典型復配膨脹阻燃體系對三元乙丙橡膠阻燃性能的影響研究

文/趙雪，中國民航大學

隨著材料合成技術的突飛猛進，合成橡膠技術也在飛速發展。在眾多橡塑制品中，三元乙丙橡膠因其卓越的耐高溫、耐老化等優良性能而廣泛用于汽車工業、電線電纜等行業和領域[1]。然而乙丙橡膠是易燃物，其純膠氧指數只有19左右[2]。因此，為了滿足安全要求，需要對橡膠進行阻燃。

本文使用的IFR由聚磷酸銨、季戊四醇和三聚氰胺組成，同時使用紅磷和十溴二苯乙烷與IFR進行復配，研究三種阻燃體系對橡膠力學性能和阻燃性能的影響。

1 實驗方法和過程

1.1 實驗原料

三元乙丙橡膠；聚磷酸銨（APP）；季戊四醇（PER）；三聚氰胺（MEL）；十溴二苯乙烷（十溴）；紅磷。

1.2 基本配方

橡膠，100份（質量份，下同）；氧化鋅，5份；硬脂酸，2份；橡膠防老化劑，1份；橡膠用抗臭氧防護蠟，1份；橡膠均勻劑，4份；炭黑，20份；增塑劑，10份；阻燃劑為變量（IFR配比為APP/PER/MEL=3:1:1，B系列和C系列的樣品中IFR用量均為50份）。

1.3 實驗儀器

開放式煉膠機；平板硫化機；拉伸試驗機；錐形量熱儀；氧指數儀。

1.4 實驗方法

1.4.1 力學性能測試：將平板硫化機壓片成型的厚度為2mm的硫化膠，裁成啞鈴型標準試樣。測定硫化膠的邵爾A硬度，測試樣品總厚度不低于6mm；使用電子拉力實驗機測定樣品的拉伸強度、拉斷伸長率及定伸應力。

1.4.2 錐形量熱儀測試：本文中用于錐形量熱測試的樣品尺寸為100mm×100 mm×6mm，樣品用鋁箔包覆。

1.4.3 極限氧指數測試：試樣尺寸為120mm×6.5mm×3mm。實驗時將試樣豎直的固定在玻璃燃燒筒中，氧氮混合氣流按一定比例由下向上流通，用點火器點燃試樣頂端的中心位置。

2 結果與討論

2.1 三種復配阻燃體系對橡膠力學性能的影響

從實驗結果來看，三種復配阻燃劑的加入都會使橡膠的邵爾A硬度增大，拉伸強度減小，拉斷伸長率減小，定伸應力增大。這些變化說明IFR、IFR和紅磷組成的復配阻燃劑以及IFR和十溴組成的復配阻燃劑的添加都會明顯降低橡膠的力學性能，并且隨著阻燃劑加入量的增大，橡膠的邵爾A硬度持續增大，拉伸強度持續減小。同時，IFR和紅磷組成的復配阻燃劑對橡膠的力學性能影響最大。當添加24份的紅磷時，試樣的邵爾A硬度比純橡膠增大了35%，拉伸強度減小了57%。當IFR的用量不變時，十溴的添加量對橡膠的力學性能影響最小。

2.2 三種復配阻燃體系對橡膠阻燃性能的影響

2.2.1 三種復配阻燃體系對橡膠氧指數的影響

從實驗結果可以看出，在橡膠中單獨添加由APP/PER/MEL組成的IFR時，橡膠的LOI值雖然有所提高，但相比于IFR添加量的變化，其LOI值提高的過于緩慢，阻燃效果不理想。當添加IFR與紅磷復配組成的阻燃劑和IFR與十溴復配組成的阻燃劑時，橡膠的LOI值都明顯提高。特別是IFR與紅磷復配組成的阻燃劑，可以將橡膠的LOI值提高到29%，說明紅磷的加入更能使IFR發揮阻燃的作用。

2.2.2 三種復配阻燃體系對橡膠熱釋放的影響

從實驗結果可以看出，當IFR添加量少于75份時，橡膠的各種熱釋放都增大了，這說明少量添加IFR不僅起不到阻燃的效果，反而會使材料更加易燃。但隨著IFR添加量的增大，橡膠的熱釋放有降低的趨勢，因此，應該繼續增大IFR的添加量。在IFR與紅磷組成的復配體系中，紅磷的加入會迅速降低橡膠的熱釋放，但只有當紅磷的添加量為16份時，制備的橡膠才真正開始達到阻燃的效果，此時的熱釋放數值基本小于純橡膠的熱釋放數值。當紅磷的添加量為24份時，試樣的各種熱釋放數值顯著下降。在IFR與十溴的復配阻燃體系中，少量的十溴與IFR復配就能使橡膠的熱釋放減少。并且隨著十溴的增加，試樣的熱釋放明顯降低。綜合紅磷和十溴的添加量以及兩種復配體系對橡膠熱釋放的影響，可以看出，十溴的加入對降低橡膠熱釋放的影響更加明顯。

從數據中還可以看出，IFR具有抑煙的效果，能減少橡膠燃燒過程中煙氣的釋放。紅磷的加入對IFR的抑煙性能幾乎沒有影響，但十溴的加入卻明顯增大了試樣的煙釋放量。十溴的添加不僅沒有起到抑煙的作用，反而破壞了IFR的抑煙性，加大了材料的生煙量，并且隨著十溴使用量的增加，煙氣釋放量也隨之增大。

3 結論

3.1 在橡膠中添加少量（＜75份）的IFR時，橡膠的LOI略有增大，熱釋放呈現先增加后減少的趨勢，阻燃效果不明顯。并且隨著IFR加入量的增大，橡膠的力學性能下降。

3.2 IFR用量不變，加入紅磷會使橡膠的LOI提高、熱釋放降低，并且當紅磷添加量大于16份時，阻燃效果明顯；在IFR阻燃體系中加入十溴同樣會使橡膠的LOI提高、熱釋放降低，當十溴添加量大于10份時，阻燃效果明顯。對比加入紅磷和加入十溴的復配阻燃體系，加入十溴會使體系的阻燃效果更好，并且體系的力學性能下降不明顯。

3.3 IFR具有明顯的抑煙作用，可以減少橡膠燃燒過程中的煙氣釋放量；在IFR阻燃體系中加入紅磷會增強IFR的抑煙作用；但在IFR阻燃體系中加入十溴時，IFR的抑煙作用遭到破壞，阻燃橡膠比純橡膠釋放出更多的煙氣。