粉煤灰基阻燃劑在阻燃輸送帶膠料中的應(yīng)用研究

于立東，肖建斌

（青島科技大學(xué)橡塑材料與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266042）

為適應(yīng)我國(guó)煤礦工業(yè)高產(chǎn)、高效、集約化生產(chǎn)的需要，長(zhǎng)距離、高帶速、大運(yùn)量、大功率的帶式輸送機(jī)成為礦井運(yùn)輸設(shè)備的發(fā)展方向，同時(shí)也對(duì)輸送帶物理性能和安全性能提出了更高的要求。

我國(guó)煤炭能源消耗巨大，其中約70%用于發(fā)電，作為煤炭燃燒的主要副產(chǎn)物粉煤灰產(chǎn)量不斷上升。粉煤灰過(guò)去主要用作附加值較低的建筑材料，經(jīng)研究，粉煤灰還可作為阻燃劑用于聚氯乙烯[1]、環(huán)氧樹(shù)脂[2]等。北京低碳清潔能源研究所研制的粉煤灰基阻燃劑為粉煤灰高價(jià)值應(yīng)用提供了可能。本工作對(duì)粉煤灰基阻燃劑在阻燃輸送帶膠料中的應(yīng)用進(jìn)行初步研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

粉煤灰基阻燃劑，北京低碳清潔能源研究所提供。

1.2 主要設(shè)備與儀器

XSM-500型橡塑試驗(yàn)密煉機(jī)，上?？苿?chuàng)橡塑機(jī)械設(shè)備有限公司產(chǎn)品；S（X）K-160A型開(kāi)煉機(jī)，青島化工機(jī)械廠產(chǎn)品；GT-M2000-A型硫化測(cè)定儀、AI-7000S型電子拉力機(jī)和HC-2型氧指數(shù)測(cè)定儀，中國(guó)臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；JQSYM-2型塑料煙密度測(cè)定儀，中國(guó)臺(tái)灣金龍?jiān)囼?yàn)設(shè)備廠產(chǎn)品；JSM-6700F型掃描電鏡（SEM），日本JEOL公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)配方

丁腈橡膠（NBR）/氯化聚乙烯（CM），50/50；氧化鋅，5；硬脂酸，0.5；炭黑N330，40；硫黃，0.5；過(guò)氧化物DCP，1.5；促進(jìn)劑M，0.5；季戊四醇、硼酸鋅、聚磷酸銨、磷酸三甲苯酯和粉煤灰基阻燃劑，變量。

1.4 試樣制備

膠料分2段混煉，一段混煉在密煉機(jī)中進(jìn)行，加料順序?yàn)椋篘BR和CM→氧化鋅、硬脂酸和促進(jìn)劑→炭黑和阻燃劑→排膠；二段混煉在開(kāi)煉機(jī)上進(jìn)行，加料順序?yàn)椋阂欢位鞜捘z→硫化劑→薄通6次，出片?；鞜捘z停放24 h后硫化，硫化溫度為165 ℃。

1.5 性能測(cè)試

膠料性能均按相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰基阻燃劑對(duì)膠料物理性能和氧指數(shù)的影響

在阻燃輸送帶中常采用膨脹阻燃體系，膨脹型阻燃體系主要由成炭劑、脫水劑、發(fā)泡劑3部分組成[3]。成炭劑是指在燃燒過(guò)程中被脫水劑奪走水分而炭化的物質(zhì)，是形成泡沫炭化層的基礎(chǔ)。脫水劑在燃燒過(guò)程中奪走成炭劑水分，其主要作用是促進(jìn)多羥基化合物脫水炭化，形成一定厚度的不易燃燒的炭質(zhì)層。發(fā)泡劑受熱時(shí)分解、釋放出大量無(wú)毒的氣體，使膠料膨脹并形成細(xì)泡海綿狀物質(zhì)，同時(shí)有滅火作用。季戊四醇含較多官能團(tuán)，作為成炭劑在膨脹型阻燃劑中應(yīng)用較多。硼酸鋅效能是較強(qiáng)的成炭促進(jìn)劑，能在固相中促進(jìn)致密而堅(jiān)固的炭化層生成，既可隔熱又能隔絕空氣，還是燃燒抑制劑[4-5]。

在阻燃輸送帶膠料膠料中，對(duì)粉煤灰基阻燃劑的作用進(jìn)行考察，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出：粉煤灰基阻燃劑取代季戊四醇和聚磷酸銨（脫水劑）后，膠料（3#配方）的氧指數(shù)不變，門(mén)尼粘度、拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度變化很小，硬度略有降低；粉煤灰基阻燃劑取代硼酸鋅、季戊四醇和聚磷酸銨后，膠料（4#配方）的門(mén)尼粘度上升不大，氧指數(shù)、硬度、拉伸強(qiáng)度有所降低，撕裂強(qiáng)度不變；粉煤灰基阻燃劑取代硼酸鋅、季戊四醇、聚磷酸銨和磷酸三甲苯酯（阻燃劑）后，膠料（5#配方）的氧指數(shù)增大，拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度提高，但門(mén)尼粘度急劇上升。綜合而言，粉煤灰基阻燃劑取代硼酸鋅、季戊四醇和聚磷酸銨的4#配方膠料的加工性能和物理性能較好，氧指數(shù)變化也不大。

表1 粉煤灰基阻燃劑對(duì)膠料物理性能和氧指數(shù)的影響

2.2 粉煤灰基阻燃劑對(duì)膠料熱穩(wěn)定性的影響

為表征膠料的熱穩(wěn)定性，對(duì)膠料進(jìn)行熱重分析（TG），結(jié)果如圖1所示。試驗(yàn)條件為：氮?dú)夥諊瑴囟?0～700 ℃，升溫速率10 ℃·min－1。從圖1可以看出：1#和4#配方膠料的TG曲線均有3個(gè)質(zhì)量損失臺(tái)階，反映在DTG曲線上有3個(gè)質(zhì)量損失峰；1#和4#配方膠料分別在145.4 ℃和243.3 ℃出現(xiàn)第1個(gè)質(zhì)量損失峰，即4#配方膠料第1個(gè)質(zhì)量損失峰溫度較1#配方膠料提高近100 ℃；1#和4#配方膠料分別在243.3 ℃和295.9 ℃出現(xiàn)第2個(gè)質(zhì)量損失峰，即4#配方膠料的第2個(gè)質(zhì)量損失峰溫度較1#配方膠料提高52.6 ℃；2個(gè)配方膠料的第3個(gè)質(zhì)量損失峰溫度均在460 ℃以上，這是NBR/CM并用膠的熱氧分解溫度?？梢缘贸觯勖夯一枞紕┤〈鹚徜\、季戊四醇和聚磷酸銨的4#配方膠料的熱穩(wěn)定性較好。

圖1 1#和4#配方膠料的TG 和DTG 曲線

2.3 粉煤灰基阻燃劑對(duì)膠料產(chǎn)煙的比光密度的影響

1#和4#配方膠料產(chǎn)煙的比光密度與時(shí)間的關(guān)系如圖2所示。從圖2可以看出：在0～150 s內(nèi)，1#和4#配方膠料產(chǎn)煙的比光密度增長(zhǎng)速率一致；在約300 s時(shí)，1#配方膠料產(chǎn)煙的比光密度最大，之后逐漸下降；4#配方膠料產(chǎn)煙的比光密度整體變化不大，這可能是由于粉煤灰基阻燃劑的耐熱性能優(yōu)于硼酸鋅、季戊四醇和聚磷酸銨；400 s后，4#配方膠料產(chǎn)煙的比光密度大于1#配方膠料，但總體相差不大?？偟恼f(shuō)來(lái)，粉煤灰基阻燃劑取代硼酸鋅、季戊四醇和聚磷酸銨的4#配方膠料成炭抑煙效果稍差。

圖2 1#和4#配方膠料產(chǎn)煙的比光密度與時(shí)間的關(guān)系

2.4 粉煤灰基阻燃劑在膠料中的分散性

1#和4#配方膠料斷面的SEM照片如圖3所示。從圖3可以看出：1#和4#配方膠料內(nèi)部均存在較多顆粒，但1#配方膠料的大顆粒多且有的粒徑達(dá)20 μm以上，表面粗糙；4#配方膠料的顆粒相對(duì)較小，表面光滑，結(jié)構(gòu)致密，分散均勻。這說(shuō)明粉煤灰基阻燃劑在膠料中的分散性較好。

圖3 1#和4#配方膠料斷面的SEM 照片

3 結(jié)論

粉煤灰基阻燃劑替代硼酸鋅、季戊四醇和聚磷酸銨用于NBR/CPE阻燃輸送帶膠料中，膠料的加工性能、物理性能、阻燃性能變化不大，熱穩(wěn)定性顯著提高，燃燒前期抑煙效果較好。粉煤灰基阻燃劑可以替代或部分替代硼酸鋅、季戊四醇和聚磷酸銨用于NBR/CPE阻燃輸送帶膠料中。