阻燃硅橡膠材料的制備與性能分析

關(guān) 程，趙 丹，孟祥耀沈陽(yáng)理工大學(xué)，遼寧沈陽(yáng) 110159

阻燃硅橡膠材料的制備與性能分析

關(guān) 程，趙 丹，孟祥耀
沈陽(yáng)理工大學(xué)，遼寧沈陽(yáng) 110159

硅橡膠材料是一種優(yōu)良的絕緣橡膠材料，具有耐臭氧、耐高溫等特點(diǎn)。但這種材料的最大缺點(diǎn)是具有易燃性，需要有良好性能的阻燃劑來(lái)克服這一缺點(diǎn)。本文分析了阻燃硅橡膠的制備與性能，探討了幾種常用阻燃劑對(duì)硅橡膠的阻燃影響，以提升這種材料的阻燃性能，擴(kuò)大其適用范圍。

硅橡膠材料；阻燃劑；制備；性能分析

目前，對(duì)硅橡膠有良好阻燃作用的阻燃劑有許多，例如鹵系阻燃劑中的氯化石蠟和磷系阻燃劑中的紅磷及磷酸酯等。但其燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生有害氣體，污染空氣和環(huán)境。因此，近年來(lái)，研究人員不斷探索能夠替換這些阻燃劑的新型阻燃劑，使硅橡膠材料既能夠有較好的阻燃性能，又能夠起到保護(hù)環(huán)境的作用。下文分析了阻燃硅橡膠材料的制備及性能，對(duì)幾種阻燃劑的性能做了比較，以不斷提高阻燃硅橡膠材料的制備。

1 阻燃硅橡膠材料的制備及性能分析

1.1阻燃硅橡膠材料的制備

阻燃硅橡膠材料的制備需要一些必要的材料和化學(xué)制劑，分別是白炭黑、催化劑、阻燃劑、交聯(lián)劑、電子分析天平、數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱、循環(huán)水式真空泵以及機(jī)械秒表等。其阻燃硅橡膠材料的制備過(guò)程如圖1所示。

圖1　阻燃硅橡膠材料的制備示意圖

首先將白炭黑分批倒入至硅橡膠材料中，并攪拌均勻。分批加入過(guò)程中，每次加入時(shí)需停頓30min，使白炭黑能充分分散。由于白炭黑具有較強(qiáng)的黏稠度，每次加入時(shí)的量應(yīng)盡可能地少。其次，A組分的制備需要分別將交聯(lián)劑和白炭黑加入硅橡膠中，攪拌均勻。B組分的制備是將催化劑滴入到阻燃劑粉體中，攪拌均勻備用。最后將A、B兩個(gè)組分合在一起強(qiáng)力攪拌分散均勻，放入錐形瓶中，并利用真空泵抽真空。去除硅橡膠材料上的氣泡以后，將其涂抹在事先準(zhǔn)備好的玻璃片上，并在150℃的溫度下進(jìn)行烘干，用刀片刮下玻璃片上的固體硅橡膠材料放入樣品袋。

1.2硅橡膠材料的阻燃性能分析

性能分析包括3個(gè)部分：阻燃性能測(cè)試、撕裂強(qiáng)度測(cè)試以及拉伸長(zhǎng)度測(cè)試。阻燃性能測(cè)試是用鑷子將樣品夾住放置酒精燈上直接接觸火焰7s，然后移開，觀察樣品并記錄燃燒時(shí)間。撕裂強(qiáng)度測(cè)試是用500g砝碼直接壓在對(duì)折樣品的上方，待一段時(shí)間后取下，觀察樣品的裂痕狀況，其裂痕長(zhǎng)度共分為5級(jí)。拉伸長(zhǎng)度測(cè)試是將樣品的一段先固定住，然后用鑷子夾住另一端，利用橡皮筋每次拉伸樣品2mm，用游標(biāo)卡尺記錄橡皮筋的拉伸長(zhǎng)度，利用橡皮筋的拉伸長(zhǎng)度間接計(jì)算出樣品的拉伸長(zhǎng)度。樣品的拉伸長(zhǎng)度共分為10級(jí)。

下文詳細(xì)分析幾種阻燃劑對(duì)硅橡膠材料的阻燃性能影響，探索出能發(fā)揮最大效用的阻燃劑用量，以此為基礎(chǔ)探討具有高效阻燃性能的硅橡膠材料的制備。

2 幾種阻燃劑的阻燃性能分析

2.1氫氧化鋁/氧化鐵阻燃劑

這種阻燃劑通過(guò)改變氫氧化鋁和氧化鐵的用量，測(cè)試硅橡膠材料的阻燃性能，并據(jù)此計(jì)算出能發(fā)揮這種阻燃劑最大阻燃效用的用量。隨著氫氧化鋁和氧化鐵制劑用量的加大，硅橡膠材料的拉伸強(qiáng)度不斷增加。在阻燃劑為8.75g時(shí)，其拉伸強(qiáng)度為6級(jí)；若用量低于6.25g，則這種氫氧化鋁/氧化鐵阻燃劑的阻燃性能不夠顯著；在阻燃劑大于6.25g時(shí)，硅橡膠材料的阻燃性能明顯提高。在阻燃劑用量達(dá)到8.75g時(shí)，其阻燃性能顯著下降至三級(jí)，撕裂強(qiáng)度也下降為二級(jí)。

在阻燃硅橡膠的制備中，白炭黑和催化劑的用量也會(huì)影響硅橡膠材料的阻燃效果。在白炭黑用量增加時(shí)，由于白炭黑的顆粒在硅橡膠中很容易聚集為大顆粒，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，阻礙其與硅橡膠材料的交互作用，降低硫化效果，使材料的攪拌流動(dòng)性能變差，增加其固化所用的時(shí)間，影響其拉伸性能。催化劑可以顯著縮短材料所需要的固化時(shí)間，增加其攪拌流動(dòng)性。經(jīng)試驗(yàn)證明，在催化劑的用量大于0.3g的情況下，硅橡膠的阻燃性能會(huì)漸漸減弱；在催化劑的用量小于0.3g的情況下，材料的阻燃性能則會(huì)逐漸增強(qiáng)。而在用量等于0.3g時(shí)，材料的阻燃性能最強(qiáng)，拉伸長(zhǎng)度變?yōu)榱?jí)，撕裂性能也較好。

2.2氫氧化鋁/氧化鐵/氧化銅復(fù)合阻燃劑

在氫氧化鋁和氧化鐵阻燃劑中加入氧化銅后，其阻燃效能有明顯提升。在這三者之間存在顯著地協(xié)同阻燃作用，使用少量的氧化銅可有助于提高材料的阻燃性能和撕裂強(qiáng)度，但同時(shí)會(huì)降低其拉伸強(qiáng)度。在氧化銅用量逐漸加大時(shí)，材料所用的固化時(shí)間也在不斷增加。在氧化銅用量低于0.15g的情況下，材料的阻燃性能未有顯著提升。氧化銅用量在0.15和0.3g兩者之間的情況下，其阻燃性能處于平均水平。在氧化銅用量大于0.3g時(shí)，硅橡膠材料的阻燃性能有較明顯地提升，但其固化時(shí)間明顯延長(zhǎng)。

在加入促進(jìn)劑氧化鋅之后，可大大減少材料的固化時(shí)間，增強(qiáng)其拉伸長(zhǎng)度性能。當(dāng)氧化鋅用量的逐漸增加時(shí)，材料的阻燃性能趨勢(shì)表現(xiàn)為先下降后上升。在氧化鋅用量低于0.25g時(shí)，其撕裂強(qiáng)度表現(xiàn)不明顯。在用量達(dá)到0.3g時(shí)，其撕裂強(qiáng)度急劇下降。當(dāng)氧化鋅用量達(dá)到0.2g時(shí)，材料的阻燃性能明顯，拉伸長(zhǎng)度達(dá)到8級(jí)。因此，氧化鋅用量應(yīng)為0.2g。

2.3氫氧化鋁/氧化鐵/稀土氧化物復(fù)合阻燃劑

稀土氧化物加入進(jìn)氫氧化鋁和氧化鐵的復(fù)合阻燃劑中，對(duì)提高材料的阻燃效能有明顯的幫助作用。稀土氧化物能在能在熱空氣老化狀態(tài)中發(fā)生氧化還原反應(yīng)，阻礙硅橡膠材料的燃燒過(guò)程。稀土氧化物在發(fā)生還原反應(yīng)的過(guò)程還會(huì)產(chǎn)生一些絡(luò)合物，使氧化過(guò)程無(wú)法進(jìn)行，在一定程度上對(duì)硅橡膠材料也起到了阻燃的作用。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，這三者之間有優(yōu)良的協(xié)同阻燃效果。稀土氧化物的用量多少直接影響著材料的阻燃效能和撕裂強(qiáng)度，但對(duì)其固化時(shí)間和拉伸長(zhǎng)度的影響作用較小。在氧化鐿用量逐漸加大時(shí)，硅橡膠材料的阻燃性能趨勢(shì)表現(xiàn)為先下降后上升。這是因?yàn)樽畛跹趸O的用量較少，在氧化反應(yīng)中捕捉的自由基較少，導(dǎo)致阻燃效果不明顯。同時(shí)，氧化鐿與自由基之間存在的化學(xué)反應(yīng)是一種放熱反應(yīng)。若氧化鐿用量過(guò)多，會(huì)引起隱燃現(xiàn)象，反而會(huì)降低硅橡膠材料的阻燃效果。此外，稀土氧化物的成本較高，處于經(jīng)濟(jì)效益的考慮，其不宜在實(shí)際中大量使用。因此，考慮各方面因素，氧化鐿的用量在0.075g時(shí)能發(fā)揮出最大的阻燃效用。

3 結(jié)論

硅橡膠材料的阻燃劑研究一直是硅橡膠研究領(lǐng)域的前沿課題，關(guān)系到硅橡膠材料的應(yīng)用和發(fā)展，也關(guān)系到國(guó)家科技水平的提高。本文探討了阻燃硅橡膠材料的制備以及幾種阻燃劑對(duì)其的性能影響，分析了硅橡膠材料的阻燃機(jī)理，總結(jié)了這3種阻燃劑的阻燃功能，并以此為基礎(chǔ)，分析出能發(fā)揮最大效用的阻燃劑用量。隨著硅橡膠材料阻燃研究的不斷深入，未來(lái)硅橡膠材料應(yīng)朝著多種阻燃劑協(xié)同阻燃的方向發(fā)展，減少阻燃劑用量的同時(shí)降低成本。

TQ33

A

1674-6708（2016）170-0121-01

關(guān)程，沈陽(yáng)理工大學(xué)。趙丹，沈陽(yáng)理工大學(xué)。孟祥耀，沈陽(yáng)理工大學(xué)。

［1］孫名偉，劉濤，馬鳳國(guó).阻燃硅橡膠的研究進(jìn)展［J］.有機(jī)硅材料，2014（4）：326-333.

［2］任文壇，高璐.阻燃硅橡膠材料的研究及其進(jìn)展［J］.特種橡膠制品，2012（5）：68-73.