硼泥、铝灰制备的环保阻燃剂在丁苯橡胶中的应用研究

仲维娜， 刘大晨

(沈阳化工大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110142)

目前添加各类阻燃剂是对橡胶材料进行阻燃改性的主要手段.其中，卤系阻燃剂是应用量最大的一类传统阻燃剂，具有添加量小和阻燃效果显著的特点，但其燃烧时产生大量烟雾、毒性物质和强腐蚀性物质而危害环境及人类健康.因此，低烟、低毒和无卤阻燃橡胶的研制和使用已成为国内外阻燃材料研究和发展的主要方向［1－4］.以工业废料铝灰和硼泥制得的以水滑石为主要成分的阻燃剂是一种新型环保生产工艺产品.丁苯橡胶(SBR)是一种易燃橡胶，其耐热及阻燃性能较差，氧指数一般只有19% ～20%，热分解温度为200～500℃［5］，因此，本文主要研究以硼泥、铝灰制备的新型环保阻燃剂对丁苯橡胶阻燃性能和力学性能的影响.

1 实验部分

1.1 主要原料

硼泥、铝灰制备的环保阻燃剂，丁苯橡胶(SBR1500)，红磷，磷酸三苯酯(TCP)，硅烷偶联剂(KH550、KH570、KH590).

1.2 仪器与设备

开炼机，XK-160，青岛环球机械股份有限公司;平板硫化机，XLB-DQ400×400 mm，青岛环球机械股份公司;微机控制电子万能试验机，DK-S22型，深圳市瑞格尔仪器有限公司;氧指数测定仪，JP-3型，南京上元分析仪器有限公司.

1.3 试样制备

硫化胶基本配方(质量份，下同):丁苯橡胶，100;阻燃剂，变量;TCP，10;红磷，10;ZnO，5;4010Na，1;SA，2;S，2.8;NOBS，1.5;白炭黑，40;炭黑，10.按配方将各原料按次序加入，在开炼机上出片，然后在平板硫化机上硫化(硫化条件:150℃×10 min)，试样厚度分别为2 mm(力学性能测试)和3 mm(阻燃性能测试).

1.4 改性处理

取质量分数为阻燃剂1.6%的偶联剂，用酒精稀释，在使用搅拌机搅拌阻燃剂的过程中，均匀喷射到阻燃剂表面，常温搅拌30 min，取出样品抽滤、洗涤、干燥，得改性产品.

1.5 性能测试

1.5.1 阻燃性能

氧指数按GB10707－1989测定.

1.5.2 物理性能

邵尔A型硬度按GB/T531－1999测定;拉伸强度和断裂伸长率按GB/T528－1998测定;拉伸速度为500 mm/min.

2 结果与讨论

2.1 燃烧现象及产物

以环保阻燃剂为主复配阻燃体系的丁苯橡胶硫化橡胶燃烧时会冒出大量黑烟.漂浮的黑色烟灰是由于橡胶没有完全燃烧造成的.另外，这些黑烟中还包括少量的P2O5固体颗粒.由图1可以看出，硫化胶条燃烧后产生蓬松胀大现象.灰烬表面附着一层鳞状物，质地较脆，易碎.由水滑石的阻燃机理可以发现，燃烧后的产物为H2O、CO2和Al2O3、MgO，另外由于有红磷的加入导致燃烧后的橡胶中还有P2O5的微粒存在，从而形成蓬松结构的鳞状物在丁苯橡胶燃烧时起到隔热、绝氧的作用，进一步阻碍丁苯橡胶的燃烧.

图1 使用阻燃剂的丁苯橡胶燃烧后现象Fig.1 The use of flame retardant styrene butadiene rubber combustion phenomena

2.2 硼泥、铝灰制备的阻燃剂对丁苯橡胶阻燃性能的影响

图2是环保阻燃剂对丁苯橡胶的阻燃效果.在燃烧过程中，阴离子层状结构的水滑石，分解时不仅放出大量的气态水，还释放CO2阻燃气体，最终的热分解残余物MgO和Al2O3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.由图2可见，随着环保阻燃剂用量的增加显著提高了丁苯橡胶的阻燃性，氧指数已经超过32，阻燃效果较好.

图2 环保阻燃剂用量对氧指数的影响Fig.2 Effect of environmentally friendly flame on the oxygen index

2.3 硼泥、铝灰制备的阻燃剂对丁苯橡胶力学性能的影响

使用环保阻燃剂可大大提高丁苯橡胶的阻燃性，但会造成力学性能较大损失.作为一种无机填充剂，水滑石在理论上能对丁苯橡胶有一定的补强作用，但因为环保阻燃过程中需要添加大量的阻燃剂，由此带来无机填料的增多无疑会导致力学性能的降低.从图3～图5可以看出随着环保阻燃剂用量的增大，丁苯橡胶硫化胶的断裂伸长率逐渐下降，抗拉强度逐渐降低.因此，在符合环保阻燃的标准要求下，阻燃剂的用量不宜过多，并考虑对环保阻燃剂进行表面有机化改性处理，降低对硫化丁苯橡胶物理机械性能的不良影响.

图3 环保阻燃剂用量对抗拉强度的影响Fig.3 Effect of environmentally friendly flame on the tensile strength

图4 环保阻燃剂用量对断裂伸长率的影响Fig.4 Effect of environmentally friendly flame on the elongation at break

图5 环保阻燃剂用量对硬度的影响Fig.5 Effect of environmentally friendly flame on the hardness

2.4 改性后的环保阻燃剂对丁苯橡胶性能的影响

表1为不同偶联剂改性阻燃剂对丁苯橡胶性能的影响.由表1可看出:对环保阻燃剂进行改性处理后可提高丁苯橡胶的抗拉强度;偶联剂KH590对丁苯橡胶抗拉强度的改善最好，达到11 MPa以上.同时改性后的硫化胶断裂伸长率降低，这是因为分子链之间的的距离减小，不容易相对滑移;邵氏硬度及阻燃性相比较变化不大.

表1 不同偶联剂改性阻燃剂对丁苯橡胶性能的影响Table 1 Effect of different coupling agent modified flame retardant on the performance of SBR

3 结论

(1)从丁苯橡胶的燃烧效果可以看出，使用环保阻燃剂导致燃烧后的丁苯橡胶表面形成了一层阻燃层，有效地增强了丁苯橡胶的阻燃效果，达到了阻燃的目的.

(2)环保阻燃剂的用量增加使丁苯橡胶氧指数增加，有效地提高了丁苯橡胶的阻燃效果.

(3)环保阻燃剂在丁苯橡胶中的阻燃作用非常明显，但是大量使用又会导致物理机械性能下降.所以在阻燃过程中，应根据具体要求选取适量的用量.

(4)对环保阻燃剂表面进行改性处理后，有效地提高了丁苯橡胶的力学性能，选取偶联剂KH590改性环保阻燃剂效果最佳.

［1］ Schultz David R.Flame Retarding Materials［J］.Rubber World，1992，206(5):23－26.

［2］ 李昂.橡胶阻燃及其阻燃剂［J］.特种橡胶制品，2002，23(3):25－30.

［3］ 智放，于智.阻燃橡胶浅析［J］.世界橡胶工业，2003，31(4):39－43.

［4］ 贾修伟.纳米阻燃材料［M］.北京:化学工业出版社，2005:9－10.

［5］ 刘小婧，程贤甦.脲醛改性酶解木质素对丁苯橡胶阻燃性能的影响［J］.合成橡胶工业，2010，33 (2):154－157.