量的1/4,居世界第一位,但多作为低端产品开发,没有很好利用,还没有开发出水菱镁矿的阻燃剂。
水菱镁矿经常和斜方云石矿共生,斜方云石的分子结构3MgCO3·CaCO3,斜方云石450℃开始分解,570-620℃大量释放出二氧化碳,760-780℃分解完毕。水菱镁和斜方云石矿伴生矿,分别也较为广泛。上个世纪80年代该矿物被开发为阻燃剂,在欧洲开始应用。目前瑞典的力矿公司在中国力推他们的HMT阻燃剂,该阻燃剂利用位于土耳其水菱镁和斜方云石矿伴生矿生产,有多个牌号。

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