高分子材料广泛应用于建筑、机械、电气等各行各业，是体积产量最大的一类材料，但绝大多数高分子材料为碳氢化合物，属于易燃、可燃物，在燃烧时热释放速率大、热值高，火焰传播速度快不易熄灭，通常还伴随着烟气和熔融滴落，由此引发重特大火灾事故不断发生。
在各类火灾中，由于电线电缆包覆层含大量高分子材料，电线电缆类火灾更是占电气类火灾的一半以上。按照国家标准规范要求，重要场合用电线电缆需要具备一定阻燃性能及耐火性能，为此通常采取电线电缆用高分子材料阻燃、耐火改性和电线电缆结构设计方法来实现，且以前者为主。
聚烯烃材料（包括聚乙烯、聚丙烯及其共聚物等） 因具有良好的 物理力学性能、电绝缘性能、耐候性能，广泛应用于电线电缆绝缘及护套材料中 ，然而聚烯烃材料具有较高的可燃性，如PE和PP中C、H含量极高，极限氧指数仅为17%~18%，且在燃烧过程中易出现融滴和流延起火现象。 为满足电线电缆火安全的阻燃、耐火等级要求，需要对聚烯烃材料进行阻燃、耐火改性。
聚烯烃材料的燃烧过程主要是热分解产生大量挥发性可燃物质，燃烧过程中释放的热量又促进了聚烯烃的分解。阻燃剂作为赋予易燃高分子材料难燃性的功能性助剂，是高分子材料阻燃的关键。阻燃聚烯烃材料的阻燃机理主要表现在利用阻燃剂减缓材料受热分解、限制热量传递从而起到避免火灾的作用。
根据阻燃剂的成分组成，无卤阻燃剂包括 碳系、磷系、氮系、硅系、硼系、无机金属氢氧化物和膨胀型等 。聚烯烃材料中PE和PP主要是通过添加金属氢氧化物和膨胀阻燃剂实现无卤阻燃的。
1.1 金属氢氧化物阻燃剂
金属氢氧化物阻燃剂主要包括氢氧化镁（MH）、氢氧化铝（ATH）、双金属氢氧化物（LDHs）等，金属氢氧化物阻燃剂主要的研究方向包括表面改性处理（表面活化、包覆等技术）、协同复合技术和粒度超细化等几个方面，以降低因高添加量造成的力学性能下降的程度。
MH系列氢氧化镁阻燃剂 图源：大连益普阻燃材料
氢氧化铝 图源：淄博韩锦新材
（1）表面改性处理
金属氢氧化物与聚合物极性相差大、相容性差，在混炼时不易分散，极大影响了复合材料的力学性能。通常采用表面改性来提高金属氢氧化物的分散性及其与聚合物的界面相容性。
（2）协同复合技术
协同复合技术是将金属氢氧化物与其他阻燃剂复配以减少其用量，主要是利用不同阻燃剂之间的协同作用，在材料燃烧时的不同温度阶段发挥阻燃作用。
（3）粒度超细化
粒度超细化是采用某种手段减小金属氢氧化物颗粒粒径，增加其与聚合物的接触面积、改善分散性，从而减少阻燃剂用量。
1.2 膨胀阻燃剂
膨胀阻燃剂（IFR）在燃烧过程中形成多孔膨胀炭层起阻隔作用，保护内部材料，主要包括物理膨胀阻燃剂和化学膨胀阻燃剂。IFR的主要成分为磷、氮，包括酸源、炭源和气源三个基本要素。酸源在受热后分解，促进了炭源与基体发生脱水反应，形成炭化层，主要有磷酸盐、硼酸盐和磷酸酯等；炭源一般为含碳量较高的化合物，如季戊四醇、酚醛树脂等；气源是在燃烧过程中释放出不燃气体,使炭层膨胀，形成封闭蓬松结构，常用的气源有尿素、三聚氰胺氰尿酸盐等。
2、陶瓷化聚烯烃材料研究成果
电线电缆绝缘及护层材料大多是易燃的高分子材料，在发生火灾时经过火焰烧蚀后会熔融滴落，使导线裸露在外，易发生短路，不能保障火灾中电力和通讯的畅通。根据使用场合的不同，往往需要采用阻燃或耐火型电缆，这两者的性能指标完全不同。
在电线电缆阻燃性能设计时，可考虑相应高分子材料的燃烧机理而选择相应的阻燃剂；而对于电线电缆的耐火设计，传统的方法是采用云母带、无机矿物质绝缘料、金属护层等，为了寻找新型的耐火方式，陶瓷化高分子材料备受关注。
云母带 图源：武汉诺曼森
陶瓷化高分子材料是一类新型耐火材料，是以聚合物为基材，加入成瓷填料、助熔剂、及其他助剂，经加工制成的特种复合材料。 与传统高分子材料在火焰或高温环境中会焚化脱落不同，这种新型材料在常温下可保持一般高分子材料的机械性能和加工性能，在火焰或高温环境中能迅速形成紧致坚硬的陶瓷体，起到隔热、隔火的作用，具有广阔的应用前景，特别是用于电线电缆制造，可在火灾中保持电路的通畅，尽可能减少人身伤害和财产损失。
陶瓷化高分子复合材料研究最早可追溯到20世纪60年代，利用聚合物制备陶瓷材料并将其作为陶瓷化合物的前驱体使用，但发展较为缓慢，直到近几十年，学者们制备出一系列阻燃耐火的聚合物/无机填料复合材料，并对这类体系材料的瓷化机理进行了深入的研究，才使陶瓷化材料成为耐火电缆领域的研究热点之一。
陶瓷化高分子材料陶瓷化过程示意图
其中，澳大利亚莫纳什大学程一兵教授发明的可用于耐火电缆的陶瓷化高分子复合材料，由澳大利亚的CeramPolymerik公司实现了商业化生产。
目前陶瓷化高分子的基体主要包括 硅橡胶、聚烯烃、碳基橡胶 及其共混物等。目前研究和报道较多的是陶瓷化硅橡胶，这类材料虽然在电绝缘性和成瓷残留率、成瓷强度等方面具有优势，但其成本较高，且应用于电缆生产时需要配备橡胶挤出设备，而陶瓷化硅橡胶带材则需要采用绕包工艺，这对带材的强度要求比较高且工艺较难控制。
陶瓷化硅橡胶 图源：瓷铠新材料
聚烯烃材料成本相比于硅橡胶较低，应用范围较大，且陶瓷化聚烯烃材料用于电缆生产时采用普通低烟无卤聚烯烃材料挤出设备即可，因此近些年对陶瓷化聚烯烃的研究逐渐增多。
陶瓷化聚烯泾 图源：瓷铠新材料
2002年意大利皮雷利&C.有限公司P•L•皮纳奇等人在我国申请的发明专利CN02828870.X是较早的关于陶瓷化聚烯烃复合材料的文献报道，采用EVA做基体、玻璃料作填料，制备了一种可陶瓷化的耐火电缆料。
在国内，南京工业大学王庭慰教授团队较早开展了陶瓷化聚烯烃材料的研究，以聚乙烯和EVA为基体材料，添加适当的成瓷组分和助剂，对陶瓷化聚烯烃材料配方进行设计。
近几年关于陶瓷化聚烯烃材料的研究报道，基体材料主要采用 聚乙烯 、 EVA 、 POE 、 聚醋酸乙烯酯（PVAc） 等的一种或组合，成瓷填料常用 高岭土、滑石粉、硅灰石、云母、石英粉、玻璃粉 等。为了降低材料的瓷化起始温度、促进烧结，往往会在配方中添加一定量的助熔剂，帮助材料体系在烧结过程中在较低温度时有液相物质形成，助熔剂主要有 低温玻璃粉、硼酸锌、氧化锌等。
3、阻燃陶瓷化聚烯烃材料研究成果
陶瓷化聚烯烃的耐火机理是基于在火灾或高温下成瓷填料被烧结成具有一定机械强度的瓷体，从而起到隔热、隔氧的作用，但大多数采用的成瓷填料均不具备阻燃性，且陶瓷化聚烯烃是以高分子材料作为基材，这就决定了它的阻燃性得到了不同程度的限制。
要想提高陶瓷化聚烯烃的阻燃性，最直接的方法是添加阻燃剂，但这会导致复合材料的结壳性、机械性能等有所下降，兼顾各项性能达到综合平衡点是一个亟待解决的关键问题，目前学者正在进行这方面的研究。
4、结语
目前国内外对阻燃陶瓷化聚烯烃的研究多集中于采用不同类型的聚烯烃基材、成瓷填料、助熔剂、阻燃体系等，讨论不同配方对材料成瓷性能、阻燃性能、力学性能的影响，以及成瓷机理和阻燃机理，但其还没有形成完整的理论，且主要在部分阻燃、耐火电线电缆产品得到了实际应用，其应用领域的深度和广度还有待进一步深入研究。
未来阻燃陶瓷化聚烯烃材料的研究开发可向几个方面发展：
①根据具体使用环境，分层次研究设计配方，提高阻燃陶瓷化聚烯烃材料的综合性能和性价比，实现低成本的工业化生产，拓宽陶瓷化聚烯烃材料的应用范围；
②加强高效阻燃剂的研究以减少阻燃剂用量、减少填充材料的总用量，从而提高作为电缆材料的绝缘性能、加工性能、力学性能等；
③开发低温、高效的新型助熔剂；
④关注各类助剂之间的协同性，尝试多种形式的改性与复配。
参考资料：合成材料老化应用，《阻燃陶瓷化聚烯烃材料研究进展》新疆工程学院王钰含、李璇等，2023.6.28；《陶瓷化聚烯泾材料在耐火电线电缆中的应用与研究》
