EVM环保阻燃复合弹性体材料宽温域硬化及陶瓷化

刘大晨,朱博聪,薛奥楠,肖小坤,龙思曼,沈玉婷

(沈阳化工大学 材料科学与工程学院,辽宁 沈阳 110142)

陶瓷化高分子材料是一种新型阻燃防火材料,一般以橡胶或树脂为基体,并添加一定量成瓷填料、助熔剂制备而成。这种陶瓷化复合材料在常温下表现为橡胶态,发生火灾时,材料经过高温过程可以形成具有一定支撑结构的陶瓷化复合材料,显示出陶瓷体的特征,在电线电缆、核电厂等领域可在一定程度上抑制二次灾害的发生,有较好的应用前景[1-2]。“可陶瓷化”的概念最早是由澳大利亚莫纳什大学的研究人员首次提出,研究人员采用硅橡胶为基体,制备了一种可在高温条件下形成陶瓷层的复合弹性体材料,这种陶瓷层具有一定强度还能隔绝热量传递[3-5]。

如今,国内外对陶瓷化高分子基复合材料的研究主要是以硅橡胶为基体,并将云母粉、高岭土、蒙脱土、滑石粉、陶土、膨润土等成瓷填料和一些低熔点助熔剂如低熔点玻璃粉、氧化硼等加入其中,以保证材料能在高温下硬化形成陶瓷层[6-11]。Hu等[12]以硅橡胶为基体,制备了硅橡胶/聚磷酸铵/氢氧化铝/云母复合材料,研究了复合材料在不同温度下的成瓷过程,由于硅橡胶特殊的结构组成,主链为硅氧键,侧基为烷基,在600～800 ℃下,Si—O键会转变为二氧化硅网络,同时这种网络结构也为复合材料陶瓷化提供一定的“骨架”基础。相比于以硅橡胶为基体的陶瓷化复合材料,聚烯烃为基体的可瓷化复合材料具有更低的成本以及更好的加工方式,以聚烯烃为陶瓷化聚合物基体的力学强度下限高于硅橡胶,但聚烯烃材料的分子主链是C元素,在高温条件下残留很少或者无残留,其中的成瓷填料和助熔剂会在高温下软化,再经冷却后形成陶瓷层[13-15]。Zhao等[16]以三元乙丙橡胶(EPDM)为基体,添加芳纶纤维作为结构增强填料,结果表明,芳纶纤维可以作为陶瓷化EPDM复合材料的“骨架结构”,在添加芳纶纤维后显著提高了材料的自支撑性能。因聚合物基陶瓷化复合材料成瓷过程都需较高温度[17]。本文以乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVM)为基体,研究了聚酰亚胺短切纤维(PI短纤)的用量对EVM复合弹性体材料热稳定性、阻燃性能和宽温度范围硬化及陶瓷硬化性能的影响。

1 实验部分

1.1 原料

EVM:醋酸乙烯酯(VA)质量分数为50%,阿朗新科高性能弹性体(常州)有限公司;陶土:PW-98,上海懋通实业有限公司;低熔点玻璃粉:青岛玉州化工有限公司;稻壳源白炭黑:K160,益海(佳木斯)粮油工业有限公司;PI短纤:常州亚安新材料有限公司;过氧化二异丙苯(DCP):分析纯,国药集团化学试剂有限公司;氢氧化镁、氢氧化铝:天津市大茂化学试剂厂;其他试剂均为市售。

谢彦君教授曾提出乡村旅游可持续发展的新理念应像呵护“姆庇之家”一样，不应随意“造假”，应打造具备自身特色和认同感的活性乡村文化体验[9]。窦志萍等揭示现今旅游消费者的一种新型需求动机——“乡愁旅游”，寻找乡愁、发现乡愁、留住乡愁、享受乡愁成为现阶段的一种旅游时尚；留住乡愁与享受乡愁是乡村旅游的一个重要环节，即“乡居”[10]。

1.2 仪器及设备

X(S)K-100型开放式炼胶机:上海双翼橡胶机械有限公司;GT-M3000A型硫化曲线测定仪:高铁检测仪器(东莞)有限公司;XLB-E型平板硫化机:苏州捷和实业有限公司;TCS-2000型拉伸试验机: 台湾高铁科技股份有限公司;SS-1005型氧指数分析仪:台湾松恕仪器有限公司;JSM-6490LV扫描电子显微镜:日本日立有限公司;STA449c型同步热分析仪:德国耐驰公司;FP-40型马弗炉:北京市永光明医疗仪器有限公司。

1.3 实验配方

一般情况下，较大直径的小行星撞击地球的速度高达11.7～73 km·s-1，其携带的巨大动能在短时间内急剧释放，直接撞击地球表面形成陨石坑，还可能引发海啸、地震等次生灾害，甚至引发全球生物灭亡，是小概率、高风险事件。发生在6 500万年前一颗直径约10～13 km的天体撞击墨西哥尤卡坦半岛的撞击事件被认为是引起恐龙灭绝的原因[35]，并造成了50%～60%地球生物灭绝。1908年6月30日，一颗直径近100 m的小行星在俄罗斯通古斯地区上空6 km处发生爆炸，毁灭了近2 000 km2的森林[36-37]。

表1 可瓷化EVM复合弹性体材料配方

1.4 试样制备

除脚手架主管与脚手架检查工程师验收外，项目部坚持执行脚手架内部验收程序，脚手架搭设完成后，由工程部组织技术、安全质检等职能部门联合验收。给脚手架安全系上双保险。

将EVM橡胶放置双辊开炼机中,包辊后依次加入阻燃填料、成瓷填料和交联剂,待填料全部加入后进行打三角包操作,待胶料混合均匀后下片。冷却停放16～24 h后,使用无转子流变仪测定,硫化条件:硫化温度为170 ℃、时间为10 min。

1.5 性能测试

按照GB/T 528—2009进行力学性能测试;采用极限氧指数分析仪按照GB/T 10707—2008进行极限氧指数测试;采用扫描电子显微镜观察EVM复合材料断面形貌;采用同步热分析仪对材料进行热失重测试,实验条件为空气气氛,从25 ℃升到1 000 ℃,升温速率为10 ℃/min;采用马弗炉对材料进行高温烘烤,将试样分别升温至300 ℃、600 ℃、900 ℃并保温1 h,得到样品自然冷却;陶瓷化产物用拉伸试验机“弯曲强度测试”模式进行测试,机头移动速率为2mm/min,每个温度下烧蚀产物为3个,弯曲强度取平均值;不同温度下陶瓷产物的宏观形貌用数码相机拍照记录。

根据PI短纤用量对样品进行编号,具体实验配方(质量份)见表1,其中阻燃剂为氢氧化镁和氢氧化铝,质量比为1∶1。

2 结果与讨论

2.1 PI短纤用量对EVM复合材料拉伸性能的影响

工科院校教师专业化发展思想的缺失，直接给新教师培训带来三大“灾难”：学校领导不重视，职能部门不积极，二级教学单位不主动；新教师培训过程形式化、表面化，违背“教学知识、教学技能、教学能力”逐层递进发展规律；新教师培训评价的“教学性”弱化，培训效果不理想，培训目标达成度低。

样品编号图1 不同PI短纤用量对EVM复合材料力学性能影响

2.2 PI短纤用量对EVM复合材料阻燃性能的影响

图2为EVM复合材料的极限氧指数。由图2可知,复合材料在使用氢氧化镁、氢氧化铝复配阻燃体系下已经达到难燃材料级别(氧指数>27),并且使用镁铝氢氧化物复配作为阻燃剂具有低烟、无毒、无腐蚀性等优点,避免了对环境的污染[19]。随着PI短纤用量的增加,EVM复合材料的氧指数有一定提升,PI短纤分子主链有芳杂环结构,这一结构使纤维具备耐高低温、耐腐蚀、阻燃以及优良的性能,从而使复合材料更为难燃[20]。