阻燃劑對陶瓷化耐火硅橡膠性能的影響

2022-12-16
來源:廣東金戈新材料股份有限公司官網

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性能,但在火焰或高溫條件下能快速陶瓷化,形成致密而堅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)具有促進陶瓷化的特點。本文通過添加玻璃粉、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陶瓷硅橡膠力學性能、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加工及應用提供參考。

實驗材料:甲基乙烯基硅橡膠,羥基硅油,HN-150型2,4-二氯過氧化苯甲酰(雙二四),白炭黑,氫氧化鋁、氫氧化鎂、硼酸鋅,玻璃粉。實驗方法: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?,加入雙二四繼續混合均勻。然后,將混合均勻的膠料置于平板硫化機上,在140、10MPa的條件下加壓硫化。

陶瓷化硅橡膠.png

結果與討論

1.阻燃填料對硅橡膠硬度的影響

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。因為硅橡膠中添加了無機粉體,硬度明顯上升。

陶瓷化硅橡膠2.png

2.阻燃劑對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果,可以看出,普通硅橡膠的拉伸強度和拉伸斷裂伸長率均最大。加入成瓷填料和不同成分阻燃劑后,試樣的拉伸強度和拉伸斷裂伸長率均有不同程度降低,這是因為成瓷填料和阻燃劑與基體相容性差所致。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品標準中拉伸強度不低于5MPa、拉伸斷裂伸長率不低于150%的要求。

陶瓷化硅橡膠3.png

3.阻燃劑對硅橡膠撕破性能的影響

試樣撕破強度如圖3所示,陶瓷化硅橡膠試樣的撕破強度明顯高于普通硅橡膠試樣,這是因為陶瓷化硅橡膠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率的降低而降低。

陶瓷化硅橡膠4.png

4.阻燃劑對硅橡膠電氣絕緣性能的影響

陶瓷化硅橡膠最主要的應用是防火電纜材料,因此,對電氣絕緣性能要求嚴格。國家標準GB/T33430—2016《硅橡膠混煉膠電線電纜用》中明確指出,應用于電線電纜的硅橡膠的體積電阻率至少應為1.0×1011Ω·m,擊穿強度至少應為18MV/m。圖4a和4b分別為5種試樣的電性能測試結果。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度相較于普通硅橡膠試樣均明顯降低。這是因為無機填料和硅橡膠的分子結構及表面性能差異太大,無法在材料內部形成致密結構,導致在較低電場下即可被起始電子破壞,隨著電場的增大,不致密結構使起始電子更容易移動,隨著起始電子的自由撞擊,產生更多的電子,從而降低擊穿強度。并且材料中無機粉體越多(4#試樣),擊穿強度下降越明顯。4#試樣的體積電阻率和特征擊穿強度分別為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絕緣性能的要求。

陶瓷化硅橡膠5.png

5.阻燃劑對硅橡膠耐火性能的影響

采用阻燃性的定量指標LOI評價陶瓷化硅橡膠的耐火性能。通常,LOI大于26的材料被認為是阻燃材料,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,一是因為氫氧化鋁、氫氧化鎂阻燃劑的作用,二是助熔劑硼酸鋅和低熔點玻璃粉的作用。硼酸鋅不僅具有良好的阻燃效果,而且熔點較低,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,阻止火焰繼續燃燒。另外,3#試樣表現出了最佳阻燃性能,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,氫氧化鎂熱分解產物MgO與材料在燃燒過程中產生的CO2等酸性氣體的反應速率較氫氧化鋁的熱分解產物Al2O3快。由此表明阻燃劑在陶瓷化耐火硅橡膠耐火性方面發揮重要作用。

陶瓷化硅橡膠6.png

上述實驗可制得綜合性能佳的陶瓷化硅橡膠。不過在實際生產中,情況往往更為復雜,陶瓷化硅橡膠容易出現成瓷不完整,出現裂紋,有孔洞、成瓷后強度不夠、可瓷化硅橡膠成瓷前成瓷填料分散及產品物性等問題,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,形成片層連續相實現遮蓋;所用材料的熱膨脹系數較高,差異過大;成瓷輔料中結構助劑選擇配比不合理,包括成瓷填料配比設計,粒徑配比設計不合理,以及結構助劑選擇配比不合理等。常用的結構助劑有氧化鎂,氧化鋯,硅灰石等,成瓷補強輔料產品包括氫氧化鋁,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,也將會導致無法制備性能優異的陶瓷化硅橡膠。因此,為保證研發成果,對采用的填料要求極為苛刻。金戈新材生產的氫氧化鋁、氫氧化鎂、硼酸鋅等產品,相較于市面上的同類產品,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劑,提升材料加工性、力學性等要求,且對成瓷后,瓷體強度不會產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。

閱讀82
分享