阻燃橡膠地板的抗靜電性能*

吳紹利，王 瑋，何小剛，張忠新，李艷偉

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 金屬及化學研究所，北京 100081；2.北京中鐵科新材料技術有限公司，北京 100081)

靜電在我們的日常生活中可以說是無處不在，我們周圍就帶有幾千伏甚至幾萬伏的電壓。平時可能體會不到，但對于一些敏感儀器來講，這個電壓可能會是致命的危害[1]。

在電子工業、石油工業、兵器工業、紡織工業、橡膠工業以及巡航與軍事領域中，靜電的存在會造成很大的危害。一方面，一些電阻率很高的高分子材料如塑料、橡膠等制品的廣泛應用以及現代生產過程的高速化,使得靜電能積累到很高的程度；另一方面，靜電敏感材料的生產和使用,如輕質油品、火藥、固態電子器件等,使得工礦企業部門受靜電的危害也越來越突出。總之，尋求減少靜電造成的損失已經成為亟待解決的問題[2]。

近年來，國內外很多企業都在研究具有特殊功能的橡膠地板，阻燃橡膠地板有很多，抗靜電橡膠地板也有很多，但是既能夠阻燃[3-4]又能夠抗靜電的橡膠地板，就少之又少了，這也是國內外功能性橡膠地板的技術難題。

本文主要針對橡膠地板的阻燃性能和抗靜電性能的兼顧性進行研究，使其具有阻燃性、抗靜電性、耐磨性、高彈性、防滑性、環保性等特點，研究了從原料的選擇、配方配比的優化方面對阻燃抗靜電橡膠地板性能的影響。

1 實驗部分

1.1 原料

丁腈橡膠(NBR)： N41E，中國石油蘭州石化分公司；順丁橡膠(BR)： 9000，中國石油吉林石化分公司；高苯乙烯橡膠(HS)： 630，意大利埃尼(Eni)集團；阻燃劑： H5IV，德國雅寶公司；白炭黑：175，羅地亞白炭黑(青島)有限公司；氧化鎂：Zh-v150，無錫市澤輝化工有限公司；雙叔丁基過氧異丙基苯(BIPB-40)：湖南以翔科技有限公司；甲基丙烯酸鋅：ZSCO-2295，陜西岐山縣寶益橡塑助劑有限公司；硫化助劑(TAIC-70)：湖南以翔科技有限公司；抗靜電劑：LX-8100C，韓國韓一化學公司；抗靜電劑：S-20，杭州市化工研究所有限公司；抗靜電劑：K-01，中山市信涵橡塑材料廠；氧化鋅、硬脂酸、S、促進劑CZ、促進劑TMTD、促進劑NOBS、促進劑TETD、TAIC-70、促進劑DM、抗靜電劑SAT-AP-4、DH-K200、AST-PCAW、LX-8100C、HDC-308B、RC-100、B-20、氫氧化鎂E5、氫氧化鋁FR556、礦石法鎂E6、阻燃劑WF518均為普通市售材料。

1.2 儀器及設備

開煉機： XK250，大連華韓橡塑機械有限公司；密煉機： YS-3L-15,宜興陽昇機械有限公司；熱空氣老化箱：GT-7017-EMU，高特威爾檢測儀器(天津)有限公司；平板硫化機： LP3000-600，MonTech USA LLC；電子天平：BT25S,賽多利斯科學儀器(北京)有限公司；測厚儀： GT-313-A2，海克斯康公司；Shore A硬度計： HPE Ⅱ，德尚博銳儀器(上海)有限公司；高阻計： 6517B，美國吉時利(Keithley)儀器公司；無轉子流變儀： Premier MDR，美國阿爾法科技公司； 萬能材料試驗機：5967 型，美國INSTRON公司；氧指數儀：FTT0077，英國Fire Testing Technology Limite公司。

1.3 實驗配方

1.3.1 硫化體系實驗配方

硫化體系實驗配方見表1。

表1 硫化體系實驗配方1)(質量份)

1) 1-01為硫化體系；1-02為半硫化體系；1-03為有效硫化體系；1-04為過氧化物碳化體系；1-05為過氧化物與S并用硫化體系。

1.3.2 抗靜電劑測試實驗配方

抗靜電劑測試實驗配方見表2。

表2 抗靜電劑實驗配方(質量份)

1.3.3 阻燃劑測試實驗配方

阻燃劑實驗配方見表3。

表3 阻燃劑實驗配方(質量份)

續表

1.3.4 產品實驗測試配方

產品實驗配方見表4。

表4 產品實驗配方 (質量份)

續表

1.4 實驗方法

先將HS在開煉機上塑煉，然后再將NBR和HS捏煉4 min后冷卻停放。將捏煉好的橡膠、BR及各種配合劑、阻燃劑投入密煉機，密煉機溫度控制在90～100 ℃，密煉1.5 min，然后投入抗靜電劑和白炭黑，密煉1.5 min，溫度控制在120～130 ℃。密煉下料，在開煉機上加入硫化劑BIPB-40和硫化助劑TAIC-70，左右開刀，打3個三角包、2個卷后薄通3 min，調整輥距下片，停放24 h。在平板硫化機上硫化，試片厚度為2 mm，硫化溫度為180 ℃，硫化時間為7 min，硫化壓力為(12±1)MPa。

1.5 性能測試

硬度按照GB/T 531.1—2008進行測試；拉伸強度和伸長率按照GB/T 528—2009進行測試；撕裂強度按照GB/T 529—2008進行測試；體積電阻率按照GB/T 1692—2014進行測試；有機揮發物按照GB 18586—2001進行測試；氧指數按照GB/T 10707進行測試；表面劃痕進行人工目測，人工手握銅針用力橫向/縱向來回滑動，劃完之后立即對表面的劃痕情況進行判定，優代表表面無劃傷痕跡，無顏色變化；良代表表面無明顯傷痕，輕微顏色發白；差代表表面殘留明顯白色印跡。

2 結果與討論

2.1 實驗材料的篩選

2.1.1 生膠的選擇

表5為生膠體積電阻率的對照表。

表5 生膠體積電阻率對照表

由表5可以看出，NBR的體積電阻率為109～1011Ω·cm，半導體的體積電阻率的上限就是1010Ω·cm，所以說NBR是半導體橡膠材料，具有抗靜電性，且隨著丙烯酸含量的增加，抗靜電性提高。因此，選擇NBR為主基材[5]。

為了使成品橡膠地板布達到最優性能，可適當地與HS和BR并用。BR具有很高的耐磨性、回彈性，在此產品中使用能增強橡膠地板表面的耐劃痕性、耐磨性、防滑性、回彈性等性能，同時能增加行人行走時的舒適度。HS-630可增加橡膠地板布產品的硬度，使其表面結皮性尤為突出，具有提高表面耐剮蹭、耐污染的優點[6]。

2.1.2 硫化體系的選擇

分別選取硫磺硫化體系、半有效硫磺硫化體系、有效硫磺硫化體系、過氧化物硫化體系、過氧化物與硫磺并用硫化體系來考察對NBR性能的影響[7]，實驗結果如表6所示。

表6 硫化體系實驗測試結果

1) 為每平方米產品中揮發出來的有機物質量。

由表6可知，雖然實驗1-01、1-02、1-03、1-05的力學性能要略優于實驗1-04，但是從環保以及外觀的角度看，實驗1-04要更明顯優于其他方案，并且選擇過氧化物的優點還有壓縮永久變形低、不會出現硫化返原現象，大大地提高了成品率，所以本實驗選取無味的過氧化物BIPB-40作為硫化劑，TAIC-70作為交聯助劑。

2.1.3 抗靜電劑的選擇

橡膠常用的導電填料為乙炔炭黑、導電爐黑、導電槽黑[8]、金屬粉末、抗靜電劑[9-10]。由于本實驗制品的顏色為淺色，所以乙炔炭黑、導電爐黑和導電槽黑首先不適用。而將金屬粉末加入橡膠制品中若想達到抗靜電的效果，往往需要金屬粉末的量要足夠多，這樣橡膠制品的顏色不但受影響，而且成品的劃痕性差、硬度高，所以也不能選用金屬粉末。抗靜電劑主要是離子型表面活性劑[11-12]，一般分為：永久型抗靜電劑(多為高分子型、聚氧乙烯類型等成分)和非永久型抗靜電劑(陽離子型、陰離子型、兩性型和非離子型)[13-15]，本實驗選用永久型抗靜電劑。高分子永久型抗靜電劑主要是在制品表層形成微細的層狀或筋狀分布，構成導電性表層，而在中心部分幾乎呈球狀分布，形成所謂的“芯殼結構”，并以此為通路泄漏靜電荷，解掉表面及本體內的靜電荷[16]，降低電阻率的抗靜電劑。 K-01、AP-4、DH-K200、PCAW、LX-8100C、S-20、HDC-308B、RC-100、B-20這9種永久抗靜電劑測試結果見表7。

表7 抗靜電劑實驗測試結果1)

1) 實驗室環境條件：溫度 為(23±2)℃，相對濕度為(50±5)%。

體積電阻率約一周左右的時間達到穩定，根據表7可篩選出實驗1-05和實驗1-06抗靜電效果較好，做為本實驗的抗靜電劑。

2.1.4 阻燃劑的選擇

阻燃劑配方1-15、1-16、1-17、1-18、1-19的性能結果見表8。

表8 阻燃劑實驗配方測試結果

根據表8可以得出阻燃劑H5IV的各項指標均優于其他阻燃劑，因此選擇阻燃劑H5IV。

2.1.5 產品測試

產品測試結果如表9所示。

由表9可知，實驗組1-20與實驗組1-21對比，可得出阻燃劑H5IV在50份和80份時對電阻率的影響不大，對阻燃性能的影響較大；隨著HS-630含量的增加產品的硬度增大，順丁含量增加產品的硬度降低；抗靜電劑S-20用量的增加，阻燃性和硬度也隨之增大，經過8組實驗的篩選，實驗組1-27的各項性能指標最優，選定為本阻燃抗靜電地板布研究的最終方案。

表9 產品實驗測試

1) 為每平方米產品中揮發出來的有機物質量。

3 結 論

(1)在配方主體材料和硫化體系不變的情況下，阻燃劑H5IV用量不超過80份時不會影響產品的電阻率。

(2)在配方填料和硫化體系不變的情況下，NBR含量的多少直接影響產品電阻率， NBR含量增加體積電阻率減小。

(3)在常用橡膠中，NBR的防靜電性能最優，適合做抗靜電橡膠地板布。

(4) 抗靜電劑的用量增加會對橡膠地板布的燃燒性能有一定的影響。

(5)經過8組實驗的篩選，實驗1-27的各項性能指標最優，產品的拉伸強度為8.7 MPa、伸長率為197%、撕裂強度為27 kN/m、邵爾A硬度為87.5、氧指數為29.6%、體積電阻率為2.5×108Ω·cm、表面電阻率為0.69×108Ω·cm，產品中揮發出來的有機物為21.8 g/m2，表面劃痕為優。