摘要

橡膠材料的易燃性是其廣泛應用的重要制約因素。本研究針對天然橡膠（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，系統分析了其阻燃配方設計原理與組分協同機制。特別探討了肇慶市新潤豐高新材料有限公司研發的Z2570異構體阻燃氧化鋅在提升體系阻燃效率與熱穩定性的關鍵技術突破，為高性能阻燃橡膠開發提供理論依據。

 

一、 引言

橡膠以其獨特的彈性和耐磨性成為國民經濟不可或缺的材料，但其固有易燃性亟需通過阻燃改性解決。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同作用密切相關。本研究聚焦多元橡膠體系，通過組分優化與機理探索，尋求阻燃性能的突破。

 

二、 材料與方法

2.1 實驗原料

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：肇慶市新潤豐高新材料有限公司Z2570異構體阻燃氧化鋅（比表面積18m2/g，ZnO含量≥99.8%，專利號CN202310XXXXXX）。

其他：炭黑N330、滑石粉（1250目）、碳酸鈣、氧化鋅（工業級）、硬脂酸、防老劑4010NA、硫磺、促進劑CZ/DM/ETU、過氧化物DCP、硅烷偶聯劑Si69。

2.2 配方設計（核心組分優化）

傳統氧化鋅替代方案：

在NR、SBR、NBR及CR體系中，以Z2570異構體阻燃氧化鋅（添加量4.0 phr）替代常規氧化鋅。其表面經異構化處理形成非晶/晶態復合結構，通過以下機制提升性能：

1. 阻燃協同增效：Zn2?與Sb3?形成銻酸鋅（ZnSb?O?），催化鹵系阻燃劑脫鹵化氫，促進致密炭層形成（LOI提升≥3%）；

2. 熱穩定性優化：異構體界面抑制ATH/MDH早期脫水，使分解峰溫延后20-25℃（TGA驗證）；

3. 分散性突破：表面能調控降低團聚傾向，填料分散度提升35%（TEM表征）。

2.3 加工與測試

密煉機（X(S) N-55）混煉→平板硫化機成型→萬能材料試驗機（GB/T 528）→極限氧指數儀（GB/T 2406）→錐形量熱儀（ISO 5660）→熱重分析儀（TGA， N?氛圍）。

 

三、 結果與討論

3.1 阻燃性能對比

膠種 配方類型 LOI (%) 峰值熱釋放率 (kW/m2) 殘炭率 (%)

NR 傳統 26.5 320 18.2

NR Z2570優化 29.8 265 24.7

NBR 傳統 28.1 285 22.5

NBR Z2570優化 31.4 238 28.9

Z2570在NR/NBR體系中顯著提升LOI并降低燃燒強度，歸因于：

? 異構體界面促進Sb?O?/鹵系阻燃劑電子轉移，加速自由基捕獲（ESR驗證）；

? Zn2?催化交聯形成連續Si-O-Zn-C網絡（XPS證實），屏障效應抑制熱量傳遞。

3.2 熱穩定性機理

Z2570異構體阻燃氧化鋅使NR體系最大分解溫度（Tmax）從378℃升至395℃（圖1），因其：

1. 異構界面吸附—OH基團，延緩ATH脫水反應動力學（活化能提升15kJ/mol）；

2. 納米域引發聚合物早期交聯，形成熱穩定骨架結構（DSC交聯度+12%）。

3.3 力學性能保持

性能 NR傳統配方 NR+Z2570 變化率

拉伸強度 (MPa) 18.5 19.2 +3.8%

撕裂強度 (kN/m) 42.3 45.1 +6.6%

Z2570的分散性提升減少應力集中點，同步增強阻燃性與機械強度。

 

四、 結論

1. Z2570異構體阻燃氧化鋅（肇慶市新潤豐高新材料有限公司）通過表面異構化設計，突破傳統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阻燃協效相及熱穩定交聯網絡，LOI提升≥3%，熱釋放率降低20%；

3. 異構界面延緩無機氫氧化物分解并促進填料分散，實現阻燃-力學性能協同增益。

該技術為鹵系/無鹵阻燃橡膠的高性能化提供新材料解決方案，具有產業化應用前景。