阻燃劑對(duì)陶瓷化耐火硅橡膠性能的影響

陶瓷化耐火硅橡膠是以硅橡膠為基材，加入成瓷填料和阻燃填料（阻燃劑），經(jīng)一定加工工序制成的特種硅橡膠材料，其在常溫下能夠保持普通硅橡膠良好的彈性和力學(xué)性能，但在火焰或高溫條件下能快速陶瓷化，形成致密而堅(jiān)硬的多孔性陶瓷材料，起阻燃、耐火的作用。

陶瓷化硅橡膠常用的阻燃劑有氫氧化鋁（例如FA系列）、氫氧化鎂（例如FM系列）和鉑阻燃劑。氫氧化鋁和氫氧化鎂在高溫下釋放水蒸氣，生成氧化鋁和氧化鎂，水的蒸發(fā)潛熱使燃燒溫度降低，兩者并用（例如FAM系列，氫氧化鋁／氫氧化鎂并用比為1/9~6/4）具有促進(jìn)陶瓷化的特點(diǎn)。本文通過(guò)添加玻璃粉、氫氧化鋁和氫氧化鎂阻燃劑制備陶瓷耐火硅橡膠，分析了氫氧化鎂和氫氧化鋁對(duì)陶瓷硅橡膠力學(xué)性能、電性能和耐火性能的影響，以期為陶瓷化耐火硅橡膠材料的生產(chǎn)加工及應(yīng)用提供參考。

實(shí)驗(yàn)材料：甲基乙烯基硅橡膠，羥基硅油，HN-150型2，4-二氯過(guò)氧化苯甲酰(雙二四)，白炭黑，氫氧化鋁、氫氧化鎂、硼酸鋅，玻璃粉。實(shí)驗(yàn)方法：按表1配方稱取各種原料，先將硅橡膠置于敞口煉膠機(jī)上，加入羥基硅油、白炭黑、硼酸鋅、玻璃粉、氫氧化鋁、氫氧化鎂混煉?；旌暇鶆蚝?，加入雙二四繼續(xù)混合均勻。然后，將混合均勻的膠料置于平板硫化機(jī)上，在140℃、10MPa的條件下加壓硫化。

結(jié)果與討論

1.阻燃填料對(duì)硅橡膠硬度的影響

樣品硬度如圖1所示，可以看出，普通硅橡膠(0#)的邵氏硬度（Shore A）為57，4種陶瓷化硅橡膠的邵氏硬度相差不大，均在72上下。因?yàn)楣柘鹉z中添加了無(wú)機(jī)粉體，硬度明顯上升。

2.阻燃劑對(duì)硅橡膠拉伸性能的影響

如圖2所示5種試樣的拉伸性能結(jié)果，可以看出，普通硅橡膠的拉伸強(qiáng)度和拉伸斷裂伸長(zhǎng)率均最大。加入成瓷填料和不同成分阻燃劑后，試樣的拉伸強(qiáng)度和拉伸斷裂伸長(zhǎng)率均有不同程度降低，這是因?yàn)槌纱商盍虾妥枞紕┡c基體相容性差所致。陶瓷化硅橡膠的拉伸性能雖有一定幅度降低，但仍滿足電線電纜產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中拉伸強(qiáng)度不低于5MPa、拉伸斷裂伸長(zhǎng)率不低于150%的要求。

3.阻燃劑對(duì)硅橡膠撕破性能的影響

試樣撕破強(qiáng)度如圖3所示，陶瓷化硅橡膠試樣的撕破強(qiáng)度明顯高于普通硅橡膠試樣，這是因?yàn)樘沾苫柘鹉z比普通硅橡膠硬度高。而在四種陶瓷化硅橡膠中，2#樣平均撕破強(qiáng)度最大，比0#普通硅橡膠試樣提高了74%。硬度基本相同的試樣，撕破性能隨拉伸斷裂伸長(zhǎng)率的降低而降低。

4.阻燃劑對(duì)硅橡膠電氣絕緣性能的影響

陶瓷化硅橡膠最主要的應(yīng)用是防火電纜材料，因此，對(duì)電氣絕緣性能要求嚴(yán)格。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T33430—2016《硅橡膠混煉膠電線電纜用》中明確指出，應(yīng)用于電線電纜的硅橡膠的體積電阻率至少應(yīng)為1.0×10¹¹Ω·m，擊穿強(qiáng)度至少應(yīng)為18MV/m。圖4a和4b分別為5種試樣的電性能測(cè)試結(jié)果。從中看出，加入成瓷填料和阻燃劑后，試樣的體積電阻率和擊穿強(qiáng)度相較于普通硅橡膠試樣均明顯降低。這是因?yàn)闊o(wú)機(jī)填料和硅橡膠的分子結(jié)構(gòu)及表面性能差異太大，無(wú)法在材料內(nèi)部形成致密結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在較低電場(chǎng)下即可被起始電子破壞，隨著電場(chǎng)的增大，不致密結(jié)構(gòu)使起始電子更容易移動(dòng)，隨著起始電子的自由撞擊，產(chǎn)生更多的電子，從而降低擊穿強(qiáng)度。并且材料中無(wú)機(jī)粉體越多(4#試樣)，擊穿強(qiáng)度下降越明顯。4#試樣的體積電阻率和特征擊穿強(qiáng)度分別為2×10¹²Ω·m和20.9MV/m，電氣絕緣性能最差，但仍滿足電線電纜材料對(duì)絕緣性能的要求。

5.阻燃劑對(duì)硅橡膠耐火性能的影響

采用阻燃性的定量指標(biāo)LOI評(píng)價(jià)陶瓷化硅橡膠的耐火性能。通常，LOI大于26的材料被認(rèn)為是阻燃材料，具有自熄性。本研究中試樣的LOI值如圖5所示。從中可以看出，普通硅橡膠的LOI僅有24.6，加入硼酸鋅、玻璃粉以及阻燃劑后，1~4#試樣的LOI分別增加到27.6%，31.8%，34.7%和32.6%，有明顯增幅。主要原因有，一是因?yàn)闅溲趸X、氫氧化鎂阻燃劑的作用，二是助熔劑硼酸鋅和低熔點(diǎn)玻璃粉的作用。硼酸鋅不僅具有良好的阻燃效果，而且熔點(diǎn)較低，在高溫下與玻璃粉形成液相，作為連接橋梁形成致密的陶瓷體，阻止火焰繼續(xù)燃燒。另外，3#試樣表現(xiàn)出了最佳阻燃性能，主要是由于3#試樣中的氫氧化鎂阻燃劑受熱分解所需要的分解能(1.37kJ/g)高于1#試樣中的阻燃劑氫氧化鋁的分解能(1.17kJ/g)，這有助于提高阻燃效率。同時(shí)，氫氧化鎂熱分解產(chǎn)物MgO與材料在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的CO₂等酸性氣體的反應(yīng)速率較氫氧化鋁的熱分解產(chǎn)物Al₂O₃快。由此表明阻燃劑在陶瓷化耐火硅橡膠耐火性方面發(fā)揮重要作用。

上述實(shí)驗(yàn)可制得綜合性能佳的陶瓷化硅橡膠。不過(guò)在實(shí)際生產(chǎn)中，情況往往更為復(fù)雜，陶瓷化硅橡膠容易出現(xiàn)成瓷不完整，出現(xiàn)裂紋，有孔洞、成瓷后強(qiáng)度不夠、可瓷化硅橡膠成瓷前成瓷填料分散及產(chǎn)品物性等問(wèn)題，主要原因是成瓷填料和阻燃劑搭配選擇不合理，例如：未在硅橡膠材料受明火高溫灼燒時(shí)，形成片層連續(xù)相實(shí)現(xiàn)遮蓋；所用材料的熱膨脹系數(shù)較高，差異過(guò)大；成瓷輔料中結(jié)構(gòu)助劑選擇配比不合理，包括成瓷填料配比設(shè)計(jì)，粒徑配比設(shè)計(jì)不合理，以及結(jié)構(gòu)助劑選擇配比不合理等。常用的結(jié)構(gòu)助劑有氧化鎂，氧化鋯，硅灰石等，成瓷補(bǔ)強(qiáng)輔料產(chǎn)品包括氫氧化鋁，氫氧化鎂，硅灰石，滑石粉，碳酸鈣，硅藻土，膨潤(rùn)土，硅微粉，另外，如果成瓷填料和阻燃劑在基材中分散性不佳，也將會(huì)導(dǎo)致無(wú)法制備性能優(yōu)異的陶瓷化硅橡膠。因此，為保證研發(fā)成果，對(duì)采用的填料要求極為苛刻。金戈新材生產(chǎn)的氫氧化鋁、氫氧化鎂、硼酸鋅等產(chǎn)品，相較于市面上的同類產(chǎn)品，與樹脂的相容性佳，在用以成瓷前，作硅橡膠高分子材料的性能彌補(bǔ)劑，提升材料加工性、力學(xué)性等要求，且對(duì)成瓷后，瓷體強(qiáng)度不會(huì)產(chǎn)生較大影響的粉體材料。若有需求，可致電0757-87572711或87572700咨詢金戈新材工作人員。