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如何設計阻燃橡膠的配方?
2019-04-25 17:49    查看次數:     

如何設計阻燃橡膠的配方?阻燃橡膠是指能延緩著火、降低火焰傳播速度,且在離開外部火焰後,其自身燃燒火焰能迅速自行熄滅的橡膠。

 

阻燃包括多方麵: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,但難於擴展蔓延;③自熄性,移除火焰後自然熄滅;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,能有效地抑製煙塵、有毒害性氣體的產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法(OI)。氧指數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。

 

橡膠燃燒的實質是橡膠在高溫下發生分解,生成可燃性氣體,進而在氧和熱的作用下發生燃燒。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。提高橡膠製品阻燃性:一是要抑製橡膠高溫分解所產生的可燃性氣體,例如加入鹵素化合物,使之產生難燃性氣體,以隔離熱源和氧氣;二是盡可能降低體係溫度、吸收熱量,例如加人氫氧化鋁,它在受熱時放出結晶水、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燃燒時發熱量小;③具有優良的高溫耐熱性。阻燃橡膠的主體材料多選用難燃橡膠、難燃樹脂或兩者並用。

 

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,氟橡膠的氧指數高達65%以上,其他為25%~32%;③主鏈含非碳元素的橡膠,如矽橡膠、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構有著密切的關係。含鹵素、苯環或共軛雙鍵的橡膠,氧指數高,如氧丁橡膠的氧指數為33%,屬難燃橡膠。非極性烴類橡膠的氧指數最低,如三元乙丙橡膠的氧指數隻有20%,屬於易燃橡膠。樹脂分子鏈中含有苯環和鹵素的,其氧指數較高,阻燃性較好。例如聚氯乙烯的氧指數比聚乙烯高50%,聚四氟乙烯的氧指數比聚乙烯高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。矽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。在橡膠製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,可分為鹵係阻燃劑、磷係阻燃劑、氮係阻燃劑、磷-鹵係阻燃劑、磷一氮係阻燃劑等幾類。

 

鹵係阻燃劑主要是氯和溴的化合物,最常用是氯化石蠟、全氯環戊癸烷、氯化聚乙烯、四溴乙烷、四溴丁烷等。鹵係阻燃劑的阻燃效果與其結構有關,阻燃效果:脂肪族鹵化物>脂環族鹵化物>芳香族鹵化物。鹵係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生的可燃氣體,隔斷可燃氣體與空氣的接觸。

 

磷係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藥局(FDA)確認為磷酸酯中唯一的無毒阻燃增塑劑,允許用於食品醫藥包裝材料。磷酸酯類阻燃劑對含有經基的聚氨酯、聚酯、纖維素等高分子材料的阻燃效果非常好,而對不含經基的聚烯烴阻燃效果較小。磷係阻燃劑在燃燒過程中產生磷酸醉或磷酸,促使可燃物脫水炭化,阻止或減少可燃氣體產生。磷酸酐在熱解時還形成熔融物覆蓋在可燃物表麵,使其氧化生成二氧化碳,起到阻燃作用。

 

在氮係阻燃劑中,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,產生的不燃氣體能稀釋可燃氣體。

 

磷-鹵係阻燃劑、磷-氮係阻燃劑主要是通過磷-鹵、磷-氮協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。

 

無機阻燃劑熱穩定性好,燃燒時無有害氣體產生,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係、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,隻有和氯化石蠟-70並用才具阻燃性能,阻燃劑總用量超過11%(質量分量,下同) , OI值大於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%後,OI值大於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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