低烟无卤阻燃橡胶材料应用研究

高洪强，肖建斌

（青岛科技大学橡塑材料与工程教育部重点实验室，山东 青岛 266042）

低烟无卤阻燃橡胶材料应用研究

高洪强，肖建斌*

（青岛科技大学橡塑材料与工程教育部重点实验室，山东 青岛 266042）

主要研究以EPDM作为基体材料，采用不同牌号的乙丙橡胶并用、加入不同阻燃剂，通过测试胶料的力学性能和阻燃性能进行对比。结果表明，随着EPDM697并用比例增加，其综合力学性能略有降低，胶料阻燃性能变差；在EPDM539/ EPDM697共混胶中，用硼酸锌代替氢氧化铝，胶料力学性能和阻燃性能相差不大；加入不同种类磷酸酯阻燃剂DMMP、TCCP、FR-107，胶料力学性能相差不大，但其阻燃性变好，其中加入FR-107的胶料阻燃性能较好。

阻燃剂；力学性能；阻燃性能；胶料硬度

乙丙橡胶以其优异的耐热氧老化、臭氧和化学介质等性能而在工业生产中广泛应用［1］。但其主链全部由碳原子组成，属于易燃橡胶，为预防火灾的发生和保障人民的生命财产安全，对其进行有效的阻燃化，提高其阻燃性能和力学性能具有重要的意义。

大多数阻燃橡胶制品采用卤系阻燃剂与锑化合物并用作为阻燃体系，但这类阻燃体系在燃烧或高温热裂解时产生有毒化合物和腐蚀性气体，污染环境，并且燃烧时烟密度较大，导致人类窒息或不易逃生，造成更大的损失，因此低烟无卤阻燃的呼声越来越高。

贺春江等［2］以三元乙丙橡胶（EPDM）为基体，分别研究了三氧化二铁、二氧化钛及氧化锌这三种阻燃剂对氢氧化镁阻燃体系性能的影响。董明哲等［3］以三元乙丙橡胶/乙烯醋酸乙烯酯橡胶（EPDM/EVM）共混胶为基体，研究蒙脱土（MMT） 和膨胀阻燃剂（IFR）对共混胶阻燃性能的影响。Wang等［4］分析了次磷酸铝（AlHPi）和纳米二氧化硅对EPDM阻燃性和机械性能的影响后，发现纳米二氧化硅不仅能提高EPDM的阻燃性，而且还能显著提高EPDM的拉伸强度，纳米二氧化硅还与AlHPi具有较好的协调作用。付瑶等［5］以工业废料棚泥和赤泥为原料，采用煅烧和盐碱共融法制备以Mg/Al水滑石为主要成分的环保阻燃剂。同时将不同硼泥和赤泥配比及不同煅烧温度所制备的环保阻燃剂添加到三元乙丙橡胶中研究其对橡胶力学性能、物理机械性能和耐阻燃性能的影响。

本课题主要以三元乙丙胶为基体材料，研究无卤阻燃橡胶材料。研究不同牌号的EPDM共混胶的性能，对比检查氢氧化铝和硼酸锌对胶料阻燃性能和综合力学性能的影响，研究不同种类磷酸酯阻燃剂对三元乙丙橡胶胶料综合力学性能和阻燃性能的影响。

1 实验

1.1 原材料

三元乙丙橡胶EPDM539，美国狮子化学公司；三元乙丙橡胶EPDM697，美国狮子化学公司；磷酸酯类阻燃剂，青岛联美化工有限公司；其他配合剂均为工业级。

1.2 主要仪器设备

XSS-300橡塑实验密炼机，上海科创橡塑机械设备有限公司；X（S）K-160开放式炼胶机，上海双翼橡塑机械有限公司；GT-M2000-A无转子硫化仪，台湾高铁科技股份有限公司；HS100T-FTMO-90电加热平板硫化机，佳鑫电子设备科技有限公司；XLB平板硫化机，青岛第三橡胶机械厂；HD-10测厚仪，上海六菱仪器厂；LX-A型邵氏硬度计，上海六中量仪厂；AI-7000M电子拉力机，台湾高铁科技股份有限公司；HC-2型氧指数测定仪：GB/T5454—2008，台湾高铁公司。

1.3 试样制备

胶样制备按一般加料顺序，即：生胶（或塑炼胶）→小料（促进剂、活化剂）→补强剂、填充剂→硫黄（硫化剂），在橡塑实验密炼机上进行混炼，在开放式炼胶机上薄通6次后下片，停10 h后在硫化仪上测定其硫化特性曲线，硫化温度为180 ℃，根据硫化曲线得到硫化时间，然后用平板硫化机硫化试片。停放12 h后进行各项性能测试。

1.4 性能测试

拉伸性能按GB/T528—2008进行；撕裂性能GB 529和GB 530进行；按邵尔A硬度按GB/T 531—2008进行；氧指数按GB 10707—2008进行。

2 结果与讨论

2.1 EPDM539/EPDM697不同并用比例胶料性能研究

乙烯含量对EPDM的性能有着决定性的影响［6］。乙烯含量高于70%时，其硫化胶及生胶强度均增加，但永久变形会增大，弹性会下降。采用两种不同牌号的EPDM胶进行混炼，其中EPDM697为充油100份的橡胶，牌号539为乙烯含量70%的橡胶，1#和2#配方分别采用EPDM539/EPDM697共混比为80/40和70/60进行混炼（见表1），其余配合体系为：ZnO 5，SA 2，综合促进剂HE 5，氢氧化铝 120，白炭黑 30，KH560 3，硫黄 1.5。测试硫化胶的力学性能及阻燃性能，数据见表2。

表1 实验基本配方

表2 EPDM539/EPDM697的力学性能

EPDM分子链中含有少量的不饱和键，取代基空间位阻小，分子链柔性好，这样的分子结构决定了其具有良好的力学性能。表2数据表明，1#和2#胶料力学性能相差不大，但2#配方充油橡胶并用比例增大，相当于增加了10份增塑剂，增塑作用增大，导致胶料硬度降低，同时添加油份数增多，导致胶料氧指数下降［7］。同时由硫化曲线得到1#和2#胶料最小转矩分别为2.71、2.23，可以看出，随着充油EPDM697含量增加，共混胶最小转矩减小，加工性能变好。

2.2 氢氧化铝和硼酸锌对阻燃胶料性能的影响

为了提高胶料阻燃性能，研究不同氢氧化铝和硼酸锌用量对胶料力学性能和阻燃性能的影响。实验配方3#、4#、5#分别采用氢氧化铝/硼酸锌配比为100/0、80/20、0/100，其余配合体系为：EPDM539/ EPDM697为70/60，ZnO 5，SA 2，综合促进剂HE 5，白炭黑 30，KH560 3，硫黄 1.5。测试混炼胶的硫化特性和硫化胶的力学性能及阻燃性能，数据见表4和表5。

表3 实验基本配方

表4 混炼胶的硫化特性

表5 EPDM539/EPDM697的力学性能

由表4可知，随着硼酸锌用量的增加，混炼胶的正硫化时间缩短，硼酸锌对胶料硫化有促进作用。

表5数据看出，氢氧化铝和硼酸锌不同并用比例的胶料力学性能相差不大，说明无机阻燃剂氢氧化铝与硼酸锌对三元乙丙的补强效果相差不大。氢氧化铝的吸热效应大，生成的水蒸气还能起隔绝效应。无机阻燃剂的最大优点是无毒，不会产生有害气体，还可以减少燃烧过程中CO的生成量，起消烟剂作用。三个胶料氧指数都较低，达不到离火自熄要求，这是由于无机阻燃剂加入量少，阻燃效果不明显。

2.3 不同种类磷酸酯对阻燃胶料性能影响

无卤阻燃橡胶制品为了改善其工艺性，通常需要加入增塑剂，而一般增塑剂没有阻燃效果，反而降低胶料的阻燃性。液体类磷酸酯不仅起增塑作用，而且可以提高橡胶制品阻燃性［8］。研究不同磷酸酯类阻燃剂对硫化胶阻燃性能和力学性能的影响。在EPDM共混胶中，加入10份不同种类磷酸酯阻燃剂，6#、7#、8#配方中各加入DMMP、TCPP、FR-107，其余配合体系为：EPDM539/EPDM697为70/60，ZnO 5，SA 2，综合促进剂HE 5，白炭黑 30，KH560 3，硫黄 1.5，Al（OH）3120，硼酸锌 20。测试硫化胶力学性能和阻燃性能，数据见表7。

表6 实验基本配方

表7 EPDM539/EPDM697的力学性能

由表7数据可知，加入磷酸酯类阻燃剂，混炼胶的拉伸强度和拉断伸长率均下降，胶料撕裂强度变化不大。混炼胶的氧指数增加，阻燃性变好，这是由于加大了氢氧化铝和硼酸锌用量，并加入了液体类磷酸酯阻燃剂。在燃烧时，磷化合物分解生成磷酸的非燃性液态膜，起到覆盖效应。同时，磷酸进一步脱水生成偏磷酸，偏磷酸进一步缩合生成聚偏磷酸，使高聚物脱水而炭化，改变了高聚物燃烧过程的模式，并在其表面形成炭膜，以隔绝空气和阻止可燃性气体的产生，从而发挥更强的阻燃效果。表7数据表明，三个胶料力学性能相差不大，加入FR-107的胶料阻燃性能最好。

3 结论

（1）随着充油橡胶并用比例增加，胶料力学性能略有降低，阻燃性能变差，加工性能变好。

（2）不同氢氧化铝和硼酸锌并用比例的胶料力学性能和阻燃性能相差不大，硼酸锌对胶料硫化有明显促进作用。

（3）不同牌号液体磷酸酯阻燃剂可以降低胶料硬度，提高胶料阻燃性能。加入FR-107的阻燃性能较好。

［1］ 王硕，关颖.国内外乙丙橡胶产业现状及市场前景展望［J］.中国橡胶，2013，27（24）.

［2］ 贺春江，张国文，党佳，等.金属氧化物对氢氧化镁阻燃EPDM体系性能的影响 ［J］.橡胶工业，2011，58（8）：489～491.

［3］ 董明哲，谷晓昱，吴卫东，等.蒙脱土对膨胀阻燃三元乙丙橡胶/乙酸乙烯酯橡胶共混胶性能的影响 ［J］ .合成橡胶工业，2012，35（5）：378～381.

［4］ Wang Zongtao， Zhang Chaobao.The synergistic effect of aluminum hypophosphideand nanosilica on flameretarded ethylenepropylene-diene monomer rubber ［J］. Journal of Applied Polymer Science，2012，12（4）：3 487～3 493.

［5］ 付瑶，刘大晨，张宏亮，等.环保阻燃体系在三元乙丙橡胶中的应用研究［J］.沈阳化工大学学报，2013，27（4）：338～342.

［6］ 张瑞仙，曲红亮，靳保亮，等. 三元乙丙橡胶微观结构与性能的研究 ［J］ .机械传动，2013，56（8）.

［7］ 王鹤，竺珠，赵树高等.氢氧化铝和硼酸锌对乙烯-乙酸乙烯酯橡胶/丁腈橡胶共混胶阻燃性能的影响 ［J］ .合成橡胶工业，2012，35（5）：392～395.

［8］ 马德柱.聚合物结构与性能［M］，北京：科学出版社，2013：388～395.

Application of LSZH rubber materials

Application of LSZH rubber materials

Gao Hongqiang, Xiao Jianbin

(The Key Laboratory of Rubber-plastics of Ministry of Education, QUST, Qingdao 266042, Shandong, China)

This paper studies with EPDM as the base material, using different grades of EPDM and different fl ame retardants, comparing test compounds by the mechanical properties and fl ame retardant properties. The results shows that, with the increase in the proportional of EPDM697, its mechanical properties are slightly lower, and flame retardant properties are worse; In EPDM539 / EPDM697 blends, using zinc borate instead of aluminum hydroxide, the mechanical and flame retardant properties have little difference; adding different types of phosphate fl ame retardant DMMP, TCCP and FR-107, the mechanical properties have little difference, but its fl ame resistance becomes better, especially the one added with FR-107.

fl ame retardant; mechanical property; fl ame retardant property; compound hardness

TQ330.7

1009-797X（2015）23-0006-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.23.002

（R-02）

高洪强（1990-），男，硕士研究生，主要从事橡胶加工改性方面的研究。

*通讯联系人

2015-04-10