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如何設計阻燃橡膠的配方

2020-07-28

阻燃橡膠是指能延緩著火、降低火焰?zhèn)鞑ニ俣?,且在離開外部火焰后,其自身燃燒火焰能迅速自行熄滅的橡膠。

阻燃包括多方面:①非著火性,材料炭化而不著火燃燒;②耐延燃性,材料著火燃燒,但難于擴展蔓延;③自熄性,移除火焰后自然熄滅;④無焰燃燒的殘燼時間短;⑤燃燒時無滴落。

廣義上的阻燃性還包括安全性,能有效地抑制煙塵、有毒害性氣體的產(chǎn)生及對人體的危害等。

研究和評價聚合物材料可燃性,最常用的方法是氧指數(shù)法(OI)。氧指數(shù)表示試樣在氧氣和氮氣的混合物中燃燒時所需的最低含氧量。氧指數(shù)越大,表示聚合物可燃性越小,阻燃性能越好。

橡膠燃燒的實質(zhì)是橡膠在高溫下發(fā)生分解,生成可燃性氣體,進而在氧和熱的作用下發(fā)生燃燒。因此阻燃的主要方法是斷絕燃燒時所需要的氧氣或隔離熱源。提高橡膠制品阻燃性:一是要抑制橡膠高溫分解所產(chǎn)生的可燃性氣體,例如加入鹵素化合物,使之產(chǎn)生難燃性氣體,以隔離熱源和氧氣;二是盡可能降低體系溫度、吸收熱量,例如加人氫氧化鋁,它在受熱時放出結(jié)晶水、吸收熱量或提高熱傳導性,也可起到阻燃作用;三是選用自身阻燃性好、氧指數(shù)高、耐熱性好、與阻燃劑和填充劑相容性好、燃燒傳播速度較低的材料作為主體材料。阻燃橡膠的配方設計主要是主體材料橡膠和阻燃劑的選擇。

阻燃橡膠膠種選擇應遵循以下三個原則:①橡膠本身具有阻燃性;②燃燒時發(fā)熱量小;③具有優(yōu)良的高溫耐熱性。阻燃橡膠的主體材料多選用難燃橡膠、難燃樹脂或兩者并用。

從阻燃效果來看,橡膠可分為三類:①烴類橡膠,如天然橡膠、順丁橡膠、丁苯橡膠、乙丙橡膠、丁睛橡膠、丁基橡膠等,它們的氧指數(shù)均<20%,易燃;②含鹵橡膠,它們有良好的阻燃性,氟橡膠>氯丁橡膠>氯磺化聚乙烯≈氯化聚乙烯,氟橡膠的氧指數(shù)高達65%以上,其他為25%~32%;③主鏈含非碳元素的橡膠,如硅橡膠、氯醇橡膠、聚氨醋橡膠等,有的易燃,有的難燃。橡膠和樹脂的阻燃性能與其結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。含鹵素、苯環(huán)或共軛雙鍵的橡膠,氧指數(shù)高,如氧丁橡膠的氧指數(shù)為33%,屬難燃橡膠。非極性烴類橡膠的氧指數(shù)最低,如三元乙丙橡膠的氧指數(shù)只有20%,屬于易燃橡膠。樹脂分子鏈中含有苯環(huán)和鹵素的,其氧指數(shù)較高,阻燃性較好。例如聚氯乙烯的氧指數(shù)比聚乙烯高50%,聚四氟乙烯的氧指數(shù)比聚乙烯高75%。因此,阻燃橡膠的主體材料應選擇氯丁橡膠、氯磺化聚乙烯、氯醚橡膠、氯化聚乙烯、聚氧乙烯、聚四氟乙烯等含鹵聚合物。硅橡膠也是較好的耐燃聚合物。

阻燃劑是指能夠延遲或阻止高分子材料燃燒的配合劑。在橡膠制品中加人阻燃劑是提高其阻燃性最常用的方法。

阻燃劑的種類很多,按所含阻燃元素不同,可分為鹵系阻燃劑、磷系阻燃劑、氮系阻燃劑、磷-鹵系阻燃劑、磷一氮系阻燃劑等幾類。

鹵系阻燃劑主要是氯和溴的化合物,最常用是氯化石蠟、全氯環(huán)戊癸烷、氯化聚乙烯、四溴乙烷、四溴丁烷等。鹵系阻燃劑的阻燃效果與其結(jié)構(gòu)有關(guān),阻燃效果:脂肪族鹵化物>脂環(huán)族鹵化物>芳香族鹵化物。鹵系阻燃劑在熱解過程中,分解出能捕獲傳遞燃燒自由基的X及HX,HX還可稀釋可燃物裂解時產(chǎn)生的可燃氣體,隔斷可燃氣體與空氣的接觸。

磷系阻燃劑主要有聚磷酸銨、磷酸酯類阻燃劑。常用的磷酸酯類阻燃劑有:磷酸三甲苯酯(TCP)、磷酸甲苯二苯酯(CDPP)、磷酸三苯酯(TPP)、磷酸三辛酯(TOP)、磷酸三芳基酯、辛基磷酸二苯酯( DPOP )等。其中,辛基磷酸二苯酯被美國食品醫(yī)藥局(FDA)確認為磷酸酯中唯一的無毒阻燃增塑劑,允許用于食品醫(yī)藥包裝材料。磷酸酯類阻燃劑對含有經(jīng)基的聚氨酯、聚酯、纖維素等高分子材料的阻燃效果非常好,而對不含經(jīng)基的聚烯烴阻燃效果較小。磷系阻燃劑在燃燒過程中產(chǎn)生磷酸醉或磷酸,促使可燃物脫水炭化,阻止或減少可燃氣體產(chǎn)生。磷酸酐在熱解時還形成熔融物覆蓋在可燃物表面,使其氧化生成二氧化碳,起到阻燃作用。

在氮系阻燃劑中,氮的化合物和可燃物作用,促進交鏈成碳,降低可燃物的分解溫度,產(chǎn)生的不燃氣體能稀釋可燃氣體。

-鹵系阻燃劑、磷-氮系阻燃劑主要是通過磷-鹵、磷-氮協(xié)同效應作用達到阻燃目的的。

按組分的不同,可將阻燃劑分無機鹽類阻燃劑、有機阻燃劑和有機無機混合阻燃劑三種。

無機阻燃劑熱穩(wěn)定性好,燃燒時無有害氣體產(chǎn)生,符合低煙、無毒的要求,安全性較高,既能阻燃又可作填充劑降低材料成本。常用的無機阻燃劑主要有氫氧化鋁、氫氧化鎂、氧化銻和硼酸鋅等。

有機阻燃劑主要有鹵系、磷酸酷、鹵代磷酸醋等。

有機無機混合阻燃劑是用非水溶性的有機磷酸酯的水乳液,可部分代替無機阻燃劑。

阻燃效果是隨著阻燃劑的增加而增大,每一種阻燃劑單獨使用時,都有一個最低用量。單獨使用氯化石蠟-70,用量超過30份才具阻燃效果,而單獨用Al (OH) 3,用量高達100份才具阻燃效果,Sb2O3本身不具有阻燃性能,只有和氯化石蠟-70并用才具阻燃性能,阻燃劑總用量超過11%(質(zhì)量分量,下同) , OI值大于27%,這時才具有阻燃效果。隨著阻燃劑用量的增大, 01 值迅速增大,總用量超過30%后,OI值大于35%,表明有相當好的阻燃性能。阻燃劑總用量超過35%,OI值增加緩慢。

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