不同阻燃阻燃剂对硅橡胶性能的影响

不同阻燃阻燃剂对硅橡胶性能的影响

橡胶是一种特殊的橡胶。由于其良好的耐寒性，施工面积大，耐泄漏起腐蚀性强，耐天候检验性能优异。20世纪80年代，它被广泛应用于电缆附件厂。按照行业标准,用于制造电缆附件的材料要具有较高的阻燃性,(氧指数不小于30)。硅橡胶本身虽然有一定的阻然性,但氧指数远小于30,必须对其进行阻燃改性才能满足电缆附件的使用要求。此外,为了防止电缆燃烧产生大量烟雾和有毒气体,一般选用有消烟作用的无机阻燃剂,例如氢氧化铝,氢氧化镁,硼酸锌等。本文分别探讨了上述3种阻燃剂的用量对硅橡胶阻燃性能和力学性能的影响。在选定了最佳配方后,讨论了软化剂1,2-丙二醇用量对硅橡胶综合性能的影响及添加的最佳量。1实验1.1双二五2,5-二甲基-2,5二叔丁基过氧化己烷甲基乙烯基硅橡胶,晨光化工研究院生产;羟基硅油,晨光化工研究院生产;双二五(2,5-二甲基-2,5二叔丁基过氧化己烷),牌号DBPMH,市售工业品;气相法白炭黑,卡博特EH-5;氢氧化铝,氢氧化镁,硼酸锌,市售工业品;1,2-丙二醇,上海外岗化工二厂生产。1.2试验仪器和仪器主要设备和仪器:双辊开炼机,SK-160B,上海橡胶机械厂;平板硫化机,YX-50(D)型,上海西玛伟力橡塑机械有限公司;电子拉力试验机,深圳市瑞格尔仪器有限公司;氧指数测定仪,HC-2型,江宁县分析仪器厂;邵氏橡胶硬度计,LX-A型,江苏省锡山市前洲测量仪器厂。1.3试验计划基本配方(质量份):硅橡胶100;白炭黑30;羟基硅油3;双2,50.5;氢氧化铝,氢氧化镁,硼酸锌变量。1.4制定具体配方根据实验目的调整基本配方中阻燃剂的用量,制定出具体配方。基本操作工艺:按配方称量各种原料,生胶塑炼后,在开炼机上依次加入白炭黑→结构控制剂HS0→阻燃剂→硫化剂。1.5拉伸性能测定按GB/T10707-1989测定氧指数;分别按GB/T528-1998,GB/T6037-1985,GB/T529-1999和GB/T531-1999测定拉伸强度、拉断伸长率、撕裂强度和硬度。2结果与讨论2.1阻燃剂用量的影响选用氧指数作为燃烧性能的评定依据。所谓氧指数是指试样在N2-O2的混合气体中维持继续燃烧所需要的最低氧浓度。氧指数越大,材料的阻燃性能越好。未添加阻燃剂前,测得硅橡胶体系的氧指数是24。在基本配方中分别添加氢氧化铝、氢氧化镁、硼酸锌后,得到A,B,C3种硅橡胶阻燃体系,并测得3种阻燃剂用量与氧指数的关系如图1。由图1可知,随着阻燃剂用量的增加,3种体系的氧指数均增加;用量增至15份时,3体系的氧指数都已达到30以上;用量超过30份后,A、B体系的氧指数随氢氧化铝、氢氧化镁用量的增加而继续增加,而C体系的氧指数趋于恒定;当阻燃剂用量增至60份时,3种体系的氧指数分别达到36.8,34.5,32.5。可见3种阻燃剂中任选一种对硅橡胶进行改性,都能在较小用量下满足电缆附件的阻燃要求。由于本实验选用的氢氧化铝的粒径为4～5μm,氢氧化镁的粒径为1～3μm,结合氧指数大小可知:在相同用量下,氢氧化铝对硅橡胶的阻燃改性效果优于氢氧化镁。阻燃改性基本原理在于干扰氧化、热及可燃气体3个维持燃烧的基本要素,阻燃剂对材料的阻燃行为主要通过冷却(降低热量)、隔绝(隔绝氧气)及终止反应(消灭可燃物体)等几个方面来实现。实验选用3种阻燃剂都是含有结晶水的化合物,它们按冷却机理实现阻燃:即在受热时会释放结晶水,吸收大量热量从而抑制聚合物温度上升,产生的水蒸汽也大大稀释了可燃性气体的浓度,最终破坏维持聚合物持续燃烧的条件,达到阻燃目的。2.2阻燃剂用量的影响制作电缆附件的材料,仅氧指数满足要求是不够的,还应该具有较好的力学性能。对于预制型电缆附件用硅橡胶,一般拉伸强度>4MPa,拉断伸长率>300%,撕裂强度>10N/mm,邵尔A硬度<50度。因此本实验进一步考察了上述3种无机阻燃剂的加入对硅橡胶体系力学性能的影响,见图2～图5。由图2～图5可知,阻燃剂加入硅橡胶后,随着其用量的增加,3种体系拉断伸长率均呈下降趋势,而硬度较大幅度增加。3体系的拉伸强度和撕裂强度的变化趋势不统一。对于添加氢氧化铝的硅橡胶体系A:随着阻燃剂用量的增加,其拉伸强度和撕裂强度都有一定程度的增加。撕裂强度在用量超过15份后趋于稳定;拉伸强度在用量为30份时达到最大值8.41MPa,超过30份后逐渐减小。对于添加氢氧化镁的硅橡胶体系B:阻燃剂用量对体系拉伸强度的影响类似于氢氧化铝,但拉伸强度的最大值小于体系A;撕裂强度在用量超过15份后下降较快。对于添加硼酸锌的硅橡胶体系C:阻燃剂加入硅橡胶后,拉伸强度和撕裂强度都呈明显下降趋势,其中拉伸强度下降得很快。综合来看,氢氧化铝用量在30份时体系A的力学性能达到最佳,基本满足电缆附件使用要求;体系B的力学性能次之;硼酸锌对体系力学性能的不良影响最大,不能满足电缆附件的使用要求。2.3软化剂用量的影响橡胶的弹性给加工过程带来很多困难,如混炼不均、混炼时间长、生热大、动力消耗大、压延和压出时不易操作等,为了克服以上困难,在配方中还需要加入一定量的软化剂。本实验以添加了30份氢氧化铝的硅橡胶体系为基体,选用1,2-丙二醇作为软化剂,考察了软化剂用量对硅橡胶性能的影响,见表1。由表1可看出,软化剂的加入对硅橡胶的力学性能和阻燃性能均有影响。拉伸强度、拉断伸长率、撕裂强度均随软化剂用量的增加而增大;氧指数却随软化剂用量的增加而减少,用量超过2份时已不能满足电缆附件的使用要求。从材料的综合性能考虑,软化剂的用量以不超过2份为宜。3阻燃剂的用量(1)当阻燃剂用量超过15份时,在硅橡胶中添加氢氧化铝、氢氧化镁、硼酸锌3种阻燃剂中的任何一种,材料的氧指数都超过30,能满足电缆附件的阻燃要求。且在相同用量下,氢氧化铝的阻燃效果优于氢氧化镁。(2)无机阻燃剂的加入对材料的力学性能有不良影响。随着阻燃剂用量的增加,硅橡胶的拉断伸长率明显下降,而硬度则提高较大。当阻燃剂的用量超过15份后,