低煙無鹵阻燃橡膠材料應(yīng)用研究

高洪強，肖建斌

（青島科技大學(xué)橡塑材料與工程教育部重點實驗室，山東 青島 266042）

低煙無鹵阻燃橡膠材料應(yīng)用研究

高洪強，肖建斌*

（青島科技大學(xué)橡塑材料與工程教育部重點實驗室，山東 青島 266042）

主要研究以EPDM作為基體材料，采用不同牌號的乙丙橡膠并用、加入不同阻燃劑，通過測試膠料的力學(xué)性能和阻燃性能進(jìn)行對比。結(jié)果表明，隨著EPDM697并用比例增加，其綜合力學(xué)性能略有降低，膠料阻燃性能變差；在EPDM539/ EPDM697共混膠中，用硼酸鋅代替氫氧化鋁，膠料力學(xué)性能和阻燃性能相差不大；加入不同種類磷酸酯阻燃劑DMMP、TCCP、FR-107，膠料力學(xué)性能相差不大，但其阻燃性變好，其中加入FR-107的膠料阻燃性能較好。

阻燃劑；力學(xué)性能；阻燃性能；膠料硬度

乙丙橡膠以其優(yōu)異的耐熱氧老化、臭氧和化學(xué)介質(zhì)等性能而在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用［1］。但其主鏈全部由碳原子組成，屬于易燃橡膠，為預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生和保障人民的生命財產(chǎn)安全，對其進(jìn)行有效的阻燃化，提高其阻燃性能和力學(xué)性能具有重要的意義。

大多數(shù)阻燃橡膠制品采用鹵系阻燃劑與銻化合物并用作為阻燃體系，但這類阻燃體系在燃燒或高溫?zé)崃呀鈺r產(chǎn)生有毒化合物和腐蝕性氣體，污染環(huán)境，并且燃燒時煙密度較大，導(dǎo)致人類窒息或不易逃生，造成更大的損失，因此低煙無鹵阻燃的呼聲越來越高。

賀春江等［2］以三元乙丙橡膠（EPDM）為基體，分別研究了三氧化二鐵、二氧化鈦及氧化鋅這三種阻燃劑對氫氧化鎂阻燃體系性能的影響。董明哲等［3］以三元乙丙橡膠/乙烯醋酸乙烯酯橡膠（EPDM/EVM）共混膠為基體，研究蒙脫土（MMT） 和膨脹阻燃劑（IFR）對共混膠阻燃性能的影響。Wang等［4］分析了次磷酸鋁（AlHPi）和納米二氧化硅對EPDM阻燃性和機械性能的影響后，發(fā)現(xiàn)納米二氧化硅不僅能提高EPDM的阻燃性，而且還能顯著提高EPDM的拉伸強度，納米二氧化硅還與AlHPi具有較好的協(xié)調(diào)作用。付瑤等［5］以工業(yè)廢料棚泥和赤泥為原料，采用煅燒和鹽堿共融法制備以Mg/Al水滑石為主要成分的環(huán)保阻燃劑。同時將不同硼泥和赤泥配比及不同煅燒溫度所制備的環(huán)保阻燃劑添加到三元乙丙橡膠中研究其對橡膠力學(xué)性能、物理機械性能和耐阻燃性能的影響。

本課題主要以三元乙丙膠為基體材料，研究無鹵阻燃橡膠材料。研究不同牌號的EPDM共混膠的性能，對比檢查氫氧化鋁和硼酸鋅對膠料阻燃性能和綜合力學(xué)性能的影響，研究不同種類磷酸酯阻燃劑對三元乙丙橡膠膠料綜合力學(xué)性能和阻燃性能的影響。

1 實驗

1.1 原材料

三元乙丙橡膠EPDM539，美國獅子化學(xué)公司；三元乙丙橡膠EPDM697，美國獅子化學(xué)公司；磷酸酯類阻燃劑，青島聯(lián)美化工有限公司；其他配合劑均為工業(yè)級。

1.2 主要儀器設(shè)備

XSS-300橡塑實驗密煉機，上?？苿?chuàng)橡塑機械設(shè)備有限公司；X（S）K-160開放式煉膠機，上海雙翼橡塑機械有限公司；GT-M2000-A無轉(zhuǎn)子硫化儀，臺灣高鐵科技股份有限公司；HS100T-FTMO-90電加熱平板硫化機，佳鑫電子設(shè)備科技有限公司；XLB平板硫化機，青島第三橡膠機械廠；HD-10測厚儀，上海六菱儀器廠；LX-A型邵氏硬度計，上海六中量儀廠；AI-7000M電子拉力機，臺灣高鐵科技股份有限公司；HC-2型氧指數(shù)測定儀：GB/T5454—2008，臺灣高鐵公司。

1.3 試樣制備

膠樣制備按一般加料順序，即：生膠（或塑煉膠）→小料（促進(jìn)劑、活化劑）→補強劑、填充劑→硫黃（硫化劑），在橡塑實驗密煉機上進(jìn)行混煉，在開放式煉膠機上薄通6次后下片，停10 h后在硫化儀上測定其硫化特性曲線，硫化溫度為180 ℃，根據(jù)硫化曲線得到硫化時間，然后用平板硫化機硫化試片。停放12 h后進(jìn)行各項性能測試。

1.4 性能測試

拉伸性能按GB/T528—2008進(jìn)行；撕裂性能GB 529和GB 530進(jìn)行；按邵爾A硬度按GB/T 531—2008進(jìn)行；氧指數(shù)按GB 10707—2008進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 EPDM539/EPDM697不同并用比例膠料性能研究

乙烯含量對EPDM的性能有著決定性的影響［6］。乙烯含量高于70%時，其硫化膠及生膠強度均增加，但永久變形會增大，彈性會下降。采用兩種不同牌號的EPDM膠進(jìn)行混煉，其中EPDM697為充油100份的橡膠，牌號539為乙烯含量70%的橡膠，1#和2#配方分別采用EPDM539/EPDM697共混比為80/40和70/60進(jìn)行混煉（見表1），其余配合體系為：ZnO 5，SA 2，綜合促進(jìn)劑HE 5，氫氧化鋁 120，白炭黑 30，KH560 3，硫黃 1.5。測試硫化膠的力學(xué)性能及阻燃性能，數(shù)據(jù)見表2。

表1 實驗基本配方

表2 EPDM539/EPDM697的力學(xué)性能

EPDM分子鏈中含有少量的不飽和鍵，取代基空間位阻小，分子鏈柔性好，這樣的分子結(jié)構(gòu)決定了其具有良好的力學(xué)性能。表2數(shù)據(jù)表明，1#和2#膠料力學(xué)性能相差不大，但2#配方充油橡膠并用比例增大，相當(dāng)于增加了10份增塑劑，增塑作用增大，導(dǎo)致膠料硬度降低，同時添加油份數(shù)增多，導(dǎo)致膠料氧指數(shù)下降［7］。同時由硫化曲線得到1#和2#膠料最小轉(zhuǎn)矩分別為2.71、2.23，可以看出，隨著充油EPDM697含量增加，共混膠最小轉(zhuǎn)矩減小，加工性能變好。

2.2 氫氧化鋁和硼酸鋅對阻燃膠料性能的影響

為了提高膠料阻燃性能，研究不同氫氧化鋁和硼酸鋅用量對膠料力學(xué)性能和阻燃性能的影響。實驗配方3#、4#、5#分別采用氫氧化鋁/硼酸鋅配比為100/0、80/20、0/100，其余配合體系為：EPDM539/ EPDM697為70/60，ZnO 5，SA 2，綜合促進(jìn)劑HE 5，白炭黑 30，KH560 3，硫黃 1.5。測試混煉膠的硫化特性和硫化膠的力學(xué)性能及阻燃性能，數(shù)據(jù)見表4和表5。

表3 實驗基本配方

表4 混煉膠的硫化特性

表5 EPDM539/EPDM697的力學(xué)性能

由表4可知，隨著硼酸鋅用量的增加，混煉膠的正硫化時間縮短，硼酸鋅對膠料硫化有促進(jìn)作用。

表5數(shù)據(jù)看出，氫氧化鋁和硼酸鋅不同并用比例的膠料力學(xué)性能相差不大，說明無機阻燃劑氫氧化鋁與硼酸鋅對三元乙丙的補強效果相差不大。氫氧化鋁的吸熱效應(yīng)大，生成的水蒸氣還能起隔絕效應(yīng)。無機阻燃劑的最大優(yōu)點是無毒，不會產(chǎn)生有害氣體，還可以減少燃燒過程中CO的生成量，起消煙劑作用。三個膠料氧指數(shù)都較低，達(dá)不到離火自熄要求，這是由于無機阻燃劑加入量少，阻燃效果不明顯。

2.3 不同種類磷酸酯對阻燃膠料性能影響

無鹵阻燃橡膠制品為了改善其工藝性，通常需要加入增塑劑，而一般增塑劑沒有阻燃效果，反而降低膠料的阻燃性。液體類磷酸酯不僅起增塑作用，而且可以提高橡膠制品阻燃性［8］。研究不同磷酸酯類阻燃劑對硫化膠阻燃性能和力學(xué)性能的影響。在EPDM共混膠中，加入10份不同種類磷酸酯阻燃劑，6#、7#、8#配方中各加入DMMP、TCPP、FR-107，其余配合體系為：EPDM539/EPDM697為70/60，ZnO 5，SA 2，綜合促進(jìn)劑HE 5，白炭黑 30，KH560 3，硫黃 1.5，Al（OH）3120，硼酸鋅 20。測試硫化膠力學(xué)性能和阻燃性能，數(shù)據(jù)見表7。

表6 實驗基本配方

表7 EPDM539/EPDM697的力學(xué)性能

由表7數(shù)據(jù)可知，加入磷酸酯類阻燃劑，混煉膠的拉伸強度和拉斷伸長率均下降，膠料撕裂強度變化不大?；鞜捘z的氧指數(shù)增加，阻燃性變好，這是由于加大了氫氧化鋁和硼酸鋅用量，并加入了液體類磷酸酯阻燃劑。在燃燒時，磷化合物分解生成磷酸的非燃性液態(tài)膜，起到覆蓋效應(yīng)。同時，磷酸進(jìn)一步脫水生成偏磷酸，偏磷酸進(jìn)一步縮合生成聚偏磷酸，使高聚物脫水而炭化，改變了高聚物燃燒過程的模式，并在其表面形成炭膜，以隔絕空氣和阻止可燃性氣體的產(chǎn)生，從而發(fā)揮更強的阻燃效果。表7數(shù)據(jù)表明，三個膠料力學(xué)性能相差不大，加入FR-107的膠料阻燃性能最好。

3 結(jié)論

（1）隨著充油橡膠并用比例增加，膠料力學(xué)性能略有降低，阻燃性能變差，加工性能變好。

（2）不同氫氧化鋁和硼酸鋅并用比例的膠料力學(xué)性能和阻燃性能相差不大，硼酸鋅對膠料硫化有明顯促進(jìn)作用。

（3）不同牌號液體磷酸酯阻燃劑可以降低膠料硬度，提高膠料阻燃性能。加入FR-107的阻燃性能較好。

［1］ 王碩，關(guān)穎.國內(nèi)外乙丙橡膠產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及市場前景展望［J］.中國橡膠，2013，27（24）.

［2］ 賀春江，張國文，黨佳，等.金屬氧化物對氫氧化鎂阻燃EPDM體系性能的影響 ［J］.橡膠工業(yè)，2011，58（8）：489～491.

［3］ 董明哲，谷曉昱，吳衛(wèi)東，等.蒙脫土對膨脹阻燃三元乙丙橡膠/乙酸乙烯酯橡膠共混膠性能的影響 ［J］ .合成橡膠工業(yè)，2012，35（5）：378～381.

［4］ Wang Zongtao， Zhang Chaobao.The synergistic effect of aluminum hypophosphideand nanosilica on flameretarded ethylenepropylene-diene monomer rubber ［J］. Journal of Applied Polymer Science，2012，12（4）：3 487～3 493.

［5］ 付瑤，劉大晨，張宏亮，等.環(huán)保阻燃體系在三元乙丙橡膠中的應(yīng)用研究［J］.沈陽化工大學(xué)學(xué)報，2013，27（4）：338～342.

［6］ 張瑞仙，曲紅亮，靳保亮，等. 三元乙丙橡膠微觀結(jié)構(gòu)與性能的研究 ［J］ .機械傳動，2013，56（8）.

［7］ 王鶴，竺珠，趙樹高等.氫氧化鋁和硼酸鋅對乙烯-乙酸乙烯酯橡膠/丁腈橡膠共混膠阻燃性能的影響 ［J］ .合成橡膠工業(yè)，2012，35（5）：392～395.

［8］ 馬德柱.聚合物結(jié)構(gòu)與性能［M］，北京：科學(xué)出版社，2013：388～395.

Application of LSZH rubber materials

Application of LSZH rubber materials

Gao Hongqiang, Xiao Jianbin

(The Key Laboratory of Rubber-plastics of Ministry of Education, QUST, Qingdao 266042, Shandong, China)

This paper studies with EPDM as the base material, using different grades of EPDM and different fl ame retardants, comparing test compounds by the mechanical properties and fl ame retardant properties. The results shows that, with the increase in the proportional of EPDM697, its mechanical properties are slightly lower, and flame retardant properties are worse; In EPDM539 / EPDM697 blends, using zinc borate instead of aluminum hydroxide, the mechanical and flame retardant properties have little difference; adding different types of phosphate fl ame retardant DMMP, TCCP and FR-107, the mechanical properties have little difference, but its fl ame resistance becomes better, especially the one added with FR-107.

fl ame retardant; mechanical property; fl ame retardant property; compound hardness

TQ330.7

1009-797X（2015）23-0006-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.23.002

（R-02）

高洪強（1990-），男，碩士研究生，主要從事橡膠加工改性方面的研究。

*通訊聯(lián)系人

2015-04-10