硼泥、鋁灰制備的環(huán)保阻燃劑在丁苯橡膠中的應用研究

仲維娜， 劉大晨

(沈陽化工大學材料科學與工程學院，遼寧沈陽110142)

目前添加各類阻燃劑是對橡膠材料進行阻燃改性的主要手段.其中，鹵系阻燃劑是應用量最大的一類傳統(tǒng)阻燃劑，具有添加量小和阻燃效果顯著的特點，但其燃燒時產(chǎn)生大量煙霧、毒性物質(zhì)和強腐蝕性物質(zhì)而危害環(huán)境及人類健康.因此，低煙、低毒和無鹵阻燃橡膠的研制和使用已成為國內(nèi)外阻燃材料研究和發(fā)展的主要方向［1－4］.以工業(yè)廢料鋁灰和硼泥制得的以水滑石為主要成分的阻燃劑是一種新型環(huán)保生產(chǎn)工藝產(chǎn)品.丁苯橡膠(SBR)是一種易燃橡膠，其耐熱及阻燃性能較差，氧指數(shù)一般只有19% ～20%，熱分解溫度為200～500℃［5］，因此，本文主要研究以硼泥、鋁灰制備的新型環(huán)保阻燃劑對丁苯橡膠阻燃性能和力學性能的影響.

1 實驗部分

1.1 主要原料

硼泥、鋁灰制備的環(huán)保阻燃劑，丁苯橡膠(SBR1500)，紅磷，磷酸三苯酯(TCP)，硅烷偶聯(lián)劑(KH550、KH570、KH590).

1.2 儀器與設備

開煉機，XK-160，青島環(huán)球機械股份有限公司;平板硫化機，XLB-DQ400×400 mm，青島環(huán)球機械股份公司;微機控制電子萬能試驗機，DK-S22型，深圳市瑞格爾儀器有限公司;氧指數(shù)測定儀，JP-3型，南京上元分析儀器有限公司.

1.3 試樣制備

硫化膠基本配方(質(zhì)量份，下同):丁苯橡膠，100;阻燃劑，變量;TCP，10;紅磷，10;ZnO，5;4010Na，1;SA，2;S，2.8;NOBS，1.5;白炭黑，40;炭黑，10.按配方將各原料按次序加入，在開煉機上出片，然后在平板硫化機上硫化(硫化條件:150℃×10 min)，試樣厚度分別為2 mm(力學性能測試)和3 mm(阻燃性能測試).

1.4 改性處理

取質(zhì)量分數(shù)為阻燃劑1.6%的偶聯(lián)劑，用酒精稀釋，在使用攪拌機攪拌阻燃劑的過程中，均勻噴射到阻燃劑表面，常溫攪拌30 min，取出樣品抽濾、洗滌、干燥，得改性產(chǎn)品.

1.5 性能測試

1.5.1 阻燃性能

氧指數(shù)按GB10707－1989測定.

1.5.2 物理性能

邵爾A型硬度按GB/T531－1999測定;拉伸強度和斷裂伸長率按GB/T528－1998測定;拉伸速度為500 mm/min.

2 結果與討論

2.1 燃燒現(xiàn)象及產(chǎn)物

以環(huán)保阻燃劑為主復配阻燃體系的丁苯橡膠硫化橡膠燃燒時會冒出大量黑煙.漂浮的黑色煙灰是由于橡膠沒有完全燃燒造成的.另外，這些黑煙中還包括少量的P2O5固體顆粒.由圖1可以看出，硫化膠條燃燒后產(chǎn)生蓬松脹大現(xiàn)象.灰燼表面附著一層鱗狀物，質(zhì)地較脆，易碎.由水滑石的阻燃機理可以發(fā)現(xiàn)，燃燒后的產(chǎn)物為H2O、CO2和Al2O3、MgO，另外由于有紅磷的加入導致燃燒后的橡膠中還有P2O5的微粒存在，從而形成蓬松結構的鱗狀物在丁苯橡膠燃燒時起到隔熱、絕氧的作用，進一步阻礙丁苯橡膠的燃燒.

圖1 使用阻燃劑的丁苯橡膠燃燒后現(xiàn)象Fig.1 The use of flame retardant styrene butadiene rubber combustion phenomena

2.2 硼泥、鋁灰制備的阻燃劑對丁苯橡膠阻燃性能的影響

圖2是環(huán)保阻燃劑對丁苯橡膠的阻燃效果.在燃燒過程中，陰離子層狀結構的水滑石，分解時不僅放出大量的氣態(tài)水，還釋放CO2阻燃氣體，最終的熱分解殘余物MgO和Al2O3覆蓋于基體表面，一方面能形成隔熱層，另一方面，這種殘余物的隔熱層也隔離了空氣中的氧氣，從而起到凝聚相阻燃作用.由圖2可見，隨著環(huán)保阻燃劑用量的增加顯著提高了丁苯橡膠的阻燃性，氧指數(shù)已經(jīng)超過32，阻燃效果較好.

圖2 環(huán)保阻燃劑用量對氧指數(shù)的影響Fig.2 Effect of environmentally friendly flame on the oxygen index

2.3 硼泥、鋁灰制備的阻燃劑對丁苯橡膠力學性能的影響

使用環(huán)保阻燃劑可大大提高丁苯橡膠的阻燃性，但會造成力學性能較大損失.作為一種無機填充劑，水滑石在理論上能對丁苯橡膠有一定的補強作用，但因為環(huán)保阻燃過程中需要添加大量的阻燃劑，由此帶來無機填料的增多無疑會導致力學性能的降低.從圖3～圖5可以看出隨著環(huán)保阻燃劑用量的增大，丁苯橡膠硫化膠的斷裂伸長率逐漸下降，抗拉強度逐漸降低.因此，在符合環(huán)保阻燃的標準要求下，阻燃劑的用量不宜過多，并考慮對環(huán)保阻燃劑進行表面有機化改性處理，降低對硫化丁苯橡膠物理機械性能的不良影響.

圖3 環(huán)保阻燃劑用量對抗拉強度的影響Fig.3 Effect of environmentally friendly flame on the tensile strength

圖4 環(huán)保阻燃劑用量對斷裂伸長率的影響Fig.4 Effect of environmentally friendly flame on the elongation at break

圖5 環(huán)保阻燃劑用量對硬度的影響Fig.5 Effect of environmentally friendly flame on the hardness

2.4 改性后的環(huán)保阻燃劑對丁苯橡膠性能的影響

表1為不同偶聯(lián)劑改性阻燃劑對丁苯橡膠性能的影響.由表1可看出:對環(huán)保阻燃劑進行改性處理后可提高丁苯橡膠的抗拉強度;偶聯(lián)劑KH590對丁苯橡膠抗拉強度的改善最好，達到11 MPa以上.同時改性后的硫化膠斷裂伸長率降低，這是因為分子鏈之間的的距離減小，不容易相對滑移;邵氏硬度及阻燃性相比較變化不大.

表1 不同偶聯(lián)劑改性阻燃劑對丁苯橡膠性能的影響Table 1 Effect of different coupling agent modified flame retardant on the performance of SBR

3 結論

(1)從丁苯橡膠的燃燒效果可以看出，使用環(huán)保阻燃劑導致燃燒后的丁苯橡膠表面形成了一層阻燃層，有效地增強了丁苯橡膠的阻燃效果，達到了阻燃的目的.

(2)環(huán)保阻燃劑的用量增加使丁苯橡膠氧指數(shù)增加，有效地提高了丁苯橡膠的阻燃效果.

(3)環(huán)保阻燃劑在丁苯橡膠中的阻燃作用非常明顯，但是大量使用又會導致物理機械性能下降.所以在阻燃過程中，應根據(jù)具體要求選取適量的用量.

(4)對環(huán)保阻燃劑表面進行改性處理后，有效地提高了丁苯橡膠的力學性能，選取偶聯(lián)劑KH590改性環(huán)保阻燃劑效果最佳.

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

［2］ 李昂.橡膠阻燃及其阻燃劑［J］.特種橡膠制品，2002，23(3):25－30.

［3］ 智放，于智.阻燃橡膠淺析［J］.世界橡膠工業(yè)，2003，31(4):39－43.

［4］ 賈修偉.納米阻燃材料［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2005:9－10.

［5］ 劉小婧，程賢甦.脲醛改性酶解木質(zhì)素對丁苯橡膠阻燃性能的影響［J］.合成橡膠工業(yè)，2010，33 (2):154－157.