水滑石/红磷/磷酸三甲苯酯复配体系在丁苯橡胶阻燃中的应用

柴德超， 刘大晨

(沈阳化工大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110142)

随社会防火意识的增强，越来越多的场合要求使用的橡胶制品具有阻燃性，例如煤矿中的运输带，导风筒，电缆;建筑领域用的铺地材料，门窗密封条，家用电器;船舶中使用的许多橡胶制品等.目前使用的阻燃剂普遍存在阻燃效率不高、功能单一、与橡胶基体相容性较差等缺陷，因此，开发新型无卤阻燃剂以综合平衡阻燃复合材料各组分的物理、化学、阻燃和实际使用等多方面的性能是阻燃橡胶材料发展的一个方向［1］.虽然囯内外有不少研究者对无卤阻燃剂制备阻燃橡胶作了研究［2－7］，且关于这方面报道也不少，但用水滑石作为橡胶阻燃剂的报道甚少.本文以水滑石、微胶囊红磷和磷酸三甲苯酯阻燃剂协同阻燃来提高丁苯橡胶的阻燃性能.对橡胶无卤阻燃的发展与应用具有深远意义.

1 实验部分

1.1 主要原材料

丁苯橡胶-1500，吉林石化公司;水滑石，丹东天赐阻燃科技有限公司;微胶囊红磷(MRP)，江苏连云港传奇阻燃制品公司;炭黑N330;白炭黑;磷酸三甲苯酯(TCP);氧化锌、硬脂酸、硫黄、促进剂NOBS、防老剂4010NA均为常用市售橡胶工业助剂.

母料配方:丁苯橡胶-1500 100份;硫黄2.7份;NOBS 1.0份;氧化锌 5.0份;硬脂酸 1.0份;防老剂4010NA 1.0份;炭黑N330 10份;白炭黑40份.

1.2 实验设备

RG L-30A型微机控制电子万能试验机; XK-160型开放式炼胶机;GT-M2000-A型橡胶硫化测定仪;XLB400×400×2E型平板硫化机;JP-3型氧指数测定仪.

1.3 性能测试

拉伸强度(拉断伸长率)参照GB528-82;邵氏硬度参照GB531-83;氧指数参照GB2406-80.

2 结果与讨论

2.1 3种无机阻燃剂对丁苯橡胶性能的影响

分别将相同份数(120份)的水滑石、氢氧化铝、氢氧化镁添加到丁苯橡胶中，所得结果见表1.由表1可知，水滑石的氧指数比氢氧化铝的高7.9%，比氢氧化镁的高7.2%.这是由于在燃烧过程中，水滑石层间的结合水，分解时不仅放出大量的气态水，还释放二氧化碳阻燃气体，最终的热分解残余物氧化镁和氧化铝覆盖于基体表面，一方面能形成隔热层，另一方面，这种残余物的隔热层也隔离了空气中的氧气，从而起到凝聚相阻燃作用.因此，选择水滑石与微胶囊红磷和磷酸三甲苯酯协同阻燃丁苯橡胶.

表1 3种无机阻燃剂对丁苯橡胶性能的影响Table 1 Three kinds of inorganic flame retardants for the properties of SBR

2.2 水滑石用量对丁苯橡胶性能的影响

在红磷(5份)和TCP(5份)用量一定的条件下，考查不同用量的水滑石(0、60、80、100、120、150份)对丁苯橡胶性能的影响，结果如图1、图2所示.

2.2.1 水滑石用量对丁苯橡胶阻燃性能的影响

由图1可见，丁苯橡胶的氧指数随着水滑石用量的增加而升高，氧指数较高，有的甚至超过40%，阻燃效果较好.综合水滑石用量对丁苯橡胶阻燃性和力学性能的影响，选择水滑石的用量为80份.

图1 水滑石用量对丁苯橡胶阻燃性的影响Fig.1 Effects of LDH dosages on flame retardant properties of SBR

2.2.2 水滑石用量对丁苯橡胶力学性能的影响

由图2可以看出，丁苯橡胶的抗拉强度随水滑石填充量的增加而迅速下降，拉断伸长率逐渐下降，容易断裂.这是由于水滑石是一种无机填充剂，具有亲水性，与橡胶的亲和性差，不容易被橡胶大分子湿润，使水滑石和橡胶间产生缝隙，且水滑石的添加量很多，使含胶率降低.

图2 水滑石用量对丁苯橡胶力学性能的影响Fig.2 Effects of LDH dosages on the mechanical properties of SBR

2.3 微胶囊红磷的用量对丁苯橡胶性能的影响

在LDH(80份)和TCP(5份)用量一定的条件下，考查不同用量的微胶囊红磷(0、5、10、15、20、25份)对丁苯橡胶性能的影响，结果如图3、图4所示.

图3 微胶囊红磷用量对丁苯橡胶阻燃性能的影响Fig.3 Effects of MRP dosages on flame retardant properties of SBR

2.3.1 微胶囊红磷用量对丁苯橡胶阻燃性能的影响

由图3可以看出，随微胶囊红磷用量的增加，丁苯橡胶的氧指数越来越大.这是由于微胶囊红磷对水滑石有较好的协助阻燃效应.微胶囊红磷遇热时生成磷酸和多磷酸，促进聚合物燃烧脱水碳化，生成隔热和阻止聚合物降解的保护层，其次生成的磷酸和多磷酸会加速水滑石的分解速度，短时间内增加基体表面惰性气体量和无机物的覆盖量.

2.3.2 微胶囊红磷用量对丁苯橡胶力学性能的影响

由图4可知:丁苯橡胶的抗拉强度随微胶囊红磷用量的增加而减小，趋势比较明显;拉断伸长率先增加后减小，在微胶囊红磷为10份时达到最大值.由于微囊红磷的粒径较大，补强作用差，随MRP份数增加，SBR硫化胶的含胶量下降，导致力学性能下降.比较微胶囊红磷的用量给力学性能和阻燃性能带来的影响，选择微胶囊红磷的用量为10份(抗拉强度12.54 MPa，拉断伸长率527.5%).

图4 微胶囊红磷用量对丁苯橡胶力学性能的影响Fig.4 Effects of MRP dosages on the mechanical properties of SBR

2.4 TCP用量对丁苯橡胶性能的影响

TCP是一种液态阻燃剂，兼有阻燃和增塑2种效果.在加入80份LDH和10份MRP的条件下，考查TCP的用量变化(0、5、10、15、20和25份)对丁苯橡胶性能的影响，结果如图5、图6和图7所示.

2.4.1 TCP用量对丁苯橡胶阻燃性能的影响

由图5可以看出:随TCP用量的增加，氧指数呈上升趋势，当TCP用量超过10份以后氧指数增加不明显.TCP遇火受热时生成强酸聚偏磷酸，有强脱水功能，促进基体脱水而炭化，形成炭化物层，保护下面的橡胶基体不再受到火与热的侵袭.

图5 TCP用量对丁苯橡胶阻燃性能的影响Fig.5 Effects of TCP dosages on flame retardant properties of SBR

2.4.2 TCP用量对丁苯橡胶力学性能的影响

由图6可见，随TCP用量增加，抗拉强度先升高后降低，拉断伸长率逐渐升高.这是因为TCP分子进入橡胶分子，增大橡胶分子间距离，减弱大分子间作用力，使分子链较易滑动，宏观上增大胶料柔软性和流动性，起到增塑剂作用.

图6 TCP用量对丁苯橡胶抗拉强度和拉断伸长率的影响Fig.6 Effects of TCP dosages on the tensile strength and elongation at break of SBR

图7 TCP用量对丁苯橡胶硬度的影响Fig.7 Effects of TCP dosages on the hardness of SBR

由图7可以看出，丁苯橡胶的硬度随TCP用量的增加而降低，提高了胶料的流动性和可操作性.综合其抗拉强度、拉断伸长率、硬度和阻燃效果，TCP用量为10份时丁苯橡胶的性能较好.

3 结论

(1)在相同条件下，与氢氧化铝、氢氧化镁相比，水滑石的阻燃效率更高.

(2)添加TCP使邵氏硬度降低很多，保持在65～80 HA之间，易于操作，符合工业生产和日常使用要求.

(3)综合对丁苯橡胶机械性能和阻燃性能的影响，添加80份水滑石、10份微囊红磷和10份TCP时丁苯橡胶中有较好的阻燃性能，同时给丁苯橡胶机械性能带来的损失相对较小.

［1］ 王永强.阻燃材料及应用技术［M］.北京:化学工业出版社，2003:374－377.

［2］ 亢庆卫，罗权焜.以三氧化二锑为协效剂的复合阻燃剂对MVQ硫化胶阻燃性能的影响［J］.橡胶工业，2004，51(11):651－655.

［3］ 刘斌，刘庆峰，王德生，等.红磷在三元乙丙橡胶阻燃材料中的应用［J］.高分子材料科学与工程，2001，17(1):170－172.

［4］ 张保卫，谭英杰.氢氧化铝在丁苯橡胶中的阻燃性研究［J］.特种橡胶制品，2003，24(2):15－17.

［5］ 邹德荣，徐宇，毛晓明.无卤阻燃型EPDM材料的研制［J］.橡胶工业，2002，49(8):467－469.

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