無機(jī)鎂質(zhì)阻燃劑LH3對乙丙橡膠性能的影響研究*

賀春江，張國文，裴頂峰，楊維堅(jiān)

（中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京 100081）

近年來由于消防安全及環(huán)保等問題的日益嚴(yán)重，無鹵阻燃材料的應(yīng)用逐年增長。與鹵系阻燃劑相比，無機(jī)阻燃劑，如氫氧化鋁和氫氧化鎂等，具有燃燒時無有害氣體釋放, 燃燒后的殘?jiān)膊粫Νh(huán)境造成污染等優(yōu)點(diǎn)，因此成為深受人們歡迎的環(huán)保阻燃劑[1-2]。LH3 是力礦礦業(yè)公司生產(chǎn)的白色超細(xì)無機(jī)礦物性功能填料，主要成份為水菱鎂石-斜方云石的混合物。該填料具有色澤潔白、對環(huán)境友好，價(jià)格低廉(價(jià)格比水合法生產(chǎn)的氫氧化鎂便宜)的特點(diǎn)[3-6]。LH3 在橡膠中的應(yīng)用研究尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。本研究對比了LH3、氫氧化鋁及氫氧化鎂對乙丙橡膠硫化特性、加工性能、物理機(jī)械性能和阻燃性能的影響區(qū)別，表征了LH3 與紅磷的協(xié)同阻燃效應(yīng)。研究結(jié)果不僅顯示了LH3 在乙丙橡膠中具有良好的應(yīng)用前景，還為LH3 在無鹵阻燃乙丙橡膠材料的研究及應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

乙丙橡膠，J-4045，吉林化學(xué)工業(yè)公司；氫氧化鎂(H5IV)，氫氧化鋁(104LEO)，美國雅寶公司；LH3，力礦礦業(yè)公司；其他為市售工業(yè)品。

1.2 試樣制備

基本配方(phr，質(zhì)量份)：EPDM 100，氧化鋅5，硬脂酸1，S 1.2，TRA 0.75＜BZ 1.5，DM 0.5，阻燃劑變量。

試樣制備工藝：在上海雙翼橡塑機(jī)械有限公司生產(chǎn)的XK-160 型開放式煉膠機(jī)上混煉。乙丙橡膠先包輥塑煉,依次加入氧化鋅、硬脂酸和阻燃劑，混煉均勻，最后加入硫化劑和促進(jìn)劑。停放兩天后適當(dāng)返煉，在上海齊才液壓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的XLB型平板硫化機(jī)上硫化。

硫化條件：170 ℃×12 min×15Mpa。

1.3 分析與測試

氧指數(shù)：用江蘇江寧縣分析儀器廠產(chǎn)的JF-3 型氧指數(shù)測定儀按照GB/T 10707-2008 測定氧指數(shù)。

力學(xué)性能：拉伸強(qiáng)度、硬度測試分別按相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 528-2009，GB/T 531-2008)測定。

硫化曲線：用MDR2000測定，測試條件170℃×30min。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同阻燃劑對乙丙橡膠硫化特性的影響

測試了填充175 份氫氧化鎂、氫氧化鋁及LH3的混煉膠的硫化特性。結(jié)果如表1 所示。

表1 不同阻燃劑對乙丙橡膠硫化特性的影響 Table 1 Effect of different flame retardants on the curing characteristics of EPDM

從表1 不同阻燃劑對乙丙橡膠硫化曲線參數(shù)的影響中可以看出，LH3 的Tc10 為51 秒，比氫氧化鋁的1 分零2 秒，氫氧化鎂的1 分都要短；LH3 的Tc90為9 分14 秒，比氫氧化鋁的13 分55 秒，氫氧化鎂的12 分56 秒要短。這表明LH3 表面呈堿性，硫化速度快。這一點(diǎn)對制備熱空氣連續(xù)硫化的產(chǎn)品比較有利。LH3 的最小扭矩0.209 N· m，比氫氧化鋁的0.304 N·m，氫氧化鎂的0.533 N·m 都要小，這表明LH3在開煉機(jī)或密煉機(jī)中混煉時的能耗較小。

2.2 不同阻燃劑對乙丙橡膠壓延外觀的影響

在開煉機(jī)上，將輥距調(diào)至1 毫米，分別取填充175 份阻燃劑的混煉膠400 克過輥出片，外觀如圖1 所示。

從圖1 中看出，含LH3 的混煉膠外觀最光滑。分析認(rèn)為，這可能和LH3 片狀結(jié)構(gòu)有關(guān)[3]。這一特點(diǎn)顯示出LH3 在制備要求外觀光滑的擠出類產(chǎn)品(如密封條等產(chǎn)品)中比較有優(yōu)勢。

圖1 不同阻燃劑對乙丙橡膠壓延外觀的影響 （從左到右依次為1#、2#和3#） Fig.1 Effect of different flame retardants on the rolling surface appearance of EPDM (from the left,1#、2#和3#)

2.3 不同阻燃劑對乙丙橡膠物理機(jī)械性能的影響

研究對比了氫氧化鎂、氫氧化鋁及LH3 用量對乙丙橡膠物理機(jī)械性能的影響，結(jié)果如表2 所示。

表2 不同阻燃劑對乙丙橡膠物理機(jī)械性能的影響 Table 2 Effect of different flame retardants on the mechanical properties of EPDM

從表2 不同阻燃劑對乙丙橡膠物理機(jī)械性能的影響中可以看出，隨著阻燃劑用量增加，硫化膠的硬度都逐漸增大，其中LH3 的硬度及定伸最小，扯斷伸長率最大，拉伸強(qiáng)度介于氫氧化鎂與氫氧化鋁之間。

2.4 不同阻燃劑對乙丙橡膠阻燃性能的影響

LH3 與氫氧化鎂、氫氧化鋁一樣，在高溫下會受熱分解，吸收大量的熱，因而具有阻燃作用[3]。研究對比了這三種阻燃劑用量對乙丙橡膠氧指數(shù)的影響，結(jié)果如圖2 所示。從圖2 不同阻燃劑用量對乙丙橡膠阻燃性能的影響中可見，隨著三種阻燃劑用量增大，氧指數(shù)逐漸增大。 LH3 的氧指數(shù)比氫氧化鎂的要小，比氫氧化鋁的略大，更接近氫氧化鋁。

圖2 不同阻燃劑對乙丙橡膠阻燃性能的影響 Fig.2 Effect of different flame retardants on the flame retardance of EPDM

2.5 LH3 與紅磷的協(xié)同阻燃效應(yīng)

在總阻燃劑用量125 份基礎(chǔ)上，考察了LH3與紅磷并用比例對氧指數(shù)的影響，結(jié)果如圖3 所示。從圖3 中可以看出，隨著紅磷用量增大，氧指數(shù)逐漸增大。圖3 表明紅磷與LH3 有顯著的協(xié)同阻燃效應(yīng)。LH3 主要成分為水菱鎂石-斜方云石。受熱時LH3 會釋放出水和二氧化碳，并吸收大量的熱。紅磷受熱時在燃燒物表面分解產(chǎn)生一層粘稠的覆蓋物，阻隔燃燒過程中氧、熱及小分子的擴(kuò)散。紅磷高溫下釋放的PO·與促進(jìn)燃燒進(jìn)行的H·和OH·反應(yīng)，終止燃燒的鏈反應(yīng)，減少火焰區(qū)反饋到橡膠的熱量，起到抑制火焰的作用[7]。

因此，紅磷和LH3 并用可以提高乙丙橡膠的阻燃性能。

圖3 LH3 用量對乙丙橡膠氧指數(shù)的影響 Fig. 3 1 Effect of the content of LH3 on the limited oxygen index of EPDM

3 結(jié)論

LH3 與氫氧化鎂、氫氧化鋁相比，填充LH3的乙丙橡膠混煉膠的粘度較小，壓延外觀較光滑；焦燒時間及正硫化時間都較短；硫化膠的硬度小，拉伸強(qiáng)度介于氫氧化鎂與氫氧化鋁之間；扯斷伸長率大于氫氧化鎂及氫氧化鋁的；氧指數(shù)介于氫氧化鋁及氫氧化鎂之間，與紅磷有協(xié)同阻燃效應(yīng)。LH3作為無鹵阻燃劑很適合做擠出類的無鹵阻燃密封條類產(chǎn)品。

[1]王增加，李輔安，李翠云. 阻燃高分子復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J]. 化工新型材料，2004，32 (10)：11-13.

[2]關(guān)瑞芳，李寧. 無機(jī)阻燃劑的應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展前景[J]. 合成材料老化與應(yīng)用，2013，42(04)：55-57.

[3]郭如新. 礦物型鎂質(zhì)阻燃劑近期發(fā)展動向[J]. 塑料助劑，2011，88(04)：14-17.

[4]郭如新. 鎂質(zhì)阻燃劑的現(xiàn)狀與前景[J]. 塑料助劑，2011，86(02)：1-6.

[5]郭如新. 水菱鎂石-斜方云石鎂質(zhì)阻燃劑近況[J].塑料助劑，2012，91(01)：10-14.

[6]郭如新. 水鎂石、水菱鎂石和斜方云石資源、加工與應(yīng)用[J]. 無機(jī)鹽工業(yè)，2012，44(02)：13-16.

[7]王淑波，曾紫毅，彭琳. 有機(jī)磷阻燃劑的研究進(jìn)展[J]. 廣東化工，2013，40(11)：79-81.