超細(xì)氫氧化鋁對(duì)天然橡膠性能影響的研究

段金鳳，王魯靜，王艷輝，徐 亮，索 偉

(山東泰星新材料股份有限公司,山東 濟(jì)南 250200)

氫氧化鋁分子式為Al(OH)3或Al2O3·3H2O，相對(duì)分子質(zhì)量為156.00,呈白色粉末，無(wú)味、無(wú)毒，200 ℃以上開始失水變成Al2O3[1]。氫氧化鋁阻燃劑憑借著自身抑煙、阻燃、無(wú)毒、不揮發(fā)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在聚合物阻燃領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用，用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他阻燃劑[2]。

超細(xì)氫氧化鋁是采用特殊生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的規(guī)則晶體結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，具有純度高、粒徑小、晶型好，表面活性低，比表面積小等優(yōu)點(diǎn)，可在橡膠、塑料中大量填充，能夠適用于各類加工技術(shù)。其阻燃原理是在受熱分解過(guò)程中釋放出大量結(jié)晶水，由于結(jié)晶水蒸發(fā)需要吸收大量的熱量，從而起到冷卻聚合物材料的作用；產(chǎn)生的水蒸氣可以稀釋可燃?xì)怏w，抑制燃燒蔓延；新生成的金屬氧化物具有較高的活性，可以吸附固體顆粒，起到抑煙的作用。另外，覆蓋在聚合物材料表面的金屬氧化物可以促進(jìn)基材表面成炭，阻止火焰?zhèn)鞑3]。由于氫氧化鋁無(wú)機(jī)阻燃劑具有極強(qiáng)的極性及親水性，同非極性聚合物材料間相容性差，為改善氫氧化鋁同聚合物之間的相容性通常需要對(duì)其進(jìn)行表面處理，采用偶聯(lián)劑對(duì)氫氧化鋁進(jìn)行表面處理是最為有效的方法之一[3]。

本文以天然橡膠為基材，研究了超細(xì)氫氧化鋁表面處理前后對(duì)硫化橡膠力學(xué)性能、阻燃性能的影響，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，開拓了超細(xì)氫氧化鋁在橡膠中的應(yīng)用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

天然膠(SCR WF)，海南天然橡膠產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司；炭黑N220，金能科技股份有限公司；超細(xì)氫氧化鋁(D50：0.8～2.1 μm)，山東泰星新材料股份有限公司；氧化鋅，山東泰星新材料股份有限公司；其他助劑，市售。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

開煉機(jī)(G-XK-160)，東莞高歌精密機(jī)械模具有限公司；密煉機(jī)(KY-3220-2L)，東莞市厚街開研機(jī)械設(shè)備廠；平板硫化機(jī)(XLB-500-3D)，青島雙凌科技設(shè)備有限公司；無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀(MZ-4010B1)，江蘇明珠試驗(yàn)機(jī)械有限公司；沖片機(jī)(MZ-4102)，江蘇明珠試驗(yàn)機(jī)械有限公司；DIN磨耗試驗(yàn)機(jī)(MZ-4060)，江蘇明珠試驗(yàn)機(jī)械有限公司；電子拉力試驗(yàn)機(jī)(AI-3000)，高鐵檢測(cè)儀器有限公司；自動(dòng)氧指數(shù)測(cè)試儀(ZR-011)，青島山紡儀器有限公司；水平垂直燃燒測(cè)定儀(M607)，青島山紡儀器有限公司。

1.3 基本配方

天然膠 100份；炭黑N220 35份；氧化鋅 6份；硬脂酸 2份；硫磺 2.4份；其他助劑 3.2份。

1.4 試樣制備

天然膠經(jīng)開煉機(jī)塑煉后，由密煉機(jī)混煉，加料順序?yàn)椋禾烊荒z生膠→小料(氧化鋅、促進(jìn)劑等)→炭黑→氫氧化鋁、導(dǎo)電炭黑→硫磺。出料后，在開煉機(jī)上薄通、出片，在平板硫化機(jī)上進(jìn)行硫化，制備物性、阻燃、磨耗等試樣。

1.5 性能測(cè)試

性能測(cè)試項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)詳見表1。

表1 測(cè)試項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與討論

2.1 超細(xì)氫氧化鋁添加量對(duì)天然橡膠性能的影響

在試驗(yàn)基本配方中加入不同添加量的超細(xì)氫氧化鋁，其余組份保持不變，硫化膠試樣的各項(xiàng)力學(xué)性能及阻燃性能的變化如表2。

從表2看出，在該配方體系中，隨超細(xì)氫氧化鋁添加量的增大，硫化膠力學(xué)性能呈現(xiàn)明顯的下降，拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長(zhǎng)率及撕裂強(qiáng)度均下降，相對(duì)體積磨耗量增大，耐磨性能變差。而硫化膠氧指數(shù)隨超細(xì)氫氧化鋁添加量的增大得到提升，在一定范圍內(nèi)，氫氧化鋁添加量每增大30份，硫化膠氧指數(shù)約增大2個(gè)單位。

表2 超細(xì)氫氧化鋁用量對(duì)天然橡膠性能的影響

由于在該配方體系中，阻燃性能主要依靠加入的超細(xì)氫氧化鋁來(lái)實(shí)現(xiàn)，氫氧化鋁添加量越大，硫化膠燃燒時(shí)氫氧化鋁分解吸收的熱量越多，并且產(chǎn)生的結(jié)晶水越多，進(jìn)而更好的稀釋可燃性氣體和氧氣的濃度，提高氧指數(shù)及阻燃性能[4]。但隨著氫氧化鋁填加量的增大，無(wú)機(jī)成份所占比例增大，含膠量降低，在受到外力作用時(shí)硫化膠中交聯(lián)鍵間協(xié)同能力減弱，導(dǎo)致力學(xué)性能下降。為改善氫氧化鋁同聚合物之間的相容性，采用偶聯(lián)劑對(duì)超細(xì)氫氧化鋁進(jìn)行表面處理是最為有效的方法之一。

2.2 硅烷偶聯(lián)劑改性超細(xì)氫氧化鋁對(duì)天然橡膠性能的影響

在試驗(yàn)基本配方中加入150份經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑表面處理后的超細(xì)氫氧化鋁。硅烷偶聯(lián)劑添加量分別為超細(xì)氫氧化鋁質(zhì)量的0、1%、1.5%、2%、2.5%、3%，其余組份保持不變，硫化膠的力學(xué)性能及阻燃性能變化如表3。

從表3中看出，硅烷偶聯(lián)劑添加量對(duì)氫氧化鋁的應(yīng)用效果表現(xiàn)為拉伸強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率先提升后下降，當(dāng)硅烷偶聯(lián)劑添加量為1.5%時(shí)，改性超細(xì)氫氧化鋁應(yīng)用效果最好，拉伸強(qiáng)度能達(dá)到13.10 MPa，扯斷伸長(zhǎng)率達(dá)到286.83%。硅烷偶聯(lián)劑添加量對(duì)改性超細(xì)氫氧化鋁的阻燃性能提升不明顯，硫化膠氧指數(shù)基本保持在30%左右，垂直燃燒均能達(dá)到阻燃FV-0級(jí)別。即在一定范圍內(nèi)，硅烷偶聯(lián)劑添加量對(duì)改性超細(xì)氫氧化鋁應(yīng)用效果的改善主要體現(xiàn)在力學(xué)性能方面，在阻燃性能、氧指數(shù)方面變化較小。

表3 硅烷偶聯(lián)劑用量對(duì)改性超細(xì)氫氧化鋁在天然膠中應(yīng)用效果的影響

2.3 改性超細(xì)氫氧化鋁添加量對(duì)天然膠性能的影響

在硅烷偶聯(lián)劑添加量對(duì)超細(xì)氫氧化鋁應(yīng)用效果影響的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，優(yōu)選出1.5%硅烷偶聯(lián)劑添加量改性的超細(xì)氫氧化鋁進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)。在試驗(yàn)基本配方中加入不同用量的改性超細(xì)氫氧化鋁，改性超細(xì)氫氧化鋁添加量分別為90、120、150份。其余組份保持不變，硫化膠試樣的力學(xué)性能及阻燃性能與未改性超細(xì)氫氧化鋁用量對(duì)天然膠性能的影響對(duì)比如表4。

表4表明，添加經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑表面處理后超細(xì)氫氧化鋁的天然膠，與添加未改性超細(xì)氫氧化鋁的天然膠相比，加工性能得到改善，力學(xué)性能提升，阻燃性能改善不明顯。從表4看出，氫氧化鋁改性前后應(yīng)用效果相差較大，相同添加量下，采用改性氫氧化鋁的硫化膠拉伸強(qiáng)度高出2～3 MPa，扯斷伸長(zhǎng)率高出 30%～ 50%，磨耗性能下降約20 mm3。從氧指數(shù)及垂直燃燒來(lái)看，阻燃性能并未得到明顯改善。

表4 超細(xì)氫氧化鋁改性前后對(duì)天然膠性能的影響

表面改性可以顯著提高超細(xì)氫氧化鋁與天然膠之間的相容性，進(jìn)而改善力學(xué)性能。從硅烷偶聯(lián)劑的分子結(jié)構(gòu)來(lái)看，硅烷偶聯(lián)劑分子中含有兩類不同的化學(xué)官能團(tuán)，它的一端能與無(wú)機(jī)材料的羥基反應(yīng)，形成氫鍵，并在一定的條件下縮合、脫水和固化，形成共價(jià)鍵；另一端又能與有機(jī)高分子材料結(jié)合，從而使有機(jī)高分子材料—硅烷偶聯(lián)劑—無(wú)機(jī)材料之間產(chǎn)生一種良好的界面結(jié)合，將兩種性質(zhì)差異較大的材料牢固的結(jié)合在一起，從而改善力學(xué)性能[5]。

3 結(jié)論

1)超細(xì)氫氧化鋁阻燃天然橡膠時(shí)，隨添加量的增加，力學(xué)性能下降明顯。當(dāng)添加量達(dá)到150份時(shí)，阻燃達(dá)到FV0級(jí)別，氧指數(shù)達(dá)到29%，發(fā)煙量較小。在低煙低鹵條件下，可適當(dāng)考慮與少量的鹵系阻燃劑協(xié)同阻燃，以改善力學(xué)性能。

2)采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)超細(xì)氫氧化鋁進(jìn)行表面改性處理可以有效提高氫氧化鋁與天然膠之間的相容性，改善加工性能及硫化膠的力學(xué)性能，阻燃性能變化較小。當(dāng)硅烷偶聯(lián)劑添加量為氫氧化鋁質(zhì)量的1.5%時(shí)，性能提升最大。

3)在該配方體系下，一定范圍內(nèi)，超細(xì)氫氧化鋁添加量每增大30份，硫化膠的氧指數(shù)約增大2個(gè)單位。

4 結(jié)束語(yǔ)

天然橡膠廣泛應(yīng)用于輪胎、膠帶、膠管、電線電纜和多數(shù)橡膠制品，是應(yīng)用最廣的橡膠。本文以天然橡膠為基材，研究了超細(xì)氫氧化鋁表面處理前后對(duì)天然橡膠力學(xué)性能、阻燃性能的影響，開拓了超細(xì)氫氧化鋁在天然橡膠中的應(yīng)用價(jià)值。