EVM/EPDM無鹵阻燃橡膠材料的制備及性能

肖建斌，唐梓銘，王 晗，張永章，馬俊易

(青島科技大學 高分子科學與工程學院，山東 青島 266042)

三元乙丙橡膠(EPDM)實質(zhì)上是鏈烷烴，而鏈烷烴是飽和的、非極性的，所以EPDM穩(wěn)定性好，耐各種老化、耐腐蝕、耐水，近年來廣泛地應(yīng)用于防水卷材等各種領(lǐng)域，但EPDM阻燃性差、易燃[1]。乙華平橡膠(EVM)阻燃性能好，難燃，燃燒發(fā)煙量低[2]，這是因為燃燒時會使EVM主鏈斷裂，造成醋酸乙烯酯脫離主鏈，而這個過程是吸熱的，可以抑制燃燒，故EVM中VA含量越高，其阻燃性能越好[3]。同時EPDM與EVM具有很好的相容性，若兩者共混，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，將大大拓展現(xiàn)有橡膠的性能和應(yīng)用范圍。

本文將EPDM與EVM共混，并添加適量超細氫氧化鎂作為阻燃填料，制備出兼顧力學性能和阻燃性能的一種材料。并使用錐形量熱儀和氧指數(shù)來表征不同EVM/EPDM共混比及超細氫氧化鎂添加量對共混材料阻燃性能的影響。

1 實驗部分

1.1 原料

EPDM：4640，阿朗新科高性能彈性體有限公司； EVM：levapren 700，阿郎新科高性能彈性體有限公司；超細氫氧化鎂：06B，上海懋通實業(yè)有限公司；其他材料為市售產(chǎn)品。

1.2 儀器與設(shè)備

錐形量熱儀：標準型，英國FTT公司；掃描電子顯微鏡(SEM)：JSM-7500F型，日本電子株式會社；電子拉力機：AI-7000S型，臺灣高鐵科技股份有限公司；厚度計：HD -10型，上?；C械四廠；橡膠硬度計：LX-D型，上海六菱儀器廠；氧指數(shù)測定儀：PX-01-005，蘇州菲尼克斯質(zhì)檢儀器有限公司。

1.3 實驗配方

基本配方(質(zhì)量份)為：ZnO 5，SA 2，強威粉 30，N330 30，石蠟油 10，磷酸酯 6，DCP 5，TAIC 2，EPDM/EVM和超細氫氧化鎂的用量為變量。

1.4 試樣制備

將EPDM 和EVM 按一定比例投入密煉機中，控制密煉機溫度60 ℃，轉(zhuǎn)速為50 r/min，1 min 后加入小料和填料。轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)后排膠開煉機下片，控制排膠溫度不高于100 ℃。

1.5 性能測試

(1)硫化特性：按照GB/T 9869—2014進行測試，測試溫度為165 ℃。

(2)物理機械性能：拉伸性能按照GB/T 528—2009在電子拉力機上進行測試；撕裂性能按照GB/T 529—2008在電子拉力機上進行測試；邵爾A硬度按照GB/T 531.1—2008進行測試。

(3)SEM分析：采用液氮將拉伸試樣脆斷，然后在斷面涂導電液、噴金，觀察斷面情況。

(4)氧指數(shù)：按照GB/T10707—2008進行測試。

(5)錐形量熱儀：按照ASTM E-1354對材料的燃燒性能進行測試，試樣長度為100 mm，寬度為100 mm，厚度為4 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 EPDM/EVM共混膠料的力學性能

從表1可以看出，隨著EVM添加量的增加，EPDM/EVM共混膠料的拉伸強度和撕裂強度都先增加后減小，這是因為EVM鏈段存在結(jié)晶，強度比EPDM大，在EVM添加量較少時會提高共混膠料的整體強度，而當EVM添加量變大時，由于EVM與EPDM相容性較差，共混導致膠料缺陷增加，共混膠料強度下降[4-5]。

表1 EPDM/EVM共混材料力學性能

從表1還可以看出，隨超細氫氧化鎂用量的增加，EPDM/EVM共混膠料的拉伸強度和撕裂強度先增加后減小。這是因為超細氫氧化鎂粒徑較小接近納米級，具有一定的補強作用，少量加入可改善共混材料的力學性能，但大量添加會在膠料中分散不均勻?qū)е卵a強作用降低，故過量添加力學性能下降[6-7]。

2.2 EPDM/EVM共混材料的相容性

為更加直觀地觀察EVM含量對EPDM/EVM共混材料的相容性的影響，選取超細氫氧化鎂為125份的3#、6#、9#進行SEM測試，通過圖1可以觀察共混材料的相容性。

由圖1可知，隨著膠料中EVM添加量的增加，EPDM/EVM共混膠料形貌越來越粗糙，逐漸出現(xiàn)兩相界面，超細氫氧化鎂的團聚也越來越明顯。原因是EPDM和EVM兩者的極性不同[8]，隨著EVM添加量的增多，共混體系的相容性變差。

(a)EPDM/EVM=100/0

(b)EPDM/EVM=75/25

(c)EPDM/EVM=50/50圖1 EPDM/EVM共混材料SEM照片

同時由圖2可知，隨著超細氫氧化鎂添加量的增加，EPDM/EVM共混膠料的相容性也發(fā)生變化。選取EVM用量為50份的7#、8#、9#進行SEM測試，觀察超細氫氧化鎂對膠料相容性的影響。由圖2可知，隨著超細氫氧化鎂添加量的增加，EPDM/EVM共混膠料形貌也出現(xiàn)越來越多的層狀結(jié)構(gòu)，超細氫氧化鎂的團聚也更加明顯。

(a)25份超細氫氧化鎂

(b)75份超細氫氧化鎂

(c)125份超細氫氧化鎂圖2 不同氫氧化鎂添加量的EPDM/EVM共混材料SEM照片

2.3 EPDM/EVM共混材料的氧指數(shù)

由圖3可知，當超細氫氧化鎂添加量一定時，隨著EVM添加量的增加，EPDM/EVM共混膠料的氧指數(shù)略微增加，但效果不明顯。而當EVM用量一定時，隨著超細氫氧化鎂添加量的增加，EPDM/EVM共混膠料的氧指數(shù)明顯增大。并且因為EVM的填充性能較好，與超細氫氧化鎂相容性較好[9-10]，EVM會提高超細氫氧化鎂的阻燃效率。

圖3 EPDM/EVM共混膠料的氧指數(shù)

2.4 EPDM/EVM共混膠料燃燒性能

2.4.1 熱釋放速率

選取超細氫氧化鎂用量為125份的3#、6#、9#進行熱釋放速率測試。

由圖4可知，EVM可以降低共混膠料的熱釋放速率。這是因為EVM在燃燒過程中主鏈斷裂產(chǎn)生吸熱作用，對共混膠料的燃燒起到一個抑制作用[11]。并且EVM用量越多，阻燃效果越明顯。由圖可以看出，三組共混膠料的熱釋放速率在100～500 s時間內(nèi)先下降后上升，這是由于超細氫氧化鎂在燃燒過程中釋放大量結(jié)晶水，并產(chǎn)生緊密的金屬物隔絕了空氣，延緩了共混膠料的燃燒，導致熱釋放速率下降，在300 s時超細氫氧化鎂被消耗無法釋放結(jié)晶水，導致熱釋放速率上升[12-13]。

t/s圖4 EPDM/EVM共混膠料的熱釋放速率

2.4.2 生煙速率

由圖5可見，隨著EVM添加量的的增加，EPDM/EVM共混膠料的最大生煙速率持續(xù)降低，說明EVM對共混膠料起到一定的阻燃作用。并且當EVM添加量為50份時，共混膠料在300 s左右的生煙速率為0，燃燒停止，這也說明EVM有一定的阻燃作用。

t/s圖5 EPDM/EVM共混膠料的生煙速率

2.4.3 總熱釋放量

繼續(xù)進行總熱釋放量對比，結(jié)果如圖6所示。

t/s圖6 EPDM/EVM共混材料的總熱釋放量

由圖6可見，EVM會降低材料燃燒的總熱釋放量，當EVM添加量為25份時，總熱釋放量下降明顯，繼續(xù)增加EVM，總熱釋放量基本不變。這是因為EVM阻燃主要靠主鏈斷裂醋酸乙烯酯的脫離進而產(chǎn)生吸熱反應(yīng)，而醋酸乙烯酯含量較少，對阻燃性能的貢獻不大[14-15]。

2.5 超細氫氧化鎂添加量對EPDM/EVM共混膠料阻燃性能的影響

2.5.1 熱釋放速率

為測試超細氫氧化鎂含量對EPDM/EVM共混材料阻燃性能的影響，選取EVM用量為50份的7#、8#、9#進行熱釋放速率測試，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，超細氫氧化鎂會降低EPDM/EVM共混膠料的熱釋放速率，隨著超細氫氧化鎂添加量的增加，共混膠料的熱釋放速率下降明顯。在超細氫氧化鎂的添加量為75份和125份時，共混膠料在300 s左右的熱釋放速率上升，這可能是超細氫氧化鎂消耗殆盡，對燃燒的抑制作用減弱。而當超細氫氧化鎂添加量為25份時共混膠料的熱釋放速率持續(xù)下降，說明當超細氫氧化鎂添加量較少時對燃燒的作用有限。

t/s圖7 不同超細氫氧化鎂添加量對共混材料熱釋放速率的影響

2.5.2 生煙速率

由圖8可見，相比超細氫氧化鎂添加量為25份，超細氫氧化鎂添加量為75份和125份時共混膠料的最大生煙速率下降明顯，并且其生煙速率先上升再下降。這是因為超細氫氧化鎂在燃燒過程中消耗殆盡導致的。

t/s圖8 不同超細氫氧化鎂添加量對共混材料生煙速率的影響

2.5.3 總熱釋放量

不同超細氫氧化鎂添加量對共混材料總熱釋放量的影響見圖9。

時間/s圖9 不同超細氫氧化鎂添加量對共混材料總熱釋放量的影響

由圖9可以看出，隨著超細氫氧化鎂添加量的增加，EPDM/EVM共混膠料的總熱釋放量不斷下降，這說明在燃燒過程中超細氫氧化鎂能降低EPDM/EVM共混膠料的熱釋放量，提高共混材料的阻燃性能。

3 結(jié) 論

(1)隨著EVM共混比例增大，EPDM/EVM共混材料的拉伸強度和撕裂強度先上升后下降；隨EVM共混比例上升，EPDM/EVM共混材料燃燒的最大生煙速率、熱釋放速率和總熱釋放量降低，但效果一般。

(2)隨著超細氫氧化鎂添加量的增加，EPDM/EVM共混材料的拉伸強度和撕裂強度先升高后降低。

(3)隨著超細氫氧化鎂添加量增加，共混材料的最大煙釋放速率、熱釋放速率、總熱釋放速率下降明顯，其中添加75份超細氫氧化鎂的生煙速率較小，添加125份超細氫氧化鎂的熱釋放速率、總熱釋放量最小。