超細氫氧化鋁對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 濟南 250200)

氫氧化鋁分子式為Al(OH)3或Al2O3·3H2O，相對分子質量為156.00,呈白色粉末，無味、無毒，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、無毒、不揮發、價格低廉等優點，在聚合物阻燃領域發揮了重要的作用，用量遠遠領先于其他阻燃劑[2]。

超細氫氧化鋁是采用特殊生產工藝生產的規則晶體結構的產品，具有純度高、粒徑小、晶型好，表面活性低，比表面積小等優點，可在橡膠、塑料中大量填充，能夠適用于各類加工技術。其阻燃原理是在受熱分解過程中釋放出大量結晶水，由于結晶水蒸發需要吸收大量的熱量，從而起到冷卻聚合物材料的作用；產生的水蒸氣可以稀釋可燃氣體，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基材表面成炭，阻止火焰傳播[3]。由于氫氧化鋁無機阻燃劑具有極強的極性及親水性，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其進行表面處理，采用偶聯劑對氫氧化鋁進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，研究了超細氫氧化鋁表面處理前后對硫化橡膠力學性能、阻燃性能的影響，通過對比試驗，開拓了超細氫氧化鋁在橡膠中的應用價值。

1 實驗部分

1.1 主要原料

天然膠(SCR WF)，海南天然橡膠產業集團股份有限公司；炭黑N220，金能科技股份有限公司；超細氫氧化鋁(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 實驗設備

開煉機(G-XK-160)，東莞高歌精密機械模具有限公司；密煉機(KY-3220-2L)，東莞市厚街開研機械設備廠；平板硫化機(XLB-500-3D)，青島雙凌科技設備有限公司；無轉子硫化儀(MZ-4010B1)，江蘇明珠試驗機械有限公司；沖片機(MZ-4102)，江蘇明珠試驗機械有限公司；DIN磨耗試驗機(MZ-4060)，江蘇明珠試驗機械有限公司；電子拉力試驗機(AI-3000)，高鐵檢測儀器有限公司；自動氧指數測試儀(ZR-011)，青島山紡儀器有限公司；水平垂直燃燒測定儀(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

天然膠經開煉機塑煉后，由密煉機混煉，加料順序為：天然膠生膠→小料(氧化鋅、促進劑等)→炭黑→氫氧化鋁、導電炭黑→硫磺。出料后，在開煉機上薄通、出片，在平板硫化機上進行硫化，制備物性、阻燃、磨耗等試樣。

1.5 性能測試

性能測試項目及標準詳見表1。

表1 測試項目及標準

2 結果與討論

2.1 超細氫氧化鋁添加量對天然橡膠性能的影響

在試驗基本配方中加入不同添加量的超細氫氧化鋁，其余組份保持不變，硫化膠試樣的各項力學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，隨超細氫氧化鋁添加量的增大，硫化膠力學性能呈現明顯的下降，拉伸強度、扯斷伸長率及撕裂強度均下降，相對體積磨耗量增大，耐磨性能變差。而硫化膠氧指數隨超細氫氧化鋁添加量的增大得到提升，在一定范圍內，氫氧化鋁添加量每增大30份，硫化膠氧指數約增大2個單位。

表2 超細氫氧化鋁用量對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氫氧化鋁來實現，氫氧化鋁添加量越大，硫化膠燃燒時氫氧化鋁分解吸收的熱量越多，并且產生的結晶水越多，進而更好的稀釋可燃性氣體和氧氣的濃度，提高氧指數及阻燃性能[4]。但隨著氫氧化鋁填加量的增大，無機成份所占比例增大，含膠量降低，在受到外力作用時硫化膠中交聯鍵間協同能力減弱，導致力學性能下降。為改善氫氧化鋁同聚合物之間的相容性，采用偶聯劑對超細氫氧化鋁進行表面處理是最為有效的方法之一。

2.2 硅烷偶聯劑改性超細氫氧化鋁對天然橡膠性能的影響

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

從表3中看出，硅烷偶聯劑添加量對氫氧化鋁的應用效果表現為拉伸強度及伸長率先提升后下降，當硅烷偶聯劑添加量為1.5%時，改性超細氫氧化鋁應用效果最好，拉伸強度能達到13.10 MPa，扯斷伸長率達到286.83%。硅烷偶聯劑添加量對改性超細氫氧化鋁的阻燃性能提升不明顯，硫化膠氧指數基本保持在30%左右，垂直燃燒均能達到阻燃FV-0級別。即在一定范圍內，硅烷偶聯劑添加量對改性超細氫氧化鋁應用效果的改善主要體現在力學性能方面，在阻燃性能、氧指數方面變化較小。

表3 硅烷偶聯劑用量對改性超細氫氧化鋁在天然膠中應用效果的影響

2.3 改性超細氫氧化鋁添加量對天然膠性能的影響

在硅烷偶聯劑添加量對超細氫氧化鋁應用效果影響的實驗基礎上，優選出1.5%硅烷偶聯劑添加量改性的超細氫氧化鋁進行應用試驗。在試驗基本配方中加入不同用量的改性超細氫氧化鋁，改性超細氫氧化鋁添加量分別為90、120、150份。其余組份保持不變，硫化膠試樣的力學性能及阻燃性能與未改性超細氫氧化鋁用量對天然膠性能的影響對比如表4。

表4表明，添加經硅烷偶聯劑表面處理后超細氫氧化鋁的天然膠，與添加未改性超細氫氧化鋁的天然膠相比，加工性能得到改善，力學性能提升，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度高出2～3 MPa，扯斷伸長率高出 30%～ 50%，磨耗性能下降約20 mm3。從氧指數及垂直燃燒來看，阻燃性能并未得到明顯改善。

表4 超細氫氧化鋁改性前后對天然膠性能的影響

表面改性可以顯著提高超細氫氧化鋁與天然膠之間的相容性，進而改善力學性能。從硅烷偶聯劑的分子結構來看，硅烷偶聯劑分子中含有兩類不同的化學官能團，它的一端能與無機材料的羥基反應，形成氫鍵，并在一定的條件下縮合、脫水和固化，形成共價鍵；另一端又能與有機高分子材料結合，從而使有機高分子材料—硅烷偶聯劑—無機材料之間產生一種良好的界面結合，將兩種性質差異較大的材料牢固的結合在一起，從而改善力學性能[5]。

3 結論

1)超細氫氧化鋁阻燃天然橡膠時，隨添加量的增加，力學性能下降明顯。當添加量達到150份時，阻燃達到FV0級別，氧指數達到29%，發煙量較小。在低煙低鹵條件下，可適當考慮與少量的鹵系阻燃劑協同阻燃，以改善力學性能。

2)采用硅烷偶聯劑對超細氫氧化鋁進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性能，阻燃性能變化較小。當硅烷偶聯劑添加量為氫氧化鋁質量的1.5%時，性能提升最大。

3)在該配方體系下，一定范圍內，超細氫氧化鋁添加量每增大30份，硫化膠的氧指數約增大2個單位。

4 結束語

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