水滑石/紅磷/磷酸三甲苯酯復配體系在丁苯橡膠阻燃中的應用

柴德超， 劉大晨

(沈陽化工大學材料科學與工程學院，遼寧沈陽110142)

隨社會防火意識的增強，越來越多的場合要求使用的橡膠制品具有阻燃性，例如煤礦中的運輸帶，導風筒，電纜;建筑領域用的鋪地材料，門窗密封條，家用電器;船舶中使用的許多橡膠制品等.目前使用的阻燃劑普遍存在阻燃效率不高、功能單一、與橡膠基體相容性較差等缺陷，因此，開發(fā)新型無鹵阻燃劑以綜合平衡阻燃復合材料各組分的物理、化學、阻燃和實際使用等多方面的性能是阻燃橡膠材料發(fā)展的一個方向［1］.雖然囯內外有不少研究者對無鹵阻燃劑制備阻燃橡膠作了研究［2－7］，且關于這方面報道也不少，但用水滑石作為橡膠阻燃劑的報道甚少.本文以水滑石、微膠囊紅磷和磷酸三甲苯酯阻燃劑協(xié)同阻燃來提高丁苯橡膠的阻燃性能.對橡膠無鹵阻燃的發(fā)展與應用具有深遠意義.

1 實驗部分

1.1 主要原材料

丁苯橡膠-1500，吉林石化公司;水滑石，丹東天賜阻燃科技有限公司;微膠囊紅磷(MRP)，江蘇連云港傳奇阻燃制品公司;炭黑N330;白炭黑;磷酸三甲苯酯(TCP);氧化鋅、硬脂酸、硫黃、促進劑NOBS、防老劑4010NA均為常用市售橡膠工業(yè)助劑.

母料配方:丁苯橡膠-1500 100份;硫黃2.7份;NOBS 1.0份;氧化鋅 5.0份;硬脂酸 1.0份;防老劑4010NA 1.0份;炭黑N330 10份;白炭黑40份.

1.2 實驗設備

RG L-30A型微機控制電子萬能試驗機; XK-160型開放式煉膠機;GT-M2000-A型橡膠硫化測定儀;XLB400×400×2E型平板硫化機;JP-3型氧指數(shù)測定儀.

1.3 性能測試

拉伸強度(拉斷伸長率)參照GB528-82;邵氏硬度參照GB531-83;氧指數(shù)參照GB2406-80.

2 結果與討論

2.1 3種無機阻燃劑對丁苯橡膠性能的影響

分別將相同份數(shù)(120份)的水滑石、氫氧化鋁、氫氧化鎂添加到丁苯橡膠中，所得結果見表1.由表1可知，水滑石的氧指數(shù)比氫氧化鋁的高7.9%，比氫氧化鎂的高7.2%.這是由于在燃燒過程中，水滑石層間的結合水，分解時不僅放出大量的氣態(tài)水，還釋放二氧化碳阻燃氣體，最終的熱分解殘余物氧化鎂和氧化鋁覆蓋于基體表面，一方面能形成隔熱層，另一方面，這種殘余物的隔熱層也隔離了空氣中的氧氣，從而起到凝聚相阻燃作用.因此，選擇水滑石與微膠囊紅磷和磷酸三甲苯酯協(xié)同阻燃丁苯橡膠.

表1 3種無機阻燃劑對丁苯橡膠性能的影響Table 1 Three kinds of inorganic flame retardants for the properties of SBR

2.2 水滑石用量對丁苯橡膠性能的影響

在紅磷(5份)和TCP(5份)用量一定的條件下，考查不同用量的水滑石(0、60、80、100、120、150份)對丁苯橡膠性能的影響，結果如圖1、圖2所示.

2.2.1 水滑石用量對丁苯橡膠阻燃性能的影響

由圖1可見，丁苯橡膠的氧指數(shù)隨著水滑石用量的增加而升高，氧指數(shù)較高，有的甚至超過40%，阻燃效果較好.綜合水滑石用量對丁苯橡膠阻燃性和力學性能的影響，選擇水滑石的用量為80份.

圖1 水滑石用量對丁苯橡膠阻燃性的影響Fig.1 Effects of LDH dosages on flame retardant properties of SBR

2.2.2 水滑石用量對丁苯橡膠力學性能的影響

由圖2可以看出，丁苯橡膠的抗拉強度隨水滑石填充量的增加而迅速下降，拉斷伸長率逐漸下降，容易斷裂.這是由于水滑石是一種無機填充劑，具有親水性，與橡膠的親和性差，不容易被橡膠大分子濕潤，使水滑石和橡膠間產生縫隙，且水滑石的添加量很多，使含膠率降低.

圖2 水滑石用量對丁苯橡膠力學性能的影響Fig.2 Effects of LDH dosages on the mechanical properties of SBR

2.3 微膠囊紅磷的用量對丁苯橡膠性能的影響

在LDH(80份)和TCP(5份)用量一定的條件下，考查不同用量的微膠囊紅磷(0、5、10、15、20、25份)對丁苯橡膠性能的影響，結果如圖3、圖4所示.

圖3 微膠囊紅磷用量對丁苯橡膠阻燃性能的影響Fig.3 Effects of MRP dosages on flame retardant properties of SBR

2.3.1 微膠囊紅磷用量對丁苯橡膠阻燃性能的影響

由圖3可以看出，隨微膠囊紅磷用量的增加，丁苯橡膠的氧指數(shù)越來越大.這是由于微膠囊紅磷對水滑石有較好的協(xié)助阻燃效應.微膠囊紅磷遇熱時生成磷酸和多磷酸，促進聚合物燃燒脫水碳化，生成隔熱和阻止聚合物降解的保護層，其次生成的磷酸和多磷酸會加速水滑石的分解速度，短時間內增加基體表面惰性氣體量和無機物的覆蓋量.

2.3.2 微膠囊紅磷用量對丁苯橡膠力學性能的影響

由圖4可知:丁苯橡膠的抗拉強度隨微膠囊紅磷用量的增加而減小，趨勢比較明顯;拉斷伸長率先增加后減小，在微膠囊紅磷為10份時達到最大值.由于微囊紅磷的粒徑較大，補強作用差，隨MRP份數(shù)增加，SBR硫化膠的含膠量下降，導致力學性能下降.比較微膠囊紅磷的用量給力學性能和阻燃性能帶來的影響，選擇微膠囊紅磷的用量為10份(抗拉強度12.54 MPa，拉斷伸長率527.5%).

圖4 微膠囊紅磷用量對丁苯橡膠力學性能的影響Fig.4 Effects of MRP dosages on the mechanical properties of SBR

2.4 TCP用量對丁苯橡膠性能的影響

TCP是一種液態(tài)阻燃劑，兼有阻燃和增塑2種效果.在加入80份LDH和10份MRP的條件下，考查TCP的用量變化(0、5、10、15、20和25份)對丁苯橡膠性能的影響，結果如圖5、圖6和圖7所示.

2.4.1 TCP用量對丁苯橡膠阻燃性能的影響

由圖5可以看出:隨TCP用量的增加，氧指數(shù)呈上升趨勢，當TCP用量超過10份以后氧指數(shù)增加不明顯.TCP遇火受熱時生成強酸聚偏磷酸，有強脫水功能，促進基體脫水而炭化，形成炭化物層，保護下面的橡膠基體不再受到火與熱的侵襲.

圖5 TCP用量對丁苯橡膠阻燃性能的影響Fig.5 Effects of TCP dosages on flame retardant properties of SBR

2.4.2 TCP用量對丁苯橡膠力學性能的影響

由圖6可見，隨TCP用量增加，抗拉強度先升高后降低，拉斷伸長率逐漸升高.這是因為TCP分子進入橡膠分子，增大橡膠分子間距離，減弱大分子間作用力，使分子鏈較易滑動，宏觀上增大膠料柔軟性和流動性，起到增塑劑作用.

圖6 TCP用量對丁苯橡膠抗拉強度和拉斷伸長率的影響Fig.6 Effects of TCP dosages on the tensile strength and elongation at break of SBR

圖7 TCP用量對丁苯橡膠硬度的影響Fig.7 Effects of TCP dosages on the hardness of SBR

由圖7可以看出，丁苯橡膠的硬度隨TCP用量的增加而降低，提高了膠料的流動性和可操作性.綜合其抗拉強度、拉斷伸長率、硬度和阻燃效果，TCP用量為10份時丁苯橡膠的性能較好.

3 結論

(1)在相同條件下，與氫氧化鋁、氫氧化鎂相比，水滑石的阻燃效率更高.

(2)添加TCP使邵氏硬度降低很多，保持在65～80 HA之間，易于操作，符合工業(yè)生產和日常使用要求.

(3)綜合對丁苯橡膠機械性能和阻燃性能的影響，添加80份水滑石、10份微囊紅磷和10份TCP時丁苯橡膠中有較好的阻燃性能，同時給丁苯橡膠機械性能帶來的損失相對較小.

［1］ 王永強.阻燃材料及應用技術［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2003:374－377.

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