典型复配膨胀阻燃体系对三元乙丙橡胶阻燃性能的影响研究

文/赵雪，中国民航大学

随着材料合成技术的突飞猛进，合成橡胶技术也在飞速发展。在众多橡塑制品中，三元乙丙橡胶因其卓越的耐高温、耐老化等优良性能而广泛用于汽车工业、电线电缆等行业和领域[1]。然而乙丙橡胶是易燃物，其纯胶氧指数只有19左右[2]。因此，为了满足安全要求，需要对橡胶进行阻燃。

本文使用的IFR由聚磷酸铵、季戊四醇和三聚氰胺组成，同时使用红磷和十溴二苯乙烷与IFR进行复配，研究三种阻燃体系对橡胶力学性能和阻燃性能的影响。

1 实验方法和过程

1.1 实验原料

三元乙丙橡胶；聚磷酸铵（APP）；季戊四醇（PER）；三聚氰胺（MEL）；十溴二苯乙烷（十溴）；红磷。

1.2 基本配方

橡胶，100份（质量份，下同）；氧化锌，5份；硬脂酸，2份；橡胶防老化剂，1份；橡胶用抗臭氧防护蜡，1份；橡胶均匀剂，4份；炭黑，20份；增塑剂，10份；阻燃剂为变量（IFR配比为APP/PER/MEL=3:1:1，B系列和C系列的样品中IFR用量均为50份）。

1.3 实验仪器

开放式炼胶机；平板硫化机；拉伸试验机；锥形量热仪；氧指数仪。

1.4 实验方法

1.4.1 力学性能测试：将平板硫化机压片成型的厚度为2mm的硫化胶，裁成哑铃型标准试样。测定硫化胶的邵尔A硬度，测试样品总厚度不低于6mm；使用电子拉力实验机测定样品的拉伸强度、拉断伸长率及定伸应力。

1.4.2 锥形量热仪测试：本文中用于锥形量热测试的样品尺寸为100mm×100 mm×6mm，样品用铝箔包覆。

1.4.3 极限氧指数测试：试样尺寸为120mm×6.5mm×3mm。实验时将试样竖直的固定在玻璃燃烧筒中，氧氮混合气流按一定比例由下向上流通，用点火器点燃试样顶端的中心位置。

2 结果与讨论

2.1 三种复配阻燃体系对橡胶力学性能的影响

从实验结果来看，三种复配阻燃剂的加入都会使橡胶的邵尔A硬度增大，拉伸强度减小，拉断伸长率减小，定伸应力增大。这些变化说明IFR、IFR和红磷组成的复配阻燃剂以及IFR和十溴组成的复配阻燃剂的添加都会明显降低橡胶的力学性能，并且随着阻燃剂加入量的增大，橡胶的邵尔A硬度持续增大，拉伸强度持续减小。同时，IFR和红磷组成的复配阻燃剂对橡胶的力学性能影响最大。当添加24份的红磷时，试样的邵尔A硬度比纯橡胶增大了35%，拉伸强度减小了57%。当IFR的用量不变时，十溴的添加量对橡胶的力学性能影响最小。

2.2 三种复配阻燃体系对橡胶阻燃性能的影响

2.2.1 三种复配阻燃体系对橡胶氧指数的影响

从实验结果可以看出，在橡胶中单独添加由APP/PER/MEL组成的IFR时，橡胶的LOI值虽然有所提高，但相比于IFR添加量的变化，其LOI值提高的过于缓慢，阻燃效果不理想。当添加IFR与红磷复配组成的阻燃剂和IFR与十溴复配组成的阻燃剂时，橡胶的LOI值都明显提高。特别是IFR与红磷复配组成的阻燃剂，可以将橡胶的LOI值提高到29%，说明红磷的加入更能使IFR发挥阻燃的作用。

2.2.2 三种复配阻燃体系对橡胶热释放的影响

从实验结果可以看出，当IFR添加量少于75份时，橡胶的各种热释放都增大了，这说明少量添加IFR不仅起不到阻燃的效果，反而会使材料更加易燃。但随着IFR添加量的增大，橡胶的热释放有降低的趋势，因此，应该继续增大IFR的添加量。在IFR与红磷组成的复配体系中，红磷的加入会迅速降低橡胶的热释放，但只有当红磷的添加量为16份时，制备的橡胶才真正开始达到阻燃的效果，此时的热释放数值基本小于纯橡胶的热释放数值。当红磷的添加量为24份时，试样的各种热释放数值显著下降。在IFR与十溴的复配阻燃体系中，少量的十溴与IFR复配就能使橡胶的热释放减少。并且随着十溴的增加，试样的热释放明显降低。综合红磷和十溴的添加量以及两种复配体系对橡胶热释放的影响，可以看出，十溴的加入对降低橡胶热释放的影响更加明显。

从数据中还可以看出，IFR具有抑烟的效果，能减少橡胶燃烧过程中烟气的释放。红磷的加入对IFR的抑烟性能几乎没有影响，但十溴的加入却明显增大了试样的烟释放量。十溴的添加不仅没有起到抑烟的作用，反而破坏了IFR的抑烟性，加大了材料的生烟量，并且随着十溴使用量的增加，烟气释放量也随之增大。

3 结论

3.1 在橡胶中添加少量（＜75份）的IFR时，橡胶的LOI略有增大，热释放呈现先增加后减少的趋势，阻燃效果不明显。并且随着IFR加入量的增大，橡胶的力学性能下降。

3.2 IFR用量不变，加入红磷会使橡胶的LOI提高、热释放降低，并且当红磷添加量大于16份时，阻燃效果明显；在IFR阻燃体系中加入十溴同样会使橡胶的LOI提高、热释放降低，当十溴添加量大于10份时，阻燃效果明显。对比加入红磷和加入十溴的复配阻燃体系，加入十溴会使体系的阻燃效果更好，并且体系的力学性能下降不明显。

3.3 IFR具有明显的抑烟作用，可以减少橡胶燃烧过程中的烟气释放量；在IFR阻燃体系中加入红磷会增强IFR的抑烟作用；但在IFR阻燃体系中加入十溴时，IFR的抑烟作用遭到破坏，阻燃橡胶比纯橡胶释放出更多的烟气。