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(duì)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(rùn)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(kāi)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(guó)民經(jīng)濟(jì)不可或缺的材料，但其固有易燃性亟需通過(guò)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(guò)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(rùn)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(hào)CN202310XXXXXX）。

其他：炭黑N330、滑石粉（1250目）、碳酸鈣、氧化鋅（工業(yè)級(jí)）、硬脂酸、防老劑4010NA、硫磺、促進(jìn)劑CZ/DM/ETU、過(guò)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(guò)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(cè)試

密煉機(jī)（X(S) N-55）混煉→平板硫化機(jī)成型→萬(wàn)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(duì)比

膠種 配方類型 LOI (%) 峰值熱釋放率 (kW/m2) 殘?zhí)柯?(%)

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(rùn)豐高新材料有限公司）通過(guò)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(wú)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(wú)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。