无机镁质阻燃剂LH3对乙丙橡胶性能的影响研究*
2015-11-28贺春江张国文裴顶峰杨维坚
贺春江,张国文,裴顶峰,杨维坚
(中国铁道科学研究院金属及化学研究所,北京 100081)
近年来由于消防安全及环保等问题的日益严重,无卤阻燃材料的应用逐年增长。与卤系阻燃剂相比,无机阻燃剂,如氢氧化铝和氢氧化镁等,具有燃烧时无有害气体释放, 燃烧后的残渣也不会对环境造成污染等优点,因此成为深受人们欢迎的环保阻燃剂[1-2]。LH3 是力矿矿业公司生产的白色超细无机矿物性功能填料,主要成份为水菱镁石-斜方云石的混合物。该填料具有色泽洁白、对环境友好,价格低廉(价格比水合法生产的氢氧化镁便宜)的特点[3-6]。LH3 在橡胶中的应用研究尚未见文献报道。本研究对比了LH3、氢氧化铝及氢氧化镁对乙丙橡胶硫化特性、加工性能、物理机械性能和阻燃性能的影响区别,表征了LH3 与红磷的协同阻燃效应。研究结果不仅显示了LH3 在乙丙橡胶中具有良好的应用前景,还为LH3 在无卤阻燃乙丙橡胶材料的研究及应用提供参考。
1 实验部分
1.1 原材料
乙丙橡胶,J-4045,吉林化学工业公司;氢氧化镁(H5IV),氢氧化铝(104LEO),美国雅宝公司;LH3,力矿矿业公司;其他为市售工业品。
1.2 试样制备
基本配方(phr,质量份):EPDM 100,氧化锌5,硬脂酸1,S 1.2,TRA 0.75<BZ 1.5,DM 0.5,阻燃剂变量。
试样制备工艺:在上海双翼橡塑机械有限公司生产的XK-160 型开放式炼胶机上混炼。乙丙橡胶先包辊塑炼,依次加入氧化锌、硬脂酸和阻燃剂,混炼均匀,最后加入硫化剂和促进剂。停放两天后适当返炼,在上海齐才液压机械有限公司生产的XLB型平板硫化机上硫化。
硫化条件:170 ℃×12 min×15Mpa。
1.3 分析与测试
氧指数:用江苏江宁县分析仪器厂产的JF-3 型氧指数测定仪按照GB/T 10707-2008 测定氧指数。
力学性能:拉伸强度、硬度测试分别按相应国家标准(GB/T 528-2009,GB/T 531-2008)测定。
硫化曲线:用MDR2000测定,测试条件170℃×30min。
2 结果与讨论
2.1 不同阻燃剂对乙丙橡胶硫化特性的影响
测试了填充175 份氢氧化镁、氢氧化铝及LH3的混炼胶的硫化特性。结果如表1 所示。
表1 不同阻燃剂对乙丙橡胶硫化特性的影响 Table 1 Effect of different flame retardants on the curing characteristics of EPDM
从表1 不同阻燃剂对乙丙橡胶硫化曲线参数的影响中可以看出,LH3 的Tc10 为51 秒,比氢氧化铝的1 分零2 秒,氢氧化镁的1 分都要短;LH3 的Tc90为9 分14 秒,比氢氧化铝的13 分55 秒,氢氧化镁的12 分56 秒要短。这表明LH3 表面呈碱性,硫化速度快。这一点对制备热空气连续硫化的产品比较有利。LH3 的最小扭矩0.209 N· m,比氢氧化铝的0.304 N·m,氢氧化镁的0.533 N·m 都要小,这表明LH3在开炼机或密炼机中混炼时的能耗较小。
2.2 不同阻燃剂对乙丙橡胶压延外观的影响
在开炼机上,将辊距调至1 毫米,分别取填充175 份阻燃剂的混炼胶400 克过辊出片,外观如图1 所示。
从图1 中看出,含LH3 的混炼胶外观最光滑。分析认为,这可能和LH3 片状结构有关[3]。这一特点显示出LH3 在制备要求外观光滑的挤出类产品(如密封条等产品)中比较有优势。
图1 不同阻燃剂对乙丙橡胶压延外观的影响 (从左到右依次为1#、2#和3#) Fig.1 Effect of different flame retardants on the rolling surface appearance of EPDM (from the left,1#、2#和3#)
2.3 不同阻燃剂对乙丙橡胶物理机械性能的影响
研究对比了氢氧化镁、氢氧化铝及LH3 用量对乙丙橡胶物理机械性能的影响,结果如表2 所示。
表2 不同阻燃剂对乙丙橡胶物理机械性能的影响 Table 2 Effect of different flame retardants on the mechanical properties of EPDM
从表2 不同阻燃剂对乙丙橡胶物理机械性能的影响中可以看出,随着阻燃剂用量增加,硫化胶的硬度都逐渐增大,其中LH3 的硬度及定伸最小,扯断伸长率最大,拉伸强度介于氢氧化镁与氢氧化铝之间。
2.4 不同阻燃剂对乙丙橡胶阻燃性能的影响
LH3 与氢氧化镁、氢氧化铝一样,在高温下会受热分解,吸收大量的热,因而具有阻燃作用[3]。研究对比了这三种阻燃剂用量对乙丙橡胶氧指数的影响,结果如图2 所示。从图2 不同阻燃剂用量对乙丙橡胶阻燃性能的影响中可见,随着三种阻燃剂用量增大,氧指数逐渐增大。 LH3 的氧指数比氢氧化镁的要小,比氢氧化铝的略大,更接近氢氧化铝。
图2 不同阻燃剂对乙丙橡胶阻燃性能的影响 Fig.2 Effect of different flame retardants on the flame retardance of EPDM
2.5 LH3 与红磷的协同阻燃效应
在总阻燃剂用量125 份基础上,考察了LH3与红磷并用比例对氧指数的影响,结果如图3 所示。从图3 中可以看出,随着红磷用量增大,氧指数逐渐增大。图3 表明红磷与LH3 有显著的协同阻燃效应。LH3 主要成分为水菱镁石-斜方云石。受热时LH3 会释放出水和二氧化碳,并吸收大量的热。红磷受热时在燃烧物表面分解产生一层粘稠的覆盖物,阻隔燃烧过程中氧、热及小分子的扩散。红磷高温下释放的PO·与促进燃烧进行的H·和OH·反应,终止燃烧的链反应,减少火焰区反馈到橡胶的热量,起到抑制火焰的作用[7]。
因此,红磷和LH3 并用可以提高乙丙橡胶的阻燃性能。
图3 LH3 用量对乙丙橡胶氧指数的影响 Fig. 3 1 Effect of the content of LH3 on the limited oxygen index of EPDM
3 结论
LH3 与氢氧化镁、氢氧化铝相比,填充LH3的乙丙橡胶混炼胶的粘度较小,压延外观较光滑;焦烧时间及正硫化时间都较短;硫化胶的硬度小,拉伸强度介于氢氧化镁与氢氧化铝之间;扯断伸长率大于氢氧化镁及氢氧化铝的;氧指数介于氢氧化铝及氢氧化镁之间,与红磷有协同阻燃效应。LH3作为无卤阻燃剂很适合做挤出类的无卤阻燃密封条类产品。
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