不同阻燃阻燃劑對硅橡膠性能的影響

橡膠是一種特殊的橡膠。由于其良好的耐寒性，施工面積大，耐泄漏起腐蝕性強，耐天候檢驗性能優異。20世紀80年代，它被廣泛應用于電纜附件廠。按照行業標準,用于制造電纜附件的材料要具有較高的阻燃性,(氧指數不小于30)。硅橡膠本身雖然有一定的阻然性,但氧指數遠小于30,必須對其進行阻燃改性才能滿足電纜附件的使用要求。此外,為了防止電纜燃燒產生大量煙霧和有毒氣體,一般選用有消煙作用的無機阻燃劑,例如氫氧化鋁,氫氧化鎂,硼酸鋅等。本文分別探討了上述3種阻燃劑的用量對硅橡膠阻燃性能和力學性能的影響。在選定了最佳配方后,討論了軟化劑1,2-丙二醇用量對硅橡膠綜合性能的影響及添加的最佳量。1實驗1.1雙二五2,5-二甲基-2,5二叔丁基過氧化己烷甲基乙烯基硅橡膠,晨光化工研究院生產;羥基硅油,晨光化工研究院生產;雙二五(2,5-二甲基-2,5二叔丁基過氧化己烷),牌號DBPMH,市售工業品;氣相法白炭黑,卡博特EH-5;氫氧化鋁,氫氧化鎂,硼酸鋅,市售工業品;1,2-丙二醇,上海外崗化工二廠生產。1.2試驗儀器和儀器主要設備和儀器:雙輥開煉機,SK-160B,上海橡膠機械廠;平板硫化機,YX-50(D)型,上海西瑪偉力橡塑機械有限公司;電子拉力試驗機,深圳市瑞格爾儀器有限公司;氧指數測定儀,HC-2型,江寧縣分析儀器廠;邵氏橡膠硬度計,LX-A型,江蘇省錫山市前洲測量儀器廠。1.3試驗計劃基本配方(質量份):硅橡膠100;白炭黑30;羥基硅油3;雙2,50.5;氫氧化鋁,氫氧化鎂,硼酸鋅變量。1.4制定具體配方根據實驗目的調整基本配方中阻燃劑的用量,制定出具體配方。基本操作工藝:按配方稱量各種原料,生膠塑煉后,在開煉機上依次加入白炭黑→結構控制劑HS0→阻燃劑→硫化劑。1.5拉伸性能測定按GB/T10707-1989測定氧指數;分別按GB/T528-1998,GB/T6037-1985,GB/T529-1999和GB/T531-1999測定拉伸強度、拉斷伸長率、撕裂強度和硬度。2結果與討論2.1阻燃劑用量的影響選用氧指數作為燃燒性能的評定依據。所謂氧指數是指試樣在N2-O2的混合氣體中維持繼續燃燒所需要的最低氧濃度。氧指數越大,材料的阻燃性能越好。未添加阻燃劑前,測得硅橡膠體系的氧指數是24。在基本配方中分別添加氫氧化鋁、氫氧化鎂、硼酸鋅后,得到A,B,C3種硅橡膠阻燃體系,并測得3種阻燃劑用量與氧指數的關系如圖1。由圖1可知,隨著阻燃劑用量的增加,3種體系的氧指數均增加;用量增至15份時,3體系的氧指數都已達到30以上;用量超過30份后,A、B體系的氧指數隨氫氧化鋁、氫氧化鎂用量的增加而繼續增加,而C體系的氧指數趨于恒定;當阻燃劑用量增至60份時,3種體系的氧指數分別達到36.8,34.5,32.5。可見3種阻燃劑中任選一種對硅橡膠進行改性,都能在較小用量下滿足電纜附件的阻燃要求。由于本實驗選用的氫氧化鋁的粒徑為4～5μm,氫氧化鎂的粒徑為1～3μm,結合氧指數大小可知:在相同用量下,氫氧化鋁對硅橡膠的阻燃改性效果優于氫氧化鎂。阻燃改性基本原理在于干擾氧化、熱及可燃氣體3個維持燃燒的基本要素,阻燃劑對材料的阻燃行為主要通過冷卻(降低熱量)、隔絕(隔絕氧氣)及終止反應(消滅可燃物體)等幾個方面來實現。實驗選用3種阻燃劑都是含有結晶水的化合物,它們按冷卻機理實現阻燃:即在受熱時會釋放結晶水,吸收大量熱量從而抑制聚合物溫度上升,產生的水蒸汽也大大稀釋了可燃性氣體的濃度,最終破壞維持聚合物持續燃燒的條件,達到阻燃目的。2.2阻燃劑用量的影響制作電纜附件的材料,僅氧指數滿足要求是不夠的,還應該具有較好的力學性能。對于預制型電纜附件用硅橡膠,一般拉伸強度>4MPa,拉斷伸長率>300%,撕裂強度>10N/mm,邵爾A硬度<50度。因此本實驗進一步考察了上述3種無機阻燃劑的加入對硅橡膠體系力學性能的影響,見圖2～圖5。由圖2～圖5可知,阻燃劑加入硅橡膠后,隨著其用量的增加,3種體系拉斷伸長率均呈下降趨勢,而硬度較大幅度增加。3體系的拉伸強度和撕裂強度的變化趨勢不統一。對于添加氫氧化鋁的硅橡膠體系A:隨著阻燃劑用量的增加,其拉伸強度和撕裂強度都有一定程度的增加。撕裂強度在用量超過15份后趨于穩定;拉伸強度在用量為30份時達到最大值8.41MPa,超過30份后逐漸減小。對于添加氫氧化鎂的硅橡膠體系B:阻燃劑用量對體系拉伸強度的影響類似于氫氧化鋁,但拉伸強度的最大值小于體系A;撕裂強度在用量超過15份后下降較快。對于添加硼酸鋅的硅橡膠體系C:阻燃劑加入硅橡膠后,拉伸強度和撕裂強度都呈明顯下降趨勢,其中拉伸強度下降得很快。綜合來看,氫氧化鋁用量在30份時體系A的力學性能達到最佳,基本滿足電纜附件使用要求;體系B的力學性能次之;硼酸鋅對體系力學性能的不良影響最大,不能滿足電纜附件的使用要求。2.3軟化劑用量的影響橡膠的彈性給加工過程帶來很多困難,如混煉不均、混煉時間長、生熱大、動力消耗大、壓延和壓出時不易操作等,為了克服以上困難,在配方中還需要加入一定量的軟化劑。本實驗以添加了30份氫氧化鋁的硅橡膠體系為基體,選用1,2-丙二醇作為軟化劑,考察了軟化劑用量對硅橡膠性能的影響,見表1。由表1可看出,軟化劑的加入對硅橡膠的力學性能和阻燃性能均有影響。拉伸強度、拉斷伸長率、撕裂強度均隨軟化劑用量的增加而增大;氧指數卻隨軟化劑用量的增加而減少,用量超過2份時已不能滿足電纜附件的使用要求。從材料的綜合性能考慮,軟化劑的用量以不超過2份為宜。3阻燃劑的用量(1)當阻燃劑用量超過15份時,在硅橡膠中添加氫氧化鋁、氫氧化鎂、硼酸鋅3種阻燃劑中的任何一種,材料的氧指數都超過30,能滿足電纜附件的阻燃要求。且在相同用量下,氫氧化鋁的阻燃效果優于氫氧化鎂。(2)無機阻燃劑的加入對材料的力學性能有不良影響。隨著阻燃劑用量的增加,硅橡膠的拉斷伸長率明顯下降,而硬度則提高較大。當阻燃劑的用量超過15份后,