近日，安徽建筑大学特种电线电缆国家地方联合中心王平/刘文秀团队在高速磁悬浮列车用特种电缆方面取得新进展，相关研究成果发表于Advanced Composites and Hybrid Materials（IF 23.2），题为：“High-performance cable materials for maglev trains prepared by the multiple synergistic regulation effects of the functionalized ionic liquids on EVA-based composites”。
现代高速交通运输设备，如动车组列车、磁悬浮列车等作为人们最主要的出行方式，主要以电力作为动力输出，因此装备于其中的电线电缆需要具备极其稳定的性能。为了保证电线电缆持续、高效及稳定的电力和信号传输，要求其护套具有优异的阻燃、抗压、抗应力开裂、高尺寸稳定、耐高/低温、低毒等综合性能。乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)作为电线电缆中应用最广泛的高分子材料之一，具有良好的电绝缘性、加工性和化学稳定性等，但其高度易燃，不能直接用作线缆护套材料。为了提高EVA基复合材料的阻燃性能，有必要引入无机填料、有机-无机杂化阻燃剂等改性剂，但无机填料与聚合物基体间界面相容性较差，严重限制了其在高速交通运输设备电线电缆中的应用，因此迫切需要开发更多新型有机阻燃剂和高效界面增容剂。
图1 磁悬浮列车用EVA基线缆护套材料的制备及其阻燃机理示意图
针对目前的应用需求，该团队通过一锅法合成了一种新型的功能化离子液体(NHFIL)，通过熔融共混将其引入EVA基复合材料中，制备出一种新型磁悬浮列车用线缆护套材料（图1）。经评估，该EVA基护套材料的综合应用性能全面超越国内市售同类型产品。
在EVA基复合材料中引入NHFIL后，由于NHFIL中高活性乙烯基的聚合阻碍了EVA基体的热分解，材料的热稳定性和成炭性能都得到了一定程度的改善。此外，NHFIL的增塑作用增加了聚合物分子链段的运动能力，两种因素共同作用导致EVA基复合材料出现非典型的非等温结晶行为（图2）。
NHFIL对EVA基复合材料的交联度有积极的影响。由于NHFIL的促交联作用，EVA基复合材料的交联度大大提高，材料内部聚合物分子链的取向更加有序，构建的网络更加致密。随着NHFIL含量的增加，EVA基复合材料的凝胶含量逐渐提高，这预示着材料具有优异的力学性能。当NHFIL含量超过1.5 wt%时，EVA基复合材料的交联密度达到饱和，NHFIL含量对复合材料的拉伸强度没有明显影响，当NHFIL含量为3.5 wt%时，材料的拉伸强度为13.2 MPa，断裂伸长率为170%，具有良好的韧性和刚性平衡（图3）。在不添加NHFIL的情况下，材料的断口呈现脆性断裂的特征，并且含有大量的孔隙。当NHFIL含量为3.5 wt%时，材料的孔隙尺寸和数量均有所减少，断口呈现拉丝状，属于韧性断裂。造成这一现象的主要原因是NHFIL促进了POE-g-GMA、硅烷偶联剂(KH550)的开环反应，开环的POE-g-GMA与无机填料表面暴露的羟基发生反应，促进聚合物和无机颗粒之间形成有机-无机杂化网络结构。
磁浮列车用线缆护套的耐油性能对其使用寿命和性能有重要影响。NHFIL具有特定的表面处理能力，添加NHFIL后，试样截面内部的裂纹或孔洞数量有所减少，断面更加光滑。说明NHFIL在一定程度上改善了无机颗粒的分散性以及它们与聚合物之间的相互作用。EVA基复合材料内部相界面的构建和NHFIL的促交联作用导致体系内部形成连续致密的阻隔层，大幅度提高EVA基复合材料的耐油性能（图4）。
NHFIL富含P、N元素，在复合材料燃烧过程中可作为酸源和气源。燃烧时NHFIL释放出PO2·和PO·等含磷挥发物，作为自由基捕捉剂发挥重要作用，猝灭聚合物分子链热降解产生的自由基(HO·和H·)，中断燃烧反应。同时，NH3和水蒸气等不可燃气体稀释了氧气、可燃气体和部分挥发性可燃物，促进了炭层的膨胀。更重要的是，NHFIL在燃烧过程中产生的磷酸或多磷酸形成了新的催化活性成炭中心，促进聚合物基体脱水成炭。这些因素的共同作用使得EVA基复合材料的阻燃性能得到改善（图5）。
本研究设计合成的NHFIL 含有丰富的乙烯基，可与EVA协同交联形成稳定的交联网络，材料的拉伸强度得到显著提高。同时，NHFIL还能促进POE-g-GMA在熔融共混过程中的开环反应，从而显著提高无机填料与聚合物基体的相容性，使材料的热稳定性、力学性能和耐油性能等应用性能得到全面提升。此外，NHFIL富含P 和 N 元素，可用作酸源和气源，在EVA基复合材料的燃烧过程中，NHFIL可促进连续致密炭层的形成，有效提高EVA基复合材料的热稳定性和阻燃性能。NHFIL同时具有促交联、催化成碳、表面处理、阻燃等性能，能够有效提高EVA基护套材料的综合性能。
本研究中EVA基复合材料的综合性能优异，超过了同类材料。
该研究得到安徽省自然科学基金优秀青年项目（No.2308085Y34）、国家自然科学基金项目（No.51903002）、安徽省高校自然科学优秀青年项目（No.2022AH020024、2022AH030039）和安徽省重大科技专项(No.202103a05020031, 2021e03020008, 201903a05020027)等项目的支持，硕士研究生田洪瑜是本论文的共同第一作者。
论文链接：
https://doi.org/10.1007/s42114-024-00920-8
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