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如何设计阻燃橡胶的配方
作者:禾川化学   上传时间:2015年01月12日
如何设计阻燃橡胶的配方
阻燃橡胶是指能延缓着火、降低火焰传播速度,且在离开外部火焰后,其自身燃烧火焰能迅速自行熄灭的橡胶。
阻燃包括多方面:①非着火性,材料炭化二不着火燃烧;②耐延燃性,材料着火燃烧,但难于扩展蔓延;③自熄性,移除火焰后自然熄灭;④无焰燃烧的残烬时间短;⑤燃烧是无滴落。
广义上的阻燃性还包括安全性,能有效地抑制烟尘、有毒害性气体的产生及对人体的危害等。
研究和评价聚合物材料可燃性,最常用的方法是氧指数法(OI)。氧指数表示试样在氧气和氮气的混合物中燃烧时所需的最低含氧量。氧指数越大,表示聚合物可燃性越小,阻燃性能越好。
橡胶燃烧的实质是橡胶在高温下发生分解,生成可燃性气体,进而在氧和热的作用下发生燃烧。因此阻燃的主要方法是断绝燃烧时所需要的氧气或隔离热源。提高橡胶制品阻燃性:一是要抑制橡胶高温分解所产生的可燃性气体,例如加入卤素化合物,使之产生难燃性气体,以隔离热源和氧气;二是尽可能降低体系温度、吸收热量,例如加入氢氧化铝,它受热时放出晶水、吸收热量或提高热传导性,也可起到阻燃作用;三是选用自身阻燃性好、氧指数高、耐热性好、与阻燃剂和填充剂相容性好、燃烧传播速度较低的材料作为主体材料。阻燃橡胶的配方设计主要是主体材料橡胶和阻燃剂的选择。
阻燃橡胶胶种选择应遵循以下三个原则:①橡胶本身具有阻燃性;②燃烧时发热量小;③具有优良的高温耐热性。阻燃橡胶的主体材料多选用难燃橡胶、难燃树脂或两者并用。
从阻燃效果来看,橡胶可分为三类:①烃类橡胶,如天然橡胶、顺丁橡胶、丁苯橡胶、乙丙橡胶、丁腈橡胶、丁基橡胶等,它们的氧指数均<20%,易燃;②含卤橡胶,它们有良好的阻燃性,氟橡胶﹥氯丁橡胶﹥氯磺化聚乙烯≈氯化聚乙烯,氟橡胶的氧指数高达65%以上,其他为25%~32%;③主链含非碳元素的橡胶,如硅橡胶、氯醇橡胶、聚氨酯橡胶等,有的易燃,有的难燃。橡胶和树脂的阻燃性能与其结构有着密切的关系。含卤素、苯环或共轭双键的橡胶,氧指数高,如氯丁橡胶的氧指数为33%,属难燃橡胶。非极性烃类橡胶的氧指数最低,如三元乙丙橡胶的氧指数只有20%,属于易燃橡胶。树脂分子链中含有苯环和卤素的,其氧指数较高,阻燃性较好。例如聚氯乙烯的氧指数比聚乙烯高50%,聚四氟乙烯的氧指数比聚乙烯高75%。因此阻燃橡胶的主体材料应选择氯丁橡胶、氯磺化聚乙烯、氯醚橡胶、氯化聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯等含卤聚合物。硅橡胶也是较好的耐燃聚合物。
阻燃剂是指能够延迟或阻止高分子材料燃烧的配合剂。在橡胶制品中加入阻燃剂是提高其阻燃性最常用的方法。
阻燃剂的种类很多,安所含阻燃元素不同,可分为卤系阻燃剂、磷系阻燃剂、氮系阻燃剂、磷﹣卤系阻燃剂、磷﹣氮系阻燃剂等几类。
卤系阻燃主要是氯和溴的化合物,最常用是氯化石蜡、全氯环戊癸烷、氯化聚乙烯、四溴乙烷、四溴丁烷等。卤系阻燃剂的阻燃效果与其结构关系,阻燃效果:脂肪族卤化物﹥酯环族卤化物﹥芳香族卤化物。卤系阻燃剂在热解过程中,分解出能捕获传递燃烧自由基的X及HX,HX还可稀释可燃物裂解时产生的可热气体,隔断可燃气体与空气的接触。
磷系阻燃剂主要有聚磷酸铵、磷酸酯类阻燃剂。常用的磷酸酯类阻燃剂有:磷酸三甲苯酯(TCP)、磷酸甲苯二苯酯(CDPP)、磷酸三丙酯(TPP)、磷酸三辛酯(TOP)、磷酸三芳基酯、锌基磷酸二苯酯(DPOP)等。其中,辛基磷酸二苯酯被美国食品医药局(FDA)确认为磷酸酯中唯一的无毒阻燃增塑剂,允许用于食品医药包装材料。磷酸酯类阻燃剂对含有羟基的聚氨酯、聚酯、纤维素等高分子材料的阻燃效果非常好,而对不含羟基的聚烯烃阻燃效果较小。磷系阻燃剂在燃烧过程中产生磷酸酐或磷酸,促使可燃物脱水炭化,阻止或减少可燃气体产生。磷酸酐在热解时还形成熔融物覆盖在可燃物表面,使其氧化生成二氧化碳,起到阻燃作用。
在氮系阻燃剂中,氮的化合物和可燃物作用,促进交链成碳,降低可燃物的分解温度,产生的不然气体能稀释可燃气体。
磷-卤系阻燃剂、磷-氮系阻燃剂主要是通过磷-卤、磷-氮协同效应作用达到阻燃目的的。
按组分的不同,可将阻燃剂分无机盐类阻燃剂、有机阻燃剂和有机无机混合阻燃剂三种。
无机阻燃剂热稳定性好,燃烧时无有害气体产生,符合低烟、无毒的要求,安全性较高,既能阻燃又可作填充剂降低材料成本。常用的无机阻燃剂主要有氢氧化铝、氢氧化镁、氧化锑和硼酸锌等。
有机阻燃剂主要有卤系、磷酸酯、卤代磷酸酯等。
有机无机混合阻燃剂是用非水溶性的有机磷酸酯的水乳液,可部分代替无机阻燃剂。
阻燃效果是随着阻燃剂的增加而增大,每一种阻燃剂单独使用时,都有一个最低用量。单独使用氯化石蜡-70,用量超过30份才具有阻燃效果,而单独用 ,用量高达100份才具阻燃效果, 本身不具有阻燃性能,只有和氯化石蜡-70并用才具阻燃性能,阻燃剂总用量起过11%(质量分量,下同),OI值大于27%,这时才具有阻燃效果。随着阻燃剂用量的增大,OI值迅速增大,总用量超过30%后,OI值大于35%,表明有相当好的阻燃性能。阻燃剂总用量超过35%,OI值增加缓慢。
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