无机镁质阻燃剂LH3对乙丙橡胶性能的影响研究*

贺春江，张国文，裴顶峰，杨维坚

（中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京 100081）

近年来由于消防安全及环保等问题的日益严重，无卤阻燃材料的应用逐年增长。与卤系阻燃剂相比，无机阻燃剂，如氢氧化铝和氢氧化镁等，具有燃烧时无有害气体释放, 燃烧后的残渣也不会对环境造成污染等优点，因此成为深受人们欢迎的环保阻燃剂[1-2]。LH3 是力矿矿业公司生产的白色超细无机矿物性功能填料，主要成份为水菱镁石-斜方云石的混合物。该填料具有色泽洁白、对环境友好，价格低廉(价格比水合法生产的氢氧化镁便宜)的特点[3-6]。LH3 在橡胶中的应用研究尚未见文献报道。本研究对比了LH3、氢氧化铝及氢氧化镁对乙丙橡胶硫化特性、加工性能、物理机械性能和阻燃性能的影响区别，表征了LH3 与红磷的协同阻燃效应。研究结果不仅显示了LH3 在乙丙橡胶中具有良好的应用前景，还为LH3 在无卤阻燃乙丙橡胶材料的研究及应用提供参考。

1 实验部分

1.1 原材料

乙丙橡胶，J-4045，吉林化学工业公司；氢氧化镁(H5IV)，氢氧化铝(104LEO)，美国雅宝公司；LH3，力矿矿业公司；其他为市售工业品。

1.2 试样制备

基本配方(phr，质量份)：EPDM 100，氧化锌5，硬脂酸1，S 1.2，TRA 0.75＜BZ 1.5，DM 0.5，阻燃剂变量。

试样制备工艺：在上海双翼橡塑机械有限公司生产的XK-160 型开放式炼胶机上混炼。乙丙橡胶先包辊塑炼,依次加入氧化锌、硬脂酸和阻燃剂，混炼均匀，最后加入硫化剂和促进剂。停放两天后适当返炼，在上海齐才液压机械有限公司生产的XLB型平板硫化机上硫化。

硫化条件：170 ℃×12 min×15Mpa。

1.3 分析与测试

氧指数：用江苏江宁县分析仪器厂产的JF-3 型氧指数测定仪按照GB/T 10707-2008 测定氧指数。

力学性能：拉伸强度、硬度测试分别按相应国家标准(GB/T 528-2009，GB/T 531-2008)测定。

硫化曲线：用MDR2000测定，测试条件170℃×30min。

2 结果与讨论

2.1 不同阻燃剂对乙丙橡胶硫化特性的影响

测试了填充175 份氢氧化镁、氢氧化铝及LH3的混炼胶的硫化特性。结果如表1 所示。

表1 不同阻燃剂对乙丙橡胶硫化特性的影响 Table 1 Effect of different flame retardants on the curing characteristics of EPDM

从表1 不同阻燃剂对乙丙橡胶硫化曲线参数的影响中可以看出，LH3 的Tc10 为51 秒，比氢氧化铝的1 分零2 秒，氢氧化镁的1 分都要短；LH3 的Tc90为9 分14 秒，比氢氧化铝的13 分55 秒，氢氧化镁的12 分56 秒要短。这表明LH3 表面呈碱性，硫化速度快。这一点对制备热空气连续硫化的产品比较有利。LH3 的最小扭矩0.209 N· m，比氢氧化铝的0.304 N·m，氢氧化镁的0.533 N·m 都要小，这表明LH3在开炼机或密炼机中混炼时的能耗较小。

2.2 不同阻燃剂对乙丙橡胶压延外观的影响

在开炼机上，将辊距调至1 毫米，分别取填充175 份阻燃剂的混炼胶400 克过辊出片，外观如图1 所示。

从图1 中看出，含LH3 的混炼胶外观最光滑。分析认为，这可能和LH3 片状结构有关[3]。这一特点显示出LH3 在制备要求外观光滑的挤出类产品(如密封条等产品)中比较有优势。

图1 不同阻燃剂对乙丙橡胶压延外观的影响 （从左到右依次为1#、2#和3#） Fig.1 Effect of different flame retardants on the rolling surface appearance of EPDM (from the left,1#、2#和3#)

2.3 不同阻燃剂对乙丙橡胶物理机械性能的影响

研究对比了氢氧化镁、氢氧化铝及LH3 用量对乙丙橡胶物理机械性能的影响，结果如表2 所示。

表2 不同阻燃剂对乙丙橡胶物理机械性能的影响 Table 2 Effect of different flame retardants on the mechanical properties of EPDM

从表2 不同阻燃剂对乙丙橡胶物理机械性能的影响中可以看出，随着阻燃剂用量增加，硫化胶的硬度都逐渐增大，其中LH3 的硬度及定伸最小，扯断伸长率最大，拉伸强度介于氢氧化镁与氢氧化铝之间。

2.4 不同阻燃剂对乙丙橡胶阻燃性能的影响

LH3 与氢氧化镁、氢氧化铝一样，在高温下会受热分解，吸收大量的热，因而具有阻燃作用[3]。研究对比了这三种阻燃剂用量对乙丙橡胶氧指数的影响，结果如图2 所示。从图2 不同阻燃剂用量对乙丙橡胶阻燃性能的影响中可见，随着三种阻燃剂用量增大，氧指数逐渐增大。 LH3 的氧指数比氢氧化镁的要小，比氢氧化铝的略大，更接近氢氧化铝。

图2 不同阻燃剂对乙丙橡胶阻燃性能的影响 Fig.2 Effect of different flame retardants on the flame retardance of EPDM

2.5 LH3 与红磷的协同阻燃效应

在总阻燃剂用量125 份基础上，考察了LH3与红磷并用比例对氧指数的影响，结果如图3 所示。从图3 中可以看出，随着红磷用量增大，氧指数逐渐增大。图3 表明红磷与LH3 有显著的协同阻燃效应。LH3 主要成分为水菱镁石-斜方云石。受热时LH3 会释放出水和二氧化碳，并吸收大量的热。红磷受热时在燃烧物表面分解产生一层粘稠的覆盖物，阻隔燃烧过程中氧、热及小分子的扩散。红磷高温下释放的PO·与促进燃烧进行的H·和OH·反应，终止燃烧的链反应，减少火焰区反馈到橡胶的热量，起到抑制火焰的作用[7]。

因此，红磷和LH3 并用可以提高乙丙橡胶的阻燃性能。

图3 LH3 用量对乙丙橡胶氧指数的影响 Fig. 3 1 Effect of the content of LH3 on the limited oxygen index of EPDM

3 结论

LH3 与氢氧化镁、氢氧化铝相比，填充LH3的乙丙橡胶混炼胶的粘度较小，压延外观较光滑；焦烧时间及正硫化时间都较短；硫化胶的硬度小，拉伸强度介于氢氧化镁与氢氧化铝之间；扯断伸长率大于氢氧化镁及氢氧化铝的；氧指数介于氢氧化铝及氢氧化镁之间，与红磷有协同阻燃效应。LH3作为无卤阻燃剂很适合做挤出类的无卤阻燃密封条类产品。

[1]王增加，李辅安，李翠云. 阻燃高分子复合材料的研究进展[J]. 化工新型材料，2004，32 (10)：11-13.

[2]关瑞芳，李宁. 无机阻燃剂的应用现状及其发展前景[J]. 合成材料老化与应用，2013，42(04)：55-57.

[3]郭如新. 矿物型镁质阻燃剂近期发展动向[J]. 塑料助剂，2011，88(04)：14-17.

[4]郭如新. 镁质阻燃剂的现状与前景[J]. 塑料助剂，2011，86(02)：1-6.

[5]郭如新. 水菱镁石-斜方云石镁质阻燃剂近况[J].塑料助剂，2012，91(01)：10-14.

[6]郭如新. 水镁石、水菱镁石和斜方云石资源、加工与应用[J]. 无机盐工业，2012，44(02)：13-16.

[7]王淑波，曾紫毅，彭琳. 有机磷阻燃剂的研究进展[J]. 广东化工，2013，40(11)：79-81.