李 中

（浙江红宇新材料股份有限公司，浙江湖州313100）

摘要：在电线电缆、电子电器、塑料等产业对材料无卤化要求日趋严格的背景下，市场亟需兼具高效性与环境友好性的阻燃解决方案。层状硅酸盐材料——有机膨润土，凭借其特殊的纳米结构与物理化学特性，作为一种性能优异的协效阻燃剂受到广泛关注。本文系统剖析了有机膨润土的微观作用机制，并以浙江红宇新材料股份有限公司生产的HY-LB型号有机膨润土为应用案例，探讨其在无卤电缆绝缘及护套材料中的工程应用策略，通过与聚磷酸铵、氢氧化铝、氢氧化镁等常规无卤阻燃剂的性能对比及实验数据佐证，阐明了其在提升复合材料综合性能方面的独特价值与发展前景。

关键词：有机改性蒙脱土；HY-LB；协同阻燃；无卤低烟；电缆材料；塑料；机理分析；性能对比

一、 研究背景与意义

高分子材料的阻燃安全性是其在高风险应用场景（如建筑、交通、电力传输）中的核心指标。传统卤系阻燃剂因燃烧时释放有毒、腐蚀性气体及浓烟，正逐步被无卤阻燃体系所取代。以金属氢氧化物（氢氧化铝/镁）和膨胀型阻燃剂（如聚磷酸铵）为代表的环保型阻燃剂，虽解决了环境兼容性问题，却普遍面临高填充量导致的加工困难、力学性能劣化及综合成本上升等挑战。

在此背景下，协效技术的开发成为突破无卤阻燃瓶颈的关键路径。理想的协效剂能以少量添加显著提升主体阻燃剂的效率。经有机化改性的膨润土，作为一种来源广泛、价格经济的纳米级粘土矿物，通过其独特的物理作用模式，在聚合物基体中展现出卓越的阻燃协效功能。其中，通过精准的有机化改性工艺开发的HY-LB型号有机膨润土，因其优异的纳米分散性与协效性能，已成为该领域颇具代表性的产品之一，为设计与开发新一代高性能无卤阻燃材料提供了可靠的材料选择与技术思路。

二、 HY-LB有机膨润土的微观结构与协效机理

2.1 结构特征与有机化改性
膨润土的主要矿物成分为蒙脱石，其晶体结构由两层硅氧四面体片夹一层铝氧八面体片构成，形成厚度约1纳米、长宽约数百纳米的片层单元。层间存在可交换性阳离子（如Na⁺、Ca²⁺）。HY-LB有机膨润土产品通过采用特定的季铵盐改性剂进行离子交换反应，不仅显著增大了层间距，更关键的是使其表面由亲水性转变为亲油性，极大地改善了与多种聚合物基体的界面相容性，为实现纳米级分散奠定了坚实基础。

2.2 多模式协效阻燃机理
HY-LB有机膨润土的阻燃作用主要发生在凝聚相，通过多种物理机制的协同，构筑高效的热-质传递屏障：

1.纳米屏障与迷宫效应：在优化的加工条件下，HY-LB有机膨润土可在聚合物基体中实现纳米尺度的剥离与均匀分散。当材料暴露于火源时，表层聚合物热分解，这些纳米片层能快速迁移、富集于材料表面，并与炭化残留物共同形成一层连续、致密且具有优异热稳定性的无机-炭复合保护层。该保护层能有效延缓外部热量向内部传递，并阻隔内部可燃裂解产物向外扩散，从而显著抑制燃烧过程的持续进行。

2.催化成炭与炭层强化：HY-LB有机膨润土的酸性位点对部分聚合物的热降解路径具有催化导向作用，可促进交联炭化反应，提高残炭率。同时，其刚性的纳米片层在炭层中充当增强骨架，能显著改善炭层的机械完整性与热稳定性，使其在高温和气流冲刷下不易破裂、剥落，确保屏障效应的持久性。

3.抑制熔滴与改善流变：对于聚烯烃类热塑性材料，HY-LB有机膨润土的引入可提高熔体强度与粘度，有效抑制燃烧过程中的熔融滴落现象，这一特性对于通过垂直燃烧测试（如UL-94 V-0）至关重要。

三、 HY-LB有机膨润土在不同聚合物体系中的工程化应用

3.1 聚烯烃体系（PP/PE）
聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）是通用塑料的代表，但极易燃烧并伴有严重熔滴。

应用方案：PP/PE + 18-22% IFR (APP/PER/MEL) + 2-4% HY-LB有机膨润土。

工程效果：HY-LB有机膨润土的加入能使体系的极限氧指数（LOI）从约28%提升至32%以上，并帮助材料从UL-94 V-1级提升至V-0级。其纳米片层能有效阻止IFR早期分解气体的逸出，促进形成更致密、更坚固的膨胀炭层，使峰值热释放率（pHRR）下降超过50%。同时，熔体粘度的增加有效消除了熔融滴落问题。

3.2 乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）电缆体系
EVA是无卤电缆料最常用的基体树脂之一，常与高填充的金属氢氧化物复配。

应用方案：EVA + 55-65% ATH/MDH (复配) + 3-5% HY-LB有机膨润土。

工程效果：在此高填充体系中，HY-LB有机膨润土的"润滑"与"协效"双重作用尤为突出。实际应用表明，使用HY-LB有机膨润土，不仅能通过协效作用允许降低约10%的ATH/MDH用量，从而改善复合材料的拉伸强度和断裂伸长率，还能显著提升成炭性，使材料在垂直燃烧中迅速自熄，并大幅降低锥形量热测试中的总烟释放量，特别适用于对低烟要求严苛的无卤电缆护套料。

3.3 工程塑料体系（PA, PBT）
聚酰胺（PA）和聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）加工温度高，对阻燃剂的热稳定性要求严苛。

应用方案：PA/PBT + 15-20% 三聚氰胺氰尿酸盐（MCA）或聚磷酸三聚氰胺（MPP） + 1-3% HY-LB有机膨润土。

工程效果：在PA中，HY-LB有机膨润土与MCA具有优异的协同效应，能促进形成更完整的膨胀炭层，显著提高LOI，并通过GWIT/GWFI等电晕点火测试。在PBT中，它有助于改善因添加阻燃剂导致的抗冲击强度下降问题，同时提升阻燃效率。使用HY-LB有机膨润土的PBT复合材料在保持良好力学性能的同时，能满足电子电器外壳对材料高CTI（相对漏电起痕指数）的要求。

3.4 聚氨酯（PU）体系
包括软质泡沫和硬质泡沫，对阻燃性要求极高。

应用方案：软质PU泡沫 + 10-15% 反应型或添加型磷系阻燃剂 + 2-4% HY-LB有机膨润土；硬质PU泡沫 + 聚磷酸铵（APP） + 1-2% HY-LB有机膨润土。

工程效果：在软泡中，HY-LB有机膨润土能显著降低热释放速率，抑制阴燃，并改善炭层结构，防止炭层坍塌。在硬泡中，它与APP协同，能构建强度更高的炭层，有效保护底层泡沫。实验数据显示，添加3% HY-LB有机膨润土的硬质PU泡沫，其燃烧后的残炭率提高约35%，炭层结构明显更加致密完整。

四、 性能对比与实验数据支撑

为量化评估其协效效果，研究数据表明：在EVA/ATH基础体系（ATH添加量60%）中，材料的极限氧指数（LOI）为28%，UL-94等级为V-1。当引入3%的HY-LB有机膨润土后，LOI可跃升至32% 以上，并能稳定达到UL-94 V-0等级。锥形量热分析（50 kW/m²）进一步证实，其峰值热释放率（pHRR）和总烟释放量（TSP）分别下降超过40%和30%，协效作用显著。

表1：无卤阻燃体系关键组分性能对比分析

特性参数	HY-LB有机膨润土	聚磷酸铵 (APP)	氢氧化铝 (ATH)	氢氧化镁 (MDH)
核心作用机理	纳米屏障、催化成炭、抑烟	膨胀成炭、气相稀释	吸热分解、气相稀释	吸热分解、气相稀释
典型应用添加量	1-5% (协效剂)	20-30% (主体)	50-65% (主体/填充)	50-65% (主体/填充)
突出优势	高效协效、显著抑烟、用量少	阻燃效率高、炭层致密	无毒、抑烟、成本低	分解温度高、抑烟性好
应用局限性	分散要求高、单独无效	耐水性差、易吸潮	分解温度低、加工窗口窄	填充量高、相容性差
协同效应强度	强力通用协效剂	IFR体系核心组分	与HY-LB、锌硼酸盐等协同	与HY-LB、硅系阻燃剂等协同

从表1的横向对比可见，HY-LB有机膨润土的策略定位独特。它并非替代传统阻燃剂，而是作为"性能放大器"，以极低的成本占比，解决高填充体系的核心痛点，实现材料综合性能的优化。

五、 面临挑战与发展趋势

当前，实现HY-LB有机膨润土在工业规模生产中的完美纳米分散仍是核心挑战。未来的研发工作正致力于以下方向：

1.分子级界面设计：开发反应型或功能复合型改性剂，实现膨润土与聚合物基体的化学键合，从根本上解决相容性与分散稳定性问题。

2.构建多维杂化系统：将HY-LB有机膨润土与二维共价有机框架（COFs）、零维纳米颗粒等组装成多元杂化协效剂，实现阻燃、导热、电磁屏蔽等多功能集成。

3.拓展绿色应用边界：深入研究HY-LB有机膨润土在生物可降解聚酯（如PLA、PBS）等新兴环保材料中的协效行为，推动全生命周期绿色阻燃材料的发展。

六、 结论

综合而言，HY-LB有机膨润土作为一类极具工程应用价值的战略协效材料，在无卤阻燃聚合物体系中通过构建纳米级物理屏障，能够以最小化的添加代价，实现阻燃效能、抑烟性能及抗熔滴性的显著提升。通过与ATH、MDH或APP等主体阻燃剂的科学配伍，可成功打破"高效-环保-高性能"之间的平衡困局，为开发下一代高性能无卤阻燃电缆料及工程塑料提供了明确且可行的技术路径。随着纳米复合技术与表面工程学的持续进步，该产品在高端阻燃领域的应用广度与深度必将得到进一步拓展。

 

参考文献：

[1] Kormanowski, T., et al. The role of layered silicates in the thermal stability and fire retardancy of polymer nanocomposites. Progress in Polymer Science, 2019, 95: 1-22.

[2] 张伟，李刚. 有机蒙脱土对无卤阻燃聚乙烯复合材料性能的影响研究. 塑料工业，2018, 46(08): 112-116.

[3] 浙江红宇新材料股份有限公司. HY-LB有机膨润土在无卤电缆材料中的阻燃应用研究. 内部研发报告, 2025.