复配阻燃型硅橡胶的阻燃性能研究

复配阻燃型硅橡胶的阻燃性能研究

与一般有机橡胶相比，橡胶具有优异的耐高低温性、耐老化性、绝缘性、生理性和婚性能，并在航空、电子电气、建筑和卫生医疗领域得到广泛应用。硅橡胶分子主链由Si—O键组成,其键能比C—C键键能高,其燃烧极限氧指数也较高,但仍小于25%;因此有必要对其进行阻燃改性才能拓宽应用领域。提高橡胶阻燃性的方法主要有:共混改性、添加无机阻燃剂、添加各种复合阻燃剂、提高橡胶交联密度等。聚磷酸铵(APP)、氢氧化铝(ATH)是橡胶中常用的无卤阻燃剂。APP是一种性能良好的无机阻燃剂,是目前磷系阻燃剂中研究比较活跃的品种,与有机阻燃剂相比具有价廉、毒性低、热稳定性好等优点,可单独或与其它阻燃剂复配使用。ATH本身具有阻燃、消烟、填充三个功能,因其不挥发、无毒,又可与多种阻燃剂产生协同阻燃作用,被誉为无公害无机阻燃剂。本实验采用聚磷酸铵(APP)和氢氧化铝(ATH)粉末复配填充甲基乙烯基硅橡胶,制成阻燃型硅橡胶,研究了APP、ATH、APP/ATH用量及复配方式对硅橡胶阻燃性能、介电性能和力学性能的影响。1实验1.1含含油剂的光伏化工研究甲基乙烯基硅橡胶生胶(MVQ):110-2,摩尔质量56×104g/mol,中蓝晨光化工研究设计院有限公司;聚磷酸铵(APP):JLS-APP,聚合度n>1000,杭州捷尔斯公司;氢氧化铝(ATH):FA-70A,5000目,佛山金戈消防材料厂;气相法二氧化硅:255,1000目,江西南吉化工厂;其它材料:市售。1.2阻燃胶料制备法在开炼机上将硅橡胶生胶包辊,待胶层表面平滑后,加入经80℃×5h干燥后的气相法二氧化硅、增塑剂、防老剂,混炼均匀;再加入阻燃剂、交联剂和助交联剂,打卷8次后出片,室温放置24h。然后将胶料在平板硫化机上压制成型,硫化条件为170℃×15min;再在烘箱中进行二次硫化,硫化条件为200℃×4h。1.3拉伸性能测试氧指数:按GB/T2406—1993、使用南京江宁区分析仪器厂的JF-3型氧指数测定仪测试;介电常数和介质损耗因数:按GB/T1693—2007、采用上海爱仪电子设备有限公司的QBG-3D型高频Q表配合S914型介质损耗测试装置测试;拉伸强度和拉断伸长率:按GB/T528—2009、采用北京友深电子仪器有限公司的T-2000电子拉力机测试;邵尔A硬度:按GB/T531—2009、采用上海六中量仪厂的LX-A型橡胶硬度计测试。2结果与讨论2.1复合填充的协同作用图1为APP/ATH复配阻燃剂用量和配比对硅橡胶阻燃性能的影响。从图1可以看出,随着阻燃剂填充量的增加,硅橡胶的氧指数提高。APP和ATH复配填充可明显提高硅橡胶的阻燃性能。当APP/ATH用量为80份、且APP与ATH的质量比为3∶2时,阻燃效果最佳,硅橡胶的氧指数达到44%。由此可见,APP和ATH按一定比例复配填充可产生较好的协同效果:一方面可使硅橡胶的阻燃性能明显提高;另一方面可降低ATH的用量,从而减少ATH对硅橡胶力学性能的影响。APP在火焰或高温作用下分解释放NH3、H2O和磷酸,磷酸进而热解脱水放出聚偏磷酸和焦磷酸(不燃性的粘稠熔融体),将硅橡胶表面覆盖起来,隔绝空气;所产生的NH3和H2O可以稀释燃烧中生成的可燃性气体和空气中的氧气浓度,降低可燃气体温度,抑制有焰燃烧的发生。另外,ATH受热分解生成大量水蒸气,稀释可燃性气体;ATH分解过程吸收大量热量(2kJ/g),迅速降低硅橡胶的表面温度,抑制硅橡胶的热分解和燃烧;同时,ATH分解生成一层致密的三氧化二铝(Al2O3)保护膜覆盖在硅橡胶表面,与其它碳化物一起形成一道阻燃屏障,起到较好的阻燃抑烟作用。APP和ATH复配使用可产生明显的协同效果。在整个燃烧过程中,APP/ATH阻燃体系主要发生了式1~式3的反应。2.2app/ath用量对聚氨酯拉伸性能和硬度的影响图2为质量比为3∶2的APP/ATH复配阻燃剂用量对硅橡胶力学性能的影响。从图2可知,硅橡胶的拉伸强度与拉断伸长率均随APP/ATH复配阻燃剂用量的增加而降低。这是因为APP/ATH的加入填充了硅橡胶柔性分子链间的空隙,导致分子链运动受阻,影响了硅橡胶受力时的变形能力;另一方面,随着APP/ATH用量的增加,破坏了硅橡胶-补强填料的补强体系,使APP/ATH与硅橡胶的界面结合变差,易发生与硅橡胶基体的分离,从而导致硅橡胶的拉伸强度和拉断伸长率降低。硅橡胶的邵尔A硬度则随APP/ATH用量的增加而增加,当APP/ATH用量为80份时,硅橡胶的邵尔A硬度达到61度。这主要归因于随着APP/ATH添加量的增加,复合材料中的柔性组分含量逐步降低,导致其硬度逐步增加。2.3阻燃剂用量的影响图3为质量比为3∶2的APP/ATH复配阻燃剂的用量对硅橡胶介电性能的影响。从图3可以看出,随着APP/ATH复配阻燃剂用量的增大,介电常数和介质损耗因数总体呈增大趋势。这是因为APP和ATH的介电常数和介质损耗因数均大于硅橡胶,因此APP/ATH的含量是决定硅橡胶最终介电性能的主要因素。由此可见,APP/ATH的加入在一定程度上损害了硅橡胶的电绝缘性能,但仍保持了良好的电绝缘性能。3app/ath复配阻燃剂用量随着APP、ATH用量的增加,硅橡胶的阻燃性能增加;同等填充量下,APP/ATH复配阻燃剂填充硅橡胶的阻燃性能比单一APP或ATH填充硅橡胶更佳;随着APP/ATH复配阻燃剂用量的增加,硅橡胶的拉伸强度与拉断伸长率降低,邵尔A硬度、介电常数和介质损