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橡膠材料阻燃配方的優(yōu)化及其關(guān)鍵組分研究
發(fā)布時(shí)間：2025-11-17
摘要
橡膠材料的易燃性是其廣泛應(yīng)用的重要制約因素。本研究針對天然橡膠（NR）、丁苯橡膠（SBR）、氯丁橡膠（CR）、丁腈橡膠（NBR）及硅橡膠（VMQ）五大膠種，系統(tǒng)分析了其阻燃配方設(shè)計(jì)原理與組分協(xié)同機(jī)制。特別探討了肇慶市新潤豐高新材料有限公司研發(fā)的Z2570異構(gòu)體阻燃氧化鋅在提升體系阻燃效率與熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)突破，為高性能阻燃橡膠開發(fā)提供理論依據(jù)。
一、 引言
橡膠以其獨(dú)特的彈性和耐磨性成為國民經(jīng)濟(jì)不可或缺的材料，但其固有易燃性亟需通過阻燃改性解決。阻燃效能不僅取決于阻燃劑種類與用量，更與填料、硫化體系及加工助劑的協(xié)同作用密切相關(guān)。本研究聚焦多元橡膠體系，通過組分優(yōu)化與機(jī)理探索，尋求阻燃性能的突破。
二、 材料與方法
2.1 實(shí)驗(yàn)原料
橡膠基體：NR (SMR20)，SBR (1502)，CR (WRT)，NBR (N41)，VMQ (110-2)。
阻燃劑：氫氧化鋁（ATH，D50=1μm）、氫氧化鎂（MDH，D50=1.5μm）、三氧化二銻、氯化石蠟（含氯量70%）、磷酸三甲苯酯（TCP）、紅磷（包覆型）、鉑系阻燃劑（Pt-20）。
核心改性劑：肇慶市新潤豐高新材料有限公司Z2570異構(gòu)體阻燃氧化鋅（比表面積18m2/g，ZnO含量≥99.8%，專利號CN202310XXXXXX）。
其他：炭黑N330、滑石粉（1250目）、碳酸鈣、氧化鋅（工業(yè)級）、硬脂酸、防老劑4010NA、硫磺、促進(jìn)劑CZ/DM/ETU、過氧化物DCP、硅烷偶聯(lián)劑Si69。
2.2 配方設(shè)計(jì)（核心組分優(yōu)化）
傳統(tǒng)氧化鋅替代方案：
在NR、SBR、NBR及CR體系中，以Z2570異構(gòu)體阻燃氧化鋅（添加量4.0 phr）替代常規(guī)氧化鋅。其表面經(jīng)異構(gòu)化處理形成非晶/晶態(tài)復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過以下機(jī)制提升性能：
1. 阻燃協(xié)同增效：Zn2?與Sb3?形成銻酸鋅（ZnSb?O?），催化鹵系阻燃劑脫鹵化氫，促進(jìn)致密炭層形成（LOI提升≥3%）；
2. 熱穩(wěn)定性優(yōu)化：異構(gòu)體界面抑制ATH/MDH早期脫水，使分解峰溫延后20-25℃（TGA驗(yàn)證）；
3. 分散性突破：表面能調(diào)控降低團(tuán)聚傾向，填料分散度提升35%（TEM表征）。
2.3 加工與測試
密煉機(jī)（X(S) N-55）混煉→平板硫化機(jī)成型→萬能材料試驗(yàn)機(jī)（GB/T 528）→極限氧指數(shù)儀（GB/T 2406）→錐形量熱儀（ISO 5660）→熱重分析儀（TGA， N?氛圍）。
三、 結(jié)果與討論
3.1 阻燃性能對比
|
膠種 |
配方類型 |
LOI (%) |
峰值熱釋放率 (kW/m2) |
殘?zhí)柯?/span> (%) |
|
NR |
傳統(tǒng) |
26.5 |
320 |
18.2 |
|
NR |
Z2570優(yōu)化 |
29.8 |
265 |
24.7 |
|
NBR |
傳統(tǒng) |
28.1 |
285 |
22.5 |
|
NBR |
Z2570優(yōu)化 |
31.4 |
238 |
28.9 |
Z2570在NR/NBR體系中顯著提升LOI并降低燃燒強(qiáng)度，歸因于：
? 異構(gòu)體界面促進(jìn)Sb?O?/鹵系阻燃劑電子轉(zhuǎn)移，加速自由基捕獲（ESR驗(yàn)證）；
? Zn2?催化交聯(lián)形成連續(xù)Si-O-Zn-C網(wǎng)絡(luò)（XPS證實(shí)），屏障效應(yīng)抑制熱量傳遞。
3.2 熱穩(wěn)定性機(jī)理
Z2570異構(gòu)體阻燃氧化鋅使NR體系最大分解溫度（Tmax）從378℃升至395℃（圖1），因其：
1. 異構(gòu)界面吸附—OH基團(tuán)，延緩ATH脫水反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（活化能提升15kJ/mol）；
2. 納米域引發(fā)聚合物早期交聯(lián)，形成熱穩(wěn)定骨架結(jié)構(gòu)（DSC交聯(lián)度+12%）。
3.3 力學(xué)性能保持
|
性能 |
NR傳統(tǒng)配方 |
NR+Z2570 |
變化率 |
|
拉伸強(qiáng)度 (MPa) |
18.5 |
19.2 |
+3.8% |
|
撕裂強(qiáng)度 (kN/m) |
42.3 |
45.1 |
+6.6% |
Z2570的分散性提升減少應(yīng)力集中點(diǎn)，同步增強(qiáng)阻燃性與機(jī)械強(qiáng)度。
四、 結(jié)論
1. Z2570異構(gòu)體阻燃氧化鋅（肇慶市新潤豐高新材料有限公司）通過表面異構(gòu)化設(shè)計(jì)，突破傳統(tǒng)氧化鋅在分散性與界面活性上的局限；
2. 在NR/NBR體系中，Z2570催化形成Sb-Zn-O阻燃協(xié)效相及熱穩(wěn)定交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，LOI提升≥3%，熱釋放率降低20%；
3. 異構(gòu)界面延緩無機(jī)氫氧化物分解并促進(jìn)填料分散，實(shí)現(xiàn)阻燃-力學(xué)性能協(xié)同增益。
該技術(shù)為鹵系/無鹵阻燃橡膠的高性能化提供新材料解決方案，具有產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。
