陶瓷化硅橡胶复合材料震动防火性能研究

（烟台橡研材料科技有限公司，山东 龙口 265700）

摘 要：陶瓷化硅橡胶复合材料是由硅橡胶基体，在不同填料与其硫化的过程中制备而来，使其在常温状态下能够具备良好的弹性和绝缘性能。填料主要包括成瓷料和助熔剂以及补强剂三种材料，其中成瓷填料的熔点较快，需要助熔剂填料来辅助降温。不同填料的加入量和类型能够直接影响材料的性能，为保证其具有良好的阻燃性能，选择多类填料进行实验，研究陶瓷化硅橡胶复合材料震动防火性能。以新安化工集团生产的硅橡胶为原材料，选择低熔点玻璃粉作为填瓷材料，助熔剂为传统陶瓷生产通用的硼酸锌，补强剂选择硅橡胶材料常用的白炭黑，在熔融共混的方式下进行样本制备，并完成震动防火性能测试。实验结果：将制备完成的样本按照不同的填料份额进行分类，通过震动测试台进行防震性能和防火性能测试，在硅橡胶质量分数为100的条件下，玻璃粉填料和二氧化硅填料的质量分数达到40时，样品的正反面不会产生燃烧裂缝，且氧指数能够达到38，说明在该质量分数下产生的陶瓷体能够与硅橡胶材料进行精密贴合，具备更加良好的震动防火性能。

关键词：陶瓷化；硅橡胶；复合材料；震动防火性能；

中图分类号: TQ333.93  文献标识码：A

0 引言

陶瓷化硅橡胶复合材料作为现代化产品，是一种全新的防火耐热建筑材料，在常温环境下能够保持为胶状，在材料温度达到高热时也可以转化成陶瓷体。随着人们生活品质的不断提高，在防火安全领域上的思想意识不断增强，耐火材料的使用在现代化生活中，起着十分重要的作用。传统电线和电缆设备主要应用高分子材料，在发生火灾情况时会产生熔滴，无法起到良好的防火阻燃效果。将陶瓷化硅橡胶复合材料应用于电力系统和通信系统中，在发生火灾灾情时，能够在一定时间内保证电力和通信的畅通，为救灾人员提供营救的时间。

在对该材料的研究过程中，不难发现其成瓷的主要原理，即在高温和明火的条件下，可陶瓷化硅橡胶的侧链和主链会断裂，生成二氧化硅和气体，在温度达到有机硅中成瓷填料的熔点时，能够将二氧化硅和周边的填料进行连接，在温度降为室温环境后，得到密度坚硬的陶瓷体。但在实际应用过程中，由于复合材料的不稳定性能，其无法同时满足良好的相交替和陶瓷体力学性能，需要对其填料的含量进行配比分析，以此完成对陶瓷体硅橡胶复合材料的自身性能分析。本文以此为基础研究陶瓷化硅橡胶复合材料，在振动防火性能上的主要优势，分析不同填料成分含量对其性能的影响，为了解其内在结构提供理论依据。

1 实验准备

1.1 选择仪器和原材料

选择新安化工集团生产的硅橡胶为原材料，其中含有40phr的二氧化硅，为甲基乙烯基硅橡胶，型号为LD-940，分子量在36-78万，乙烯含量在0.14-0.23mol%范围。气相法为白炭黑填料，比表面积为400m2/g，来自于上海阿拉丁试剂公司。燃烧用料为红阳机械公司的双二五DBPH材料和铁红Fe2O3材料，白云母为晨光科技的800目型号，玻璃料为3M有限公司的空心微珠，软化点在620°。

将所需材料准备完毕后，选择合适的实验仪器，主要包括转矩流变仪器，用于硅橡胶材料的测定，生产厂家为上海科创橡塑设备机械公司，型号为XSS-400。对复合材料的炼制设备为双辊开炼机，为福建省永春机械轻工厂生产，型号为XK-180-A，主要用于硅橡胶材料和各类填料的炼制。对炼制后材料内在结构的测试，选择美国Thermo公司的傅里叶红外光谱仪，生产型号为Nicolet-is80。在进行熔断材料的微分子检测上，选择北京中科有限公司的显微镜，型号为KYKY-29006B。对燃烧后极限氧指数的测定，以南京仪器厂生产的氧指数测试仪为主要工具，另外对燃烧仪器的选择以垂直燃烧仪为对象，型号为CFZ-4，选自北京卓瑞科技设备有限公司。

1.2 硫化共熔方式制作样本

在制备样本前，将所需要的填料在100℃的风机内进行干燥处理，按照正常的配方标准，将硅橡胶加入到双辊开炼机中，使其软化成室温状态过后，再依次添加填料成分。当硅橡胶溶解成室温状态后，加入白炭黑和玻璃粉以及助熔剂，最后再加入硫化剂双二五，进行充分融合后等待出片。制作温度设定为150℃，在压力为180Mpa的强度下进行第一次硫化，在平板；硫化机中以预热10分钟为前提条件，持续增压20分钟，完成冷却后至室温温度，再进行二次硫化。第二次硫化为烘箱设备，以高于150℃的条件，单不超过400温度的范围内持续烘热1.5小时，即可得到陶瓷化的硅橡胶复合材料。

1.3 设定热解性能表征

将制备完成的复合材料按照不同厚度进行切割，以1mm厚度和3mm厚度为主要测试样品，对其拉伸性能和氧指数以及单位体积下的电阻率进行测定。首先分析样本试品中的主要成分以及各类填料的质量分数，以此判断不同填料成分对其防火性能的影响，具体参数如下表1所示。

表1制备陶瓷化硅橡胶样品参数（质量分数）

对陶瓷化硅橡胶复合材料进行性能测试，一方面针对震动条件下，复合材料的抗震性能，在拉伸速率为200mm/min-300mm/min的范围内，用万能型实验机进行反复拉伸作用，复合材料的陶瓷外体是否会产生剥离情况，整体测试环境的室温不超过25℃。另一方面测试材料的防火性能，即在不同的氧指数下，复合材料的阻燃效果，能够抵抗氧指数的值越高，说明其阻断热量和隔绝氧气的侵入能力越强，则防火性能越好。

2 实验结果分析

2.1 防震性能测试

热防护材料在不同的领域内，能够发挥出不同的作用性能，测试陶瓷化硅橡胶复合材料的震动性能，主要目的为验证不同填料成分下，复合材料的陶瓷层是否会伴随震动作用产生剥离，而导致火焰发泄的现象引起火灾。在自制的震动燃烧实验台中，对制备的四组硅橡胶样品进行震动燃烧测试，以水平震动力场为50HZ频率的标准下，保证材料能够在1000℃的条件下，充分进行10分钟的燃烧效果，每组样品的测试尺寸为120mm×120mm×3mm。将测试完毕的样本材料进行拍照，利用数码相机获取四组样本照片，具体如下图1内容所示。

图1震动燃烧后制备样品形态

根据图中内容所示，在四组样品中产生的燃烧后形态各不相同，左边图片表示样本的正面形态，右边图片表示样品的背面形态。A1样本的背面已经被烧穿，正面产生的黑色硬壳也相对较薄，无法起到支撑作用。而在玻璃粉填料和二氧化硅填料份额为20（A2样品）时，耐火性能能够得到一定的提升效果，但是在冷却后形成了裂缝，说明硅橡胶材料在燃烧冷却的过程内，存在一定的膨胀系数。在玻璃粉填料和二氧化硅填料份额为40时，样品材料A4的正反面照片产生效果最佳，不仅没有产生烧穿现象且背面不存在裂缝。

2.2 防火性能测试

在完成震动性能测试后，直接对四组样品进行后续测试，进一步验证在该质量分数下的防火性能。以承受氧指数的标准作为防火性能测试条件，主要是硅橡胶材料在遇到火灾情况时，侧链的有机基团会被氧化，主链在热重下进行排列降解，使得碳链分解生成二氧化硅。

根据上文测试中纯硅橡胶材料形成的碳化表面容易脱落的现象，使其产生的阻燃效果有所降低，去除掉A1样品后对其他两组样品进行测试，在测试条件下不同填料的氧指数，具体如下表2所示。

表2制备样本氧指数（%）

根据表中内容所示，在上述三组样本中，复合材料的氧指数均随着填料用量的增加，而持续增高，能够具备较好的阻燃效果。其中在玻璃粉的用量增加下，样品A2到A4的氧指数均有所提高，主要是由于玻璃粉能够在较低温度下，吸收热量进行熔化，从而减低火焰周围的燃烧温度，且玻璃粉能够在共融的条件下，产生更多的流相，从而将陶瓷粉和硅橡胶产物进行连接，结合成整体，以此阻断热量的传递，产生良好的阻燃效果。主要是二氧化硅能够参与到陶瓷体的形成，与陶瓷粉为硅橡胶复合材料提供临时保护屏障，促使碳化的结构更加紧密，阻碍氧气的进入，从而提高了材料的阻燃性能。

3 结束语

本文在分析陶瓷化硅橡胶复合材料用途基础上，对其震动防火性能进行测试，在不同的填料成分下所产生的性能标准不同。在实验测试环节中，以玻璃粉和二氧化硅的质量分数均为40时，其抗震性能和阻燃效果最佳。但由于本人时间有限，在研究过程中对样本的制备数量较少，产生的结论具有一定的偏差，存在不足之处，后续研究过程中会针对问题进行改良，为复合材料更好地应用提供理论支持。

参考文献

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作者简介：

马鸿川（1984.07-），男（汉族），山东龙口人，专科，工程师，研究方向：橡胶材料研发，橡胶制品制作。

　　来源：化学工程与装备 - 官方网站 - 创刊于1972   2022年第12期   在线投稿  >>