EVM環保阻燃復合彈性體材料寬溫域硬化及陶瓷化

劉大晨,朱博聰,薛奧楠,肖小坤,龍思曼,沈玉婷

(沈陽化工大學 材料科學與工程學院,遼寧 沈陽 110142)

陶瓷化高分子材料是一種新型阻燃防火材料,一般以橡膠或樹脂為基體,并添加一定量成瓷填料、助熔劑制備而成。這種陶瓷化復合材料在常溫下表現為橡膠態,發生火災時,材料經過高溫過程可以形成具有一定支撐結構的陶瓷化復合材料,顯示出陶瓷體的特征,在電線電纜、核電廠等領域可在一定程度上抑制二次災害的發生,有較好的應用前景[1-2]?！翱商沾苫钡母拍钭钤缡怯砂拇罄麃喣{什大學的研究人員首次提出,研究人員采用硅橡膠為基體,制備了一種可在高溫條件下形成陶瓷層的復合彈性體材料,這種陶瓷層具有一定強度還能隔絕熱量傳遞[3-5]。

如今,國內外對陶瓷化高分子基復合材料的研究主要是以硅橡膠為基體,并將云母粉、高嶺土、蒙脫土、滑石粉、陶土、膨潤土等成瓷填料和一些低熔點助熔劑如低熔點玻璃粉、氧化硼等加入其中,以保證材料能在高溫下硬化形成陶瓷層[6-11]。Hu等[12]以硅橡膠為基體,制備了硅橡膠/聚磷酸銨/氫氧化鋁/云母復合材料,研究了復合材料在不同溫度下的成瓷過程,由于硅橡膠特殊的結構組成,主鏈為硅氧鍵,側基為烷基,在600～800 ℃下,Si—O鍵會轉變為二氧化硅網絡,同時這種網絡結構也為復合材料陶瓷化提供一定的“骨架”基礎。相比于以硅橡膠為基體的陶瓷化復合材料,聚烯烴為基體的可瓷化復合材料具有更低的成本以及更好的加工方式,以聚烯烴為陶瓷化聚合物基體的力學強度下限高于硅橡膠,但聚烯烴材料的分子主鏈是C元素,在高溫條件下殘留很少或者無殘留,其中的成瓷填料和助熔劑會在高溫下軟化,再經冷卻后形成陶瓷層[13-15]。Zhao等[16]以三元乙丙橡膠(EPDM)為基體,添加芳綸纖維作為結構增強填料,結果表明,芳綸纖維可以作為陶瓷化EPDM復合材料的“骨架結構”,在添加芳綸纖維后顯著提高了材料的自支撐性能。因聚合物基陶瓷化復合材料成瓷過程都需較高溫度[17]。本文以乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVM)為基體,研究了聚酰亞胺短切纖維(PI短纖)的用量對EVM復合彈性體材料熱穩定性、阻燃性能和寬溫度范圍硬化及陶瓷硬化性能的影響。

1 實驗部分

1.1 原料

EVM:醋酸乙烯酯(VA)質量分數為50%,阿朗新科高性能彈性體(常州)有限公司;陶土:PW-98,上海懋通實業有限公司;低熔點玻璃粉:青島玉州化工有限公司;稻殼源白炭黑:K160,益海(佳木斯)糧油工業有限公司;PI短纖:常州亞安新材料有限公司;過氧化二異丙苯(DCP):分析純,國藥集團化學試劑有限公司;氫氧化鎂、氫氧化鋁:天津市大茂化學試劑廠;其他試劑均為市售。

謝彥君教授曾提出鄉村旅游可持續發展的新理念應像呵護“姆庇之家”一樣，不應隨意“造假”，應打造具備自身特色和認同感的活性鄉村文化體驗[9]。竇志萍等揭示現今旅游消費者的一種新型需求動機——“鄉愁旅游”，尋找鄉愁、發現鄉愁、留住鄉愁、享受鄉愁成為現階段的一種旅游時尚；留住鄉愁與享受鄉愁是鄉村旅游的一個重要環節，即“鄉居”[10]。

1.2 儀器及設備

X(S)K-100型開放式煉膠機:上海雙翼橡膠機械有限公司;GT-M3000A型硫化曲線測定儀:高鐵檢測儀器(東莞)有限公司;XLB-E型平板硫化機:蘇州捷和實業有限公司;TCS-2000型拉伸試驗機: 臺灣高鐵科技股份有限公司;SS-1005型氧指數分析儀:臺灣松恕儀器有限公司;JSM-6490LV掃描電子顯微鏡:日本日立有限公司;STA449c型同步熱分析儀:德國耐馳公司;FP-40型馬弗爐:北京市永光明醫療儀器有限公司。

1.3 實驗配方

一般情況下，較大直徑的小行星撞擊地球的速度高達11.7～73 km·s-1，其攜帶的巨大動能在短時間內急劇釋放，直接撞擊地球表面形成隕石坑，還可能引發海嘯、地震等次生災害，甚至引發全球生物滅亡，是小概率、高風險事件。發生在6 500萬年前一顆直徑約10～13 km的天體撞擊墨西哥尤卡坦半島的撞擊事件被認為是引起恐龍滅絕的原因[35]，并造成了50%～60%地球生物滅絕。1908年6月30日，一顆直徑近100 m的小行星在俄羅斯通古斯地區上空6 km處發生爆炸，毀滅了近2 000 km2的森林[36-37]。

表1 可瓷化EVM復合彈性體材料配方

1.4 試樣制備

除腳手架主管與腳手架檢查工程師驗收外，項目部堅持執行腳手架內部驗收程序，腳手架搭設完成后，由工程部組織技術、安全質檢等職能部門聯合驗收。給腳手架安全系上雙保險。

將EVM橡膠放置雙輥開煉機中,包輥后依次加入阻燃填料、成瓷填料和交聯劑,待填料全部加入后進行打三角包操作,待膠料混合均勻后下片。冷卻停放16～24 h后,使用無轉子流變儀測定,硫化條件:硫化溫度為170 ℃、時間為10 min。

1.5 性能測試

按照GB/T 528—2009進行力學性能測試;采用極限氧指數分析儀按照GB/T 10707—2008進行極限氧指數測試;采用掃描電子顯微鏡觀察EVM復合材料斷面形貌;采用同步熱分析儀對材料進行熱失重測試,實驗條件為空氣氣氛,從25 ℃升到1 000 ℃,升溫速率為10 ℃/min;采用馬弗爐對材料進行高溫烘烤,將試樣分別升溫至300 ℃、600 ℃、900 ℃并保溫1 h,得到樣品自然冷卻;陶瓷化產物用拉伸試驗機“彎曲強度測試”模式進行測試,機頭移動速率為2mm/min,每個溫度下燒蝕產物為3個,彎曲強度取平均值;不同溫度下陶瓷產物的宏觀形貌用數碼相機拍照記錄。

根據PI短纖用量對樣品進行編號,具體實驗配方(質量份)見表1,其中阻燃劑為氫氧化鎂和氫氧化鋁,質量比為1∶1。

2 結果與討論

2.1 PI短纖用量對EVM復合材料拉伸性能的影響

工科院校教師專業化發展思想的缺失，直接給新教師培訓帶來三大“災難”：學校領導不重視，職能部門不積極，二級教學單位不主動；新教師培訓過程形式化、表面化，違背“教學知識、教學技能、教學能力”逐層遞進發展規律；新教師培訓評價的“教學性”弱化，培訓效果不理想，培訓目標達成度低。

樣品編號圖1 不同PI短纖用量對EVM復合材料力學性能影響

2.2 PI短纖用量對EVM復合材料阻燃性能的影響

圖2為EVM復合材料的極限氧指數。由圖2可知,復合材料在使用氫氧化鎂、氫氧化鋁復配阻燃體系下已經達到難燃材料級別(氧指數>27),并且使用鎂鋁氫氧化物復配作為阻燃劑具有低煙、無毒、無腐蝕性等優點,避免了對環境的污染[19]。隨著PI短纖用量的增加,EVM復合材料的氧指數有一定提升,PI短纖分子主鏈有芳雜環結構,這一結構使纖維具備耐高低溫、耐腐蝕、阻燃以及優良的性能,從而使復合材料更為難燃[20]。