无卤阻燃弹性体的制备与性能及阻燃机理研究

论文摘要

本文通过对Casico新概念膨胀型阻燃体系的研究制备及使用氢氧化物、化学膨胀型阻燃剂对三元乙丙橡胶（EPDM）进行阻燃改性较为系统地研究了橡胶（弹性体）的无卤阻燃机理,揭示了各主要因素对阻燃弹性体材料性能的影响规律,为后续工作提供帮助。本文研究了无机氢氧化物的种类及用量、阻燃协效剂、炭黑和增塑剂等对三元乙丙橡胶力学性能和燃烧特性的影响,并分析了燃烧产物的形貌,揭示了它们在EPDM燃烧过程中的作用。结果表明,氢氧化物吸热分解脱水是其进行阻燃的主要原因；高填充氢氧化物的三元乙丙橡胶适用于制备低烟无卤阻燃橡胶材料,但阻燃橡胶的力学性能较低。阻燃协效剂（红磷和硼酸锌）可有效促进成炭,提升材料的阻燃性能,但增大了发烟量。填充炭黑可大幅提升橡胶材料的力学性能和轻微改善阻燃性能；填充适量的石蜡油对橡胶材料的力学性能没有明显影响,但是不利于阻燃,助燃行为突出。通过该种阻燃技术所制备的可挤出成型的无卤阻燃密封条性能优异,最优配方可以实现硬度75±3,拉伸强度接近8MPa,氧指数大于32%,挤出性能按ASTM D2230分级系统B评价可达到9A以上。本论文采用复合型膨胀阻燃剂NP430对EPDM进行阻燃改性,研究了基体中的外加酸源和外加碳源、阻燃剂NP430、增塑剂石蜡油以及多种补强填料对EPDM阻燃性能的影响,探讨了膨胀阻燃橡胶的机理。结果表明,NP430对EPDM具有很好的阻燃效果,发烟量很小；外加酸源乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）和外加碳源高苯乙烯树脂（HS）具有更好的协同阻燃作用。当基体中EPDM/EVA/HS的比例为80/8.6/11.4,NP430用量为90phr时,复合材料的氧指数可达47.6%。填充石蜡油不影响燃烧膨胀过程但会明显降低阻燃性能；添加少量甲基丙烯酸锌（ZDMA）、酚醛树脂（PF）等有机补强剂对膨胀过程影响很小,而添加炭黑、二氧化硅、碳酸钙、膨胀石墨等无机填料会导致燃烧产物表面有裂缝从而引起气体逸出,严重不利于膨胀过程,无法实现阻燃。在橡胶中填充炭黑等无机物而不影响膨胀阻燃是制备膨胀型阻燃橡胶最大的问题。本文通过分析Casico新概念膨胀型阻燃体系在不同温度下的分解产物研究了Casico阻燃体系的阻燃原理,并且考察了乙烯—丙烯酸酯共聚物、硅橡胶和碳酸钙等配合剂的种类及用量对复合材料阻燃性能的影响。结果表明,乙烯—丙烯酸丁酯共聚物（EBA）最适合为作为聚合物基体,生成的离聚物可以增大材料高温下的熔体黏度；硅橡胶在燃烧过程中生成硅氧烷小分子与有机羧酸钙作用形成硅酸钙,对阻燃性能起着关键的作用；而填充二氧化硅、石英等无机填料会使燃烧产物的表面形面微小的裂缝,不利于阻燃；氢氧化铝可以复配Casico阻燃体系；过氧化物交联对阻燃性能的影响不明显。当EBA/MVQ/CaCO3的配比为50/20/30时,850℃时残渣质量可达原样品的27.2%,远大于理论上氧化钙的质量分数16.8%,此时Casico阻燃体系的阻燃性能最佳,氧指数为32.5%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 弹性体材料的燃烧和阻燃机理
• 1.2.1 弹性体材料的燃烧机理
• 1.2.2 弹性体材料的阻燃机理
• 1.3 阻燃弹性体材料的研究进展
• 1.3.1 含卤弹性体的阻燃进展
• 1.3.2 无卤弹性体的阻燃进展
• 1.3.3 Casico新概念膨胀型阻燃体系
• 1.4 阻燃剂的研究进展
• 1.4.1 含卤阻燃剂
• 1.4.2 无机物阻燃剂
• 1.4.3 化学膨胀型阻燃剂
• 1.4.4 物理膨胀型阻燃剂
• 1.4.5 硅系阻燃剂
• 1.4.6 协效阻燃机理
• 1.5 橡胶燃烧实验方法与分析技术
• 1.5.1 极限氧指数法
• 1.5.2 UL-94法
• 1.5.3 锥形量热仪
• 1.5.4 烟密度测试
• 1.5.5 热分析法
• 1.5.6 红外光谱分析谱图
• 1.5.7 X射线衍射
• 1.5.8 扫描电镜
• 1.6 本课题的目的和意义
• 1.7 本课题的研究内容
• 1.8 本课题的难点
• 1.9 本课题的创新点
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验原料与仪器设备
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 无机物阻燃橡胶的加工工艺
• 2.2.2 化学膨胀型阻燃橡胶加工工艺
• 2.2.3 Casico新概念膨胀型阻燃体系加工工艺
• 2.3 测试方法
• 2.3.1 静态力学性能测试
• 2.3.2 硬度测试
• 2.3.3 水平燃烧性能测试
• 2.3.4 垂直燃烧性能实验
• 2.3.5 极限氧指数测定实验
• 2.3.6 锥形量热仪实验
• 2.3.7 热失重分析天平实验
• 2.3.8 扫描电镜分析
• 2.3.9 X射线衍射
• 2.3.10 热失重与红外分析联用
• 第三章 氢氧化物阻燃三元乙丙橡胶的制备及性能研究
• 3.1 前言
• 3.2 氢氧化物阻燃三元乙丙橡胶力学性能的影响因素
• 3.2.1 EPDM基体对性能的影响
• 3.2.2 无机阻燃剂对性能的影响
• 3.2.3 阻燃协效剂对性能的影响
• 3.2.4 炭黑用量对性能的影响
• 3.2.5 石蜡油用量对对性能的影响
• 3.3 氢氧化物阻燃三元乙丙橡胶燃烧性能的影响因素
• 3.3.1 无机氢氧化物对性能的影响
• 3.3.2 阻燃协效剂对性能的影响
• 3.3.3 炭黑对用量对性能的影响
• 3.3.4 石蜡油用量对性能的影响
• 3.4 无卤阻燃密封条的制备
• 3.5 本章结论
• 第四章 化学膨胀型阻燃三元乙丙橡胶的阻燃性能与机理
• 4.1 前言
• 4.2 基体橡胶、外加酸源和碳源的影响
• 4.2.1 外加碳源和酸源对性能的影响
• 4.2.2 HS和EVA并用比例对性能的影响
• 4.2.3 EPDM用量对性能的影响
• 4.3 IFR用量对性能的影响
• 4.4 增塑剂对性能的影响
• 4.5 补强剂对性能的影响
• 4.6 膨胀型阻燃EPDM的燃烧产物的形貌
• 4.7 本章结论
• 第五章 Casico阻燃体系的制备与性能及机理研究
• 5.0 前言
• 5.1 Casico体系的阻燃机理研究
• 5.1.1 材料的阻燃性能
• 5.1.2 材料的热稳定性
• 5.1.3 分解产物中的气体分析
• 5.1.4 分解产物中的残渣分析
• 5.1.5 阻燃机理总结
• 5.2 Casico阻燃体系的制备与性能研究
• 5.2.1 不同聚合物基体对性能的影响
• 5.2.3 不同硅胶对性能的影响
• 5.2.4 不同EBA/MVQ比例对性能的影响
• 5.2.5 碳酸钙用量对阻燃性能的影响
• 5.2.6 不同无机填充物的影响
• 5.2.7 交联对阻燃性能的影响
• 5.3 本章结论
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者及导师介绍
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书