高嶺土填充硅橡膠可瓷化耐火復(fù)合材料研究

摘 要 本文采用不同粒徑的高嶺土填充硅橡膠制備可瓷化硅橡膠耐火復(fù)合材料，并進(jìn)一步制備出耐火電纜測(cè)試其耐火性能。研究結(jié)果表明，在填料不做偶聯(lián)劑表面處理的情況下，填料的加入會(huì)大大降低硅橡膠的拉伸強(qiáng)度，并且高嶺土對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響大于成瓷填料。成瓷填料可以有效的將高嶺土和硅橡膠基體熱分解產(chǎn)生的二氧化硅粘合在一起形成比較致密的陶瓷層，從而賦予了制備出的耐火電纜良好的耐火性能。

關(guān)鍵詞 高嶺土；可瓷化硅橡膠；耐火電纜

中圖分類號(hào) TB33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1673-9671-（2012）112-0092-02

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)火災(zāi)事故頻發(fā)，火災(zāi)發(fā)生過(guò)程中在一定時(shí)間內(nèi)保證電梯、照明系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、信號(hào)控制系統(tǒng)等設(shè)備線路的暢通對(duì)于減少人員的傷亡和生命財(cái)產(chǎn)的損失具有重要的意義。火災(zāi)發(fā)生時(shí)，線路可能需要長(zhǎng)時(shí)間承受300℃到1000℃的高溫，普通阻燃電纜在這種條件很難保證線路的通暢，從而耐火電纜對(duì)于減少火災(zāi)造成的損失具有不可替代的作用。目前，國(guó)內(nèi)的耐火電纜主要是氧化鎂礦物及云母帶繞包的耐火電纜。氧化鎂礦物電纜質(zhì)量大，生成速度慢，生產(chǎn)成本高，鋪設(shè)不方便。另外，氧化鎂容易吸水生成氫氧化鎂，絕緣性會(huì)大大下降。云母帶繞包的耐火電纜著火后繞包帶容易脫落，耐火性能較差。

可瓷化硅橡膠是一種新型耐火復(fù)合材料，其耐火機(jī)理和傳統(tǒng)耐火材料有所不同，是利用火災(zāi)發(fā)生時(shí)的高溫使硅橡膠燃燒后形成的殘余灰燼形成一層具有一定力學(xué)強(qiáng)度的絕緣耐火陶瓷層，利用形成的陶瓷層延緩或者阻止火焰及高溫對(duì)內(nèi)部器件的損害。這種耐火機(jī)理使得可瓷化硅橡膠耐火電纜具有生產(chǎn)成本低、重量輕、柔韌性好等優(yōu)點(diǎn)，從而倍受人們的關(guān)注。

高嶺土是一種常用的無(wú)機(jī)礦物填料，具有來(lái)源廣泛、成本低、耐高溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，利用高嶺土填充硅橡膠制備可瓷化耐火復(fù)合材料可以大大降低硅橡膠復(fù)合材料的成本，并提供硅橡膠耐火復(fù)合材料的阻燃、耐火性能。本文對(duì)高嶺土填充硅橡膠耐火材料的高溫前后拉伸性能、高溫后成瓷性能以及擠出制備電纜的耐火性能進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

混煉硅橡膠，半透明，江蘇宏達(dá)新材料股份有限公司購(gòu)買，商品牌號(hào)：HD-7841；300目和3000目高嶺土，白色粉末上海高全化工有限公司購(gòu)買；成瓷填料，實(shí)驗(yàn)室合成。

1.2 樣品制備

首先將各種填料在鼓風(fēng)烘箱中120℃下干燥2小時(shí)，然后用雙棍開煉機(jī)將填料按表1中比例混入硅橡膠中，混合均勻后得到混合好的膠料備用。

將膠料中加入硅橡膠重量1%的雙-2，5硫化劑，雙棍開煉機(jī)上混合均勻后入模具中，將膠料和模具一起放入平板硫化機(jī)上硫化成型，硫化溫度180℃，硫化時(shí)間15分鐘，得到可瓷化硅膠片。

剪裁出部分可瓷化硅膠片，放入馬弗爐中，經(jīng)過(guò)650℃/1小時(shí)+950℃/1小時(shí)高溫處理后得到瓷化硅膠片。

將膠料中加入硅橡膠重量1.5%的雙-2，4硫化劑，雙棍開煉機(jī)上混合均勻后擠包到銅導(dǎo)線上，硫化后等到可瓷化硅橡膠耐火電線。

1.3 測(cè)試儀器及方法

可瓷化硅膠片的拉伸性能用萬(wàn)能電子拉力機(jī)按照GB/T 528測(cè)試其高溫前的拉伸強(qiáng)度；瓷化硅膠片的微觀形貌用掃描電鏡觀測(cè)；可瓷化硅橡膠耐火電纜的耐火完整性用ZY6014k燃燒機(jī)測(cè)試。測(cè)試方式分為三種：耐火測(cè)試，測(cè)試條件：將三根耐火電線纏繞成電纜，0.6 kV電壓0.2 A電流950℃丙烷火焰燒蝕下，90分鐘內(nèi)三根電線彼此以及三根電線和支架之間不發(fā)生短路。耐火加震動(dòng)測(cè)試：耐火測(cè)試過(guò)程中每30秒機(jī)械敲擊裝載測(cè)試電纜的耐火板一次；耐火加雨淋測(cè)試：耐火測(cè)試過(guò)程中伴隨噴霧雨淋。

2 結(jié)果與討論

2.1 填料對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響

圖1給出了配方ABCD的拉伸強(qiáng)度數(shù)據(jù)，為了比較，單純硅橡膠（配方0）的拉伸強(qiáng)度也一并給出。從圖中可以看出，加入填料后可瓷化硅橡膠的拉伸強(qiáng)度比單純硅橡膠的拉伸強(qiáng)度低，其原因可能是填料未經(jīng)過(guò)偶聯(lián)劑處理，從而造成填料和基體之間作用力較弱。從配方A和配方C的拉伸強(qiáng)度對(duì)比可以看出，相同填充量下，300目的高嶺土相比3000目的高嶺土對(duì)硅橡膠的拉伸性能影響較??；從配方B和配方C的對(duì)比中可以看出，成瓷填料相比高嶺土對(duì)硅橡膠的拉伸性能影響較小。從配方A和配方D的對(duì)比中可以看出，降低填料填充量有助于提供可瓷化硅橡膠的拉伸強(qiáng)度，但是從降低成瓷填料的角度去提高可瓷化硅橡膠的拉伸強(qiáng)度效果不大，拉伸強(qiáng)度的主要影響因素是高嶺土。

圖1 可瓷化硅膠片的拉伸強(qiáng)度

2.2 高溫后成瓷性能分析

圖2是配方D瓷化陶瓷片表面和內(nèi)部的SEM圖像。從圖2（a）中可以看出，陶瓷片表面沒有比較明顯的孔洞，從內(nèi)部是逸出的部分二氧化硅小球被粘結(jié)在表面。這說(shuō)明高溫過(guò)程中，硅橡膠基體分解產(chǎn)生小分子硅氧烷，并且從基體內(nèi)部逸出，小分子硅氧烷進(jìn)一步被氧化成二氧化硅，逸出的二氧化硅附著在陶瓷片表面。圖2（b）是陶瓷片內(nèi)部，從圖中可以看出高嶺土和生成的二氧化硅被成瓷填料粘結(jié)在一起，松散的二氧化硅較少，從而使陶瓷片具有了良好的阻隔火焰，降低熱量傳輸?shù)墓δ埽鸬搅己玫谋Ｗo(hù)效果。

圖2 配方D陶瓷片表面（a）和內(nèi)部（b）SEM圖像

2.3 擠出電纜耐火性能測(cè)試

圖3給出了配方D擠出成型的耐火電線的樣品照片，將三根耐火電線纏繞在一起形成耐火電纜測(cè)試樣品，按照1.3部分的測(cè)試方法測(cè)試耐火電纜的耐火性能。測(cè)試結(jié)果是三種測(cè)試方法均通過(guò)。這說(shuō)明配方D制備的耐火電纜具備了良好的耐火性能。

圖3 擠出耐火電線樣品照片

圖4是耐火電纜測(cè)試樣品測(cè)試后的照片，照片的左半邊電纜時(shí)經(jīng)過(guò)耐火測(cè)試后的部分，右半邊是沒有經(jīng)過(guò)耐火測(cè)試的部分。從圖4（a）中可以看出，測(cè)試過(guò)的部分表面附著了一層白色二氧化硅粉末，這層粉末有助于提高線纜的阻隔火焰的能力。圖4（b）是將線纜表面的二氧化硅去除后陶瓷殼層的外表面，從這個(gè)圖可以看出，電纜經(jīng)過(guò)高溫前后的體積略有增大，避免了由于體積收縮產(chǎn)生裂紋的問(wèn)題，有助于提高電纜耐火后的絕緣性。

圖4 耐火測(cè)試后電纜照片（a）和去除白色粉末后（b）

3 結(jié)論

1）填料的加入會(huì)大大降低硅橡膠本身的拉伸強(qiáng)度，其原因可能有兩種，一種是填料添加量過(guò)大，另一種是填料本身沒有經(jīng)過(guò)表面處理，造成填料和基體之間結(jié)合力較弱。

2）可瓷化硅橡膠在高溫下硅膠橡膠基體將熱分解產(chǎn)生大量二氧化硅，部分二氧化硅會(huì)逸出復(fù)合材料基體從而粘結(jié)、附著在形成的陶瓷殼層表面，形成一層二氧化硅阻隔層。

3）成瓷填料可以很好的將高嶺土和產(chǎn)生的二氧化硅粘結(jié)在一起形成比較致密的陶瓷層，并且體積略有增大，從而賦予耐火電纜優(yōu)良的耐火、絕緣性能。

4 致謝

本文的工作受到江蘇省科技支撐計(jì)劃-工業(yè)部分（項(xiàng)目編號(hào)：BE2010148）、上海市科委納米專項(xiàng)—產(chǎn)業(yè)化部分（項(xiàng)目編號(hào)：12nm0500300）和上海大學(xué)創(chuàng)新基金資助。

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