姬 軍，袁建國，劉曉圣，李有春，侯 東，范旭明，聶京凱，韓 鈺，尹朝露

（1.國網智能電網研究院有限公司，北京 102200；2.國網浙江省電力有限公司 金華供電公司，浙江 金華 321000； 3.應急管理部四川消防研究所，成都 610036）

硅橡膠泡沫作為一種具有多孔結構的高分子彈性體材料，在航空航天、建筑、能源化工、國防等領域應用廣泛［1-3］。然而傳統硅橡膠泡沫材料的力學、阻燃等應用性能仍然有限，這極大限制了其使用過程中的安全性和實用性［4-5］。目前針對硅橡膠泡沫材料進行的力學和阻燃性能的增強方面，在硅橡膠泡沫基體中添加增強填料的方式更為簡便、有效［6］。二氧化硅作為硅橡膠材料中具代表性的增強、無鹵阻燃填料，雖然它能夠提高硅橡膠的力學和阻燃性能，但二氧化硅的引入會影響液體硅橡膠的加工性能，還可能影響材料的發泡效果，從而制約了硅橡膠泡沫材料的力學性能、熱穩定性和阻燃性能［7］。硅橡膠泡沫增強研究中常用的無機填料主要有氫氧化鎂、 氫氧化鋁、硼酸鋅、碳酸鈣等，它們能夠賦予硅橡膠泡沫較好的力學和阻燃性能，但其引入會影響硅橡膠泡沫的發泡性能［8-10］。 無機氧化物（如氧化銅、二氧化鈦、高嶺土）適用于硅橡膠泡沫的加工，但目前大多數研究主要集中在無孔硅橡膠材料中［11-13］，而用于硅橡膠泡沫增強的研究比較少見。 本工作以氧化銅、 二氧化鈦及高嶺土作為無機增強填料，并與羥基、乙烯基和含氫硅油進行復合制得一系列硅橡膠泡沫復合材料，研究不同無機氧化物填料對硅橡膠泡沫材料微觀形貌、力學和阻燃性能的影響，同時探討泡孔結構與力學和阻燃性能的關系。

1 實驗部分

1.1 主要原材料及設備儀器

羥基硅油，黏度1 000 mPa·s；乙烯基硅油，黏度5 000 mPa·s；含氫硅油，含氫質量分數1.5%；鉑催化劑，含鉑質量分數0.05%，以上均由上海硅友新材料科技有限公司提供。 氧化銅、二氧化鈦和高嶺土均為分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司產品。

WT-N 型電子天平， 常州萬泰天平儀器有限公司生產；S 212 型電動攪拌器，上海申生科技有限公司生產；JSM-IT 800 型場發射掃描電子顯微鏡，日本JEOL 公司生產；TFW-67 型電子萬能拉力試驗機， 上海拓豐儀器科技有限公司生產；CSI-101 型極限氧指數（LOI）測試儀，上海程斯智能科技有限公司生產；ASR-4321 B 型水平垂直阻燃測試儀， 廣東艾斯瑞儀器科技有限公司生產；iCone2+型錐形量熱儀，德國FTT 公司生產。

1.2 試樣制備

將一定量的羥基硅油（46.9 g）、乙烯基硅油（15.4 g）、含氫硅油（7 g）和鉑催化劑（0.7 g）混合于配有攪拌器的塑料杯中，分別添加質量分數為30%的氧化銅、二氧化鈦、高嶺土，在室溫條件下攪拌3 min，倒入模具，靜置10 min 即可得到一系列硅橡膠泡沫材料， 依次簡寫為SRF-CO、SRFTD 和SRF-KL。 此外，按上述步驟制備了未添加無機填料的空白對照樣，簡寫為SRF。

1.3 分析與測試

微觀形貌 將試樣在液氮中脆斷、截面噴金，用掃描電子顯微鏡進行觀察，測試電壓15 kV。

力學性能 分別按照GB/T 6344—2008 和GB/T 18942.2—2003 測試試樣的拉伸和壓縮性能，拉伸速率500 mm/min，壓縮速率5 mm/min，壓縮應變50%。

LOI 按照GB/T 10707—2008 測試試樣的LOI，每個試樣測試5 次。

垂直阻燃 按照GB/T 10707—2008 進行試樣的垂直阻燃試驗，每個試樣測試5 次。

錐形量熱 按照ISO-5660 進行試樣的錐形量熱試驗，試樣尺寸為長100 mm、寬100 mm、厚10 mm，用鋁箔紙包裹并置于樣品室，輻射功率為35 kW/m2。

2 結果與討論

2.1 微觀形貌

從圖1 可以看出，未添加無機填料的SRF 的截面形貌比較平滑。將無機氧化物填料與SRF 復合后，復合材料截面呈現出不同程度的粗糙度和多孔結構。 與SRF 相比，泡沫材料SRF-CO 截面的孔腔尺寸變大、規整性下降，氧化銅填料大多集中于孔間隙中， 可能是氧化銅與SR 基體的相容性差所致。 對于SRF-TD 泡沫材料，二氧化鈦填料同時分散于孔間隙和孔壁上，但仍呈無序的多孔結構。與上述泡沫材料相比，SRF-KL 的多孔結構較為規整，并且高嶺土填料能夠較好地分散于孔間隙和孔壁上，其原因可能是高嶺土表面存在活性羥基，能夠與硅橡膠泡沫前驅體中的含氫硅油組分發生反應，同時高嶺土的硅氧硅鏈段能夠與硅橡膠泡沫發生物理纏結，有助于高嶺土在硅橡膠基體中的分散［14］。

Fig 1 Micromorphology of silicone rubber foams filled with different inorganic oxides

2.2 力學性能

從表1 可以看出，SRF 的拉伸強度和扯斷伸長率分別為32.6 kPa 和37.5%。 與SRF 相比，SRF-CO 和SRF-TD 泡沫材料的拉伸強度均隨著無機填料的引入而增大， 而扯斷伸長率則降低。其原因可能是剛性填料氧化銅和二氧化鈦被引入后，所得材料的剛性增強，但拉伸過程中的斷裂能難以耗散，致使材料的伸長率降低。 與它們相比，SRF-KL 的拉伸強度和扯斷伸長率均有不同程度的增大， 分別增加至106.1 kPa 和42.3%，原因一方面是因為SRF-KL 中剛性高嶺土增加的同時， 高嶺土表面的硅氧硅鏈段能夠吸收SRF-KL 在靜態拉伸過程中的斷裂能， 相對平衡了材料的剛性［15］；另一方面是因為SRF-KL 具有比較有序的多孔結構，在靜態拉伸過程中有利于韌性的提高。

Table 1 Mechanical properties of silicone rubber foams filled with different inorganic oxides

從表1 還可以看出，SRF 的壓縮強度為35.2 kPa。 隨著無機填料的引入，所得SRF-CO、SRF-TD 和SRF-KL 泡沫材料的壓縮強度較SRF均有不同幅度的提高， 變化趨勢與拉伸強度類似。 其中，SRF-KL 的壓縮強度最高，為210.2 kPa，原因主要是高嶺土以共價鍵聯合物理纏結的形式在硅橡膠基體中形成了更好的分散效果。

2.3 阻燃性能

從表2 可以看出，SRF 的LOI 為23.8%、UL 94 無等級。 與SRF 相比，SRF-CO 的LOI 降低、UL 94 無等級，原因可能是SRF-CO 泡沫材料的孔腔大且不規則，在阻燃過程中難以形成有效的物理阻隔層；同時，硅橡膠基體中的氧化銅填料可能存在助燃作用。 對于SRF-TD 和SRF-KL泡沫材料而言，它們的LOI 和UL 94 等級較SRF均有不同程度的提高，其中，SRF-KL 的LOI 最高（32.7%），并且UL 94 達到V-0 級，原因可能與高嶺土的耐熱阻燃作用以及泡沫材料有序致密的多孔結構有關。從表2 還可以看出，與SRF 相比，SRF-CO 泡沫材料的點燃時間（TTI）縮短，并且總熱釋放量（THR）和總產煙量（TSP）顯著增加；而SRF-TD 和SRF-KL 泡沫材料的TTI 明顯延長但THR 和TSP 都明顯下降，個中原因與LOI 和UL 94 測試結果類似。

Table 2 Combustion results of silicone rubber foams filled with different inorganic oxides

從圖2 可以看出， 未添加無機氧化物填料的SRF 阻燃后殘余物表面不完整、疏松多孔，是由于阻燃時產生的氣體逸出所致。 與SRF 相比，SRF-CO 泡沫材料阻燃后的炭層變得更蓬松，說明其阻燃更劇烈，這與表2 中其阻燃性能數據相一致。 SRF-TD 和SRF-KL 阻燃后殘余物表面的完整度和致密程度較SRF 均有不同程度的改善，其中SRF-KL 阻燃后殘余物的完整性和致密性更佳，該結構能夠吸附并減少降解物質的逸出并促進降解物的沉積， 進而降低熱釋放速率和THR。 結合表2 可知，與SRF 相比，SRF-KL 泡沫材料的THR 和TSP 分別下降了51.1%和84.2%。

3 結 論

a）高嶺土能夠更好地分散于硅橡膠泡沫材料中，還能明顯增強材料的力學和阻燃性能。

b）含高嶺土的泡沫材料SRF-KL 的拉伸強度、扯斷伸長率、壓縮強度、LOI 和UL-94 等級分別提升到了106.1 kPa、42.3%、35.2 kPa、32.7%和V-0，THR 和TSP 較之未加填料硅橡膠分別下降了51.1%和84.2%。