粉煤灰基阻燃劑在阻燃輸送帶膠料中的應用研究

于立東，肖建斌

（青島科技大學橡塑材料與工程教育部重點實驗室，山東 青島 266042）

為適應我國煤礦工業高產、高效、集約化生產的需要，長距離、高帶速、大運量、大功率的帶式輸送機成為礦井運輸設備的發展方向，同時也對輸送帶物理性能和安全性能提出了更高的要求。

我國煤炭能源消耗巨大，其中約70%用于發電，作為煤炭燃燒的主要副產物粉煤灰產量不斷上升。粉煤灰過去主要用作附加值較低的建筑材料，經研究，粉煤灰還可作為阻燃劑用于聚氯乙烯[1]、環氧樹脂[2]等。北京低碳清潔能源研究所研制的粉煤灰基阻燃劑為粉煤灰高價值應用提供了可能。本工作對粉煤灰基阻燃劑在阻燃輸送帶膠料中的應用進行初步研究。

1 實驗

1.1 主要原材料

粉煤灰基阻燃劑，北京低碳清潔能源研究所提供。

1.2 主要設備與儀器

XSM-500型橡塑試驗密煉機，上海科創橡塑機械設備有限公司產品；S（X）K-160A型開煉機，青島化工機械廠產品；GT-M2000-A型硫化測定儀、AI-7000S型電子拉力機和HC-2型氧指數測定儀，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產品；JQSYM-2型塑料煙密度測定儀，中國臺灣金龍試驗設備廠產品；JSM-6700F型掃描電鏡（SEM），日本JEOL公司產品。

1.3 試驗配方

丁腈橡膠（NBR）/氯化聚乙烯（CM），50/50；氧化鋅，5；硬脂酸，0.5；炭黑N330，40；硫黃，0.5；過氧化物DCP，1.5；促進劑M，0.5；季戊四醇、硼酸鋅、聚磷酸銨、磷酸三甲苯酯和粉煤灰基阻燃劑，變量。

1.4 試樣制備

膠料分2段混煉，一段混煉在密煉機中進行，加料順序為：NBR和CM→氧化鋅、硬脂酸和促進劑→炭黑和阻燃劑→排膠；二段混煉在開煉機上進行，加料順序為：一段混煉膠→硫化劑→薄通6次，出片。混煉膠停放24 h后硫化，硫化溫度為165 ℃。

1.5 性能測試

膠料性能均按相應國家標準測試。

2 結果與討論

2.1 粉煤灰基阻燃劑對膠料物理性能和氧指數的影響

在阻燃輸送帶中常采用膨脹阻燃體系，膨脹型阻燃體系主要由成炭劑、脫水劑、發泡劑3部分組成[3]。成炭劑是指在燃燒過程中被脫水劑奪走水分而炭化的物質，是形成泡沫炭化層的基礎。脫水劑在燃燒過程中奪走成炭劑水分，其主要作用是促進多羥基化合物脫水炭化，形成一定厚度的不易燃燒的炭質層。發泡劑受熱時分解、釋放出大量無毒的氣體，使膠料膨脹并形成細泡海綿狀物質，同時有滅火作用。季戊四醇含較多官能團，作為成炭劑在膨脹型阻燃劑中應用較多。硼酸鋅效能是較強的成炭促進劑，能在固相中促進致密而堅固的炭化層生成，既可隔熱又能隔絕空氣，還是燃燒抑制劑[4-5]。

在阻燃輸送帶膠料膠料中，對粉煤灰基阻燃劑的作用進行考察，結果如表1所示。從表1可以看出：粉煤灰基阻燃劑取代季戊四醇和聚磷酸銨（脫水劑）后，膠料（3#配方）的氧指數不變，門尼粘度、拉伸強度、撕裂強度變化很小，硬度略有降低；粉煤灰基阻燃劑取代硼酸鋅、季戊四醇和聚磷酸銨后，膠料（4#配方）的門尼粘度上升不大，氧指數、硬度、拉伸強度有所降低，撕裂強度不變；粉煤灰基阻燃劑取代硼酸鋅、季戊四醇、聚磷酸銨和磷酸三甲苯酯（阻燃劑）后，膠料（5#配方）的氧指數增大，拉伸強度和撕裂強度提高，但門尼粘度急劇上升。綜合而言，粉煤灰基阻燃劑取代硼酸鋅、季戊四醇和聚磷酸銨的4#配方膠料的加工性能和物理性能較好，氧指數變化也不大。

表1 粉煤灰基阻燃劑對膠料物理性能和氧指數的影響

2.2 粉煤灰基阻燃劑對膠料熱穩定性的影響

為表征膠料的熱穩定性，對膠料進行熱重分析（TG），結果如圖1所示。試驗條件為：氮氣氛圍，溫度30～700 ℃，升溫速率10 ℃·min－1。從圖1可以看出：1#和4#配方膠料的TG曲線均有3個質量損失臺階，反映在DTG曲線上有3個質量損失峰；1#和4#配方膠料分別在145.4 ℃和243.3 ℃出現第1個質量損失峰，即4#配方膠料第1個質量損失峰溫度較1#配方膠料提高近100 ℃；1#和4#配方膠料分別在243.3 ℃和295.9 ℃出現第2個質量損失峰，即4#配方膠料的第2個質量損失峰溫度較1#配方膠料提高52.6 ℃；2個配方膠料的第3個質量損失峰溫度均在460 ℃以上，這是NBR/CM并用膠的熱氧分解溫度。可以得出，粉煤灰基阻燃劑取代硼酸鋅、季戊四醇和聚磷酸銨的4#配方膠料的熱穩定性較好。

圖1 1#和4#配方膠料的TG 和DTG 曲線

2.3 粉煤灰基阻燃劑對膠料產煙的比光密度的影響

1#和4#配方膠料產煙的比光密度與時間的關系如圖2所示。從圖2可以看出：在0～150 s內，1#和4#配方膠料產煙的比光密度增長速率一致；在約300 s時，1#配方膠料產煙的比光密度最大，之后逐漸下降；4#配方膠料產煙的比光密度整體變化不大，這可能是由于粉煤灰基阻燃劑的耐熱性能優于硼酸鋅、季戊四醇和聚磷酸銨；400 s后，4#配方膠料產煙的比光密度大于1#配方膠料，但總體相差不大。總的說來，粉煤灰基阻燃劑取代硼酸鋅、季戊四醇和聚磷酸銨的4#配方膠料成炭抑煙效果稍差。

圖2 1#和4#配方膠料產煙的比光密度與時間的關系

2.4 粉煤灰基阻燃劑在膠料中的分散性

1#和4#配方膠料斷面的SEM照片如圖3所示。從圖3可以看出：1#和4#配方膠料內部均存在較多顆粒，但1#配方膠料的大顆粒多且有的粒徑達20 μm以上，表面粗糙；4#配方膠料的顆粒相對較小，表面光滑，結構致密，分散均勻。這說明粉煤灰基阻燃劑在膠料中的分散性較好。

圖3 1#和4#配方膠料斷面的SEM 照片

3 結論

粉煤灰基阻燃劑替代硼酸鋅、季戊四醇和聚磷酸銨用于NBR/CPE阻燃輸送帶膠料中，膠料的加工性能、物理性能、阻燃性能變化不大，熱穩定性顯著提高，燃燒前期抑煙效果較好。粉煤灰基阻燃劑可以替代或部分替代硼酸鋅、季戊四醇和聚磷酸銨用于NBR/CPE阻燃輸送帶膠料中。