CN109762341A - 一种阻燃型陶瓷化硅橡胶及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阻燃型陶瓷化硅橡胶及其制备方法和应用，包括各组分原料含量为：0.04％乙烯基含量生胶：85‑100份，3％乙烯基含量生胶：0‑15份，羟基硅油5‑8份，气相白炭黑：40份，氢氧化铝/氢氧化镁：15‑25份，铂阻燃剂：0.5‑0.8份，云母粉：0‑50份，高岭土：0‑10份，硅灰石：0‑10份，低熔点玻璃粉：0‑10份，硼酸锌：0‑2份，氢氧化铈：0‑1份，硅烷偶联剂：0‑0.8份，硫化剂：2份。本发明的硅橡胶具有很高的热稳定性，具有优异的耐候性能、优良的电绝缘性能以及无毒无味、环保的特性。
Description
技术领域
本发明涉及电线电缆材料领域，特别涉及一种阻燃型陶瓷化硅橡胶及其制备方法和应用。
背景技术
随着我国城镇化速度的加快，城市人口密度急剧增长，防火安全的重要性日益凸显出来。在火灾发生时，如何保障电力和通讯的畅通，为逃生和救援赢得宝贵的时间，最大程度地减少人员伤亡和经济损失，是当前亟需解决的问题。
硅橡胶的主链含Si-O键，在火焰燃烧情况下，主链的断裂和侧基的氧化是硅橡胶在高温有氧气氛中的主要反应，其中主链断裂生成环状硅氧烷，使硅橡胶软化；而侧基氧化生成活性自由基，自由基间反应，导致硅橡胶发生交联和硬化。在300℃以上时，硅橡胶侧链上的硅碳键也会裂解，分子间通过硅碳键形成交联；在更高温度下将燃烧生成二氧化硅，表面会形成由碳、硅和氧元素组成的阻隔层，该阻隔层呈粉末状，不连续，强度低，单单这层阻隔层很难起到隔热、耐火作用。
目前市场上常用的耐火电缆为云母带绕包耐火电缆和氧化镁矿物绝缘耐火电缆。氧化镁矿物绝缘耐火电缆虽然具有很好的耐火性能，但生产工艺复杂、生产成本高昂、制造长度受限，而且电缆较硬不易弯曲，接头处密封性差，施工难度高，难以广泛应用。而云母带绕包耐火电缆，烧蚀后云母带发脆，易脱落，造成耐火性能差，难以保障通讯和电力在火灾情况下安全通畅。为了弥补云母带耐火电缆和氧化镁矿物绝缘耐火电缆的这一系列缺点，推动防火耐火电缆的普及应用，满足城市化建设的需求，更好的保障人民的生命和财产安全，一种防火耐火性能优异、在高温下能迅速结成坚硬“壳体”、保障线路安全通畅、同时生产加工简单、造价成本低、安装敷设简便的新型耐火电缆-快速陶瓷化防火耐火低压电缆的研发，成为了必然的趋势。
发明内容
本发明提供了一种阻燃型陶瓷化硅橡胶及其制备方法和应用，能够解决上述现有技术问题中的一种或几种。
根据本发明的一个方面，提供了一种阻燃型陶瓷化硅橡胶，包括以下组分原料：0.04％乙烯基含量生胶，3％乙烯基含量生胶，羟基硅油，气相白炭黑，氢氧化铝/氢氧化镁，铂阻燃剂。
本发明的有益效果是，甲基乙烯基生胶，其成本低廉，采购方便，且其理化性能满足陶瓷化防火耐火硅橡胶要求。本发明中采用乙烯基含量低的110-0(乙烯基摩尔分数0.04％)，110-1(乙烯基摩尔分数0.08％)和乙烯基含量3～10％的C胶进行复配，这样可以提高基体的交联密度从而提高强度。优选端乙烯基封头的乙烯基硅橡胶HS-131可以提高整个体系的机械性能。
气相法白炭黑可以提高体系的强度和伸长率。
羟基硅油作为结构化控制剂，能够和白炭黑表面活性的Si-OH键结合，使白炭黑表面有机化，防止其与生胶分子中的Si-O键或端基的Si-OH作用生成氢键，使体系塑性降低。
氢氧化铝和氢氧化镁在高温下分解释放出水蒸气，从而使燃烧温度降低。高温下铂阻燃剂在成瓷体系中起“架桥剂”的作用，提高烧结后“壳体”的致密度及硬度。一般硅橡胶的交联密度较低，因此在高温下硅氧烷主链分解，急速生成低分子的环状体而继续燃烧。但在铂催化剂的存在下，其在与空气接触的硅橡胶表面上促进氧化、降解，形成高交联结构，使表面有机基团减少、形成近似于不燃的硅氧烷膜屏蔽了空气，因此火焰不再向硅橡胶内部蔓延而自熄。
在一些实施方式中，各组分原料含量为：0.04％乙烯基含量生胶：85-100份，3％乙烯基含量生胶：0-15份，羟基硅油5-8份，气相白炭黑：40份，氢氧化铝/氢氧化镁：15-25份，铂阻燃剂：0.5-0.8份。
在一些实施方式中，各组分原料含量为：0.04％乙烯基含量生胶：95份，3％乙烯基含量生胶：5份，羟基硅油8份，气相白炭黑：40份，氢氧化铝/氢氧化镁：25份，铂阻燃剂：0.5份。
在一些实施方式中，气相白炭黑比表面积为150-380m2/g。
在一些实施方式中，还包括：云母粉：0-50份，高岭土：0-10份，硅灰石：0-10份，低熔点玻璃粉：0-10份，硼酸锌：0-2份，氢氧化铈：0-1份，硅烷偶联剂：0-0.8份，硫化剂：2份。
其有益效果是，添加云母后，其烧结体的弯曲强度大幅提高，烧结残余物的质量提高了54％～63％。通过在高倍率下的扫描电镜观察到，云母复合材料高温分解后的残余物中显示有微桥的存在，微桥的形成增大了燃烧灰烬的强度。含硅灰石的胶料性能稳定，燃烧后的额质量损失率最小，高岭土次之，燃烧中产生的多孔结构变化缓慢，在火焰升到最高温度(1050℃)时存在少量多孔度，对提高陶瓷体的抗破裂性能和降低其导热性能有益。
用作助熔剂的玻璃添加剂最好是粉末状玻璃料(也称为玻璃粉)，也可以使用玻璃纤维，适宜的软化点范围为300～800℃。在以有机聚硅氧烷为基体的可瓷化复合材料中添加低熔点玻璃粉是为了改善材料的低温瓷化性能，当温度升高至玻璃粉软化温度时，玻璃粉熔融形成液相，填充于豁土颗粒和基体分解产物颗粒之间，随着时间的延长，液相逐渐渗入陶瓷网络，冷却固化后，起到桥连作用，强化陶瓷结构，增加玻璃粉的用量可提高瓷化产物的抗热冲击性。
硼酸锌既是阻燃剂又是低温玻璃生成剂，具有阻燃，成炭，抑烟，抑燃和防止生成熔滴等多种功效。硼酸锌的软化点在300～700℃之间。以硼酸锌替代低熔点玻璃，不仅改善了陶瓷化硅橡胶的耐火性能，而且还具有较高的刚度和形状保持性。
在一些实施方式中，云母粉：50份，高岭土：10份，硅灰石：10份，低熔点玻璃粉：10份，硼酸锌：2份，氢氧化铈：1份，硅烷偶联剂：0.8份，硫化剂：2份。
在一些实施方式中，硅烷偶联剂为KH-171。
在一些实施方式中，硫化剂为DCPB。
根据本发明的一个方面，提供了一种阻燃型陶瓷化硅橡胶的制备方法，包括：在捏合机中，先加入硅橡胶生胶及各配比物质，搅拌5分钟，按比例分几次加入补强填料白炭黑和羟基硅油，混炼均匀，成团后升温至100-150℃，热处理1-3小时，真空度为-0.04～-0.08MPa。将热处理后的胶料在双辊炼胶机上与1％过氧化物混合均匀，放入的模具中，在125℃×10MPa条件下，硫化10-20分钟，脱模后制成试片。
根据本发明的一个方面，提供了一种阻燃型陶瓷化硅橡胶在电缆中的应用。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细的说明。
本发明采用以下标准进行产品相关性能测试。
GB/T 528-2009硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测。
GB/T 529-2008硫化橡胶或热塑性橡胶撕裂强度的测定(裤形、直角形和新月形试样)。
GB/T 1033.1-2008塑料非泡沫塑料密度的测定第1部分：浸渍法、液体比重瓶法和滴定法。
GB/T 1692-2008硫化橡胶绝缘电阻率的测定。
GB/T 1695-2005硫化橡胶工频击穿电压强度和耐电压的测定方法。
GB/T 10707-2008橡胶燃烧性能的测定。
GB/T 27761-2011热重分析仪失重和剩余量的试验方法。
本发明中的相关测试仪器和型号为：
拉力试验机，JBL-2000，
邵尔A型硬度仪，XY-1，
电子万能材料试验机，SHJD-10，
氧指数测定仪，XZT-100A，
绝缘电阻测量仪，QS87
击穿测试仪，LB-01
实施例1
在捏合机中，先加入0.04％乙烯基含量生胶100份、3％乙烯基含量生胶0份，翻转待包辊后，按比例分几次加入补强填料白炭黑和羟基硅油，混炼均匀，成团后升温至150℃，热处理2小时，真空度为-0.04～-0.08MPa。将热处理后的胶料在双辊炼胶机上与1％过氧化物混合均匀，放入130mm×130mm×2mm的模具中，在125℃×10MPa条件下，硫化10分钟，脱模后制成试片。
实施例2
在捏合机中，先加入0.04％乙烯基含量生胶95份、3％乙烯基含量生胶5份，翻转待包辊后，分几次加入补强填料白炭黑35份和羟基硅油5份，混炼均匀，成团后升温至150℃，热处理2小时，真空度为-0.04～-0.08MPa。将热处理后的胶料在双辊炼胶机上与1％过氧化物混合均匀，放入130mm×130mm×2mm的模具中，在125℃×10MPa条件下，硫化10分钟，脱模后制成试片。
实施例3
在捏合机中，先加入0.04％乙烯基含量生胶90份、3％乙烯基含量生胶10份，翻转待包辊后，分几次加入补强填料白炭黑35份和羟基硅油5份，混炼均匀，成团后升温至150℃，热处理2小时，真空度为-0.04～-0.08MPa。将热处理后的胶料在双辊炼胶机上与1％过氧化物混合均匀，放入130mm×130mm×2mm的模具中，在125℃×10MPa条件下，硫化10分钟，脱模后制成试片。
实施例4
在捏合机中，先加入0.04％乙烯基含量生胶85份、3％乙烯基含量生胶15份，翻转待包辊后，分几次加入补强填料白炭黑35份和羟基硅油5份，混炼均匀，成团后升温至150℃，热处理2小时，真空度为-0.04～-0.08MPa。将热处理后的胶料在双辊炼胶机上与1％过氧化物混合均匀，放入130mm×130mm×2mm的模具中，在125℃×10MPa条件下，硫化10分钟，脱模后制成试片。
实施例5
在捏合机中，先加入0.04％乙烯基含量生胶95份、3％乙烯基含量生胶5份，翻转待包辊后，分几次加入补强填料白炭黑40份和羟基硅油8份，混炼均匀，成团后升温至150℃，热处理2小时，真空度为-0.04～-0.08MPa。将热处理后的胶料在双辊炼胶机上与1％过氧化物混合均匀，放入130mm×130mm×2mm的模具中，在125℃×10MPa条件下，硫化10分钟，脱模后制成试片。
实施例6
在捏合机中，先加入0.04％乙烯基含量生胶100份、3％乙烯基含量生胶0份，翻转待包辊后，按比例分几次加入补强填料白炭黑和羟基硅油，混炼均匀，成团后升温至100℃，热处理3小时，真空度为-0.04～-0.08MPa。将热处理后的胶料在双辊炼胶机上与1％过氧化物混合均匀，放入130mm×130mm×2mm的模具中，在125℃×10MPa条件下，硫化10分钟，脱模后制成试片。
实施例7
在捏合机中，先加入0.04％乙烯基含量生胶95份、3％乙烯基含量生胶5份，翻转待包辊后，分几次加入补强填料白炭黑35份和羟基硅油5份，混炼均匀，成团后升温至100℃，热处理3小时，真空度为-0.04～-0.08MPa。将热处理后的胶料在双辊炼胶机上与1％过氧化物混合均匀，放入130mm×130mm×2mm的模具中，在125℃×10MPa条件下，硫化10分钟，脱模后制成试片。
实施例8
在捏合机中，先加入0.04％乙烯基含量生胶90份、3％乙烯基含量生胶10份，翻转待包辊后，分几次加入补强填料白炭黑35份和羟基硅油5份，混炼均匀，成团后升温至100℃，热处理3小时，真空度为-0.04～-0.08MPa。将热处理后的胶料在双辊炼胶机上与1％过氧化物混合均匀，放入130mm×130mm×2mm的模具中，在125℃×10MPa条件下，硫化10分钟，脱模后制成试片。
实施例9
在捏合机中，先加入0.04％乙烯基含量生胶85份、3％乙烯基含量生胶15份，翻转待包辊后，分几次加入补强填料白炭黑35份和羟基硅油5份，混炼均匀，成团后升温至100℃，热处理3小时，真空度为-0.04～-0.08MPa。将热处理后的胶料在双辊炼胶机上与1％过氧化物混合均匀，放入130mm×130mm×2mm的模具中，在125℃×10MPa条件下，硫化10分钟，脱模后制成试片。
实施例10
在捏合机中，先加入0.04％乙烯基含量生胶95份、3％乙烯基含量生胶5份，翻转待包辊后，分几次加入补强填料白炭黑40份和羟基硅油8份，混炼均匀，成团后升温至100℃，热处理3小时，真空度为-0.04～-0.08MPa。将热处理后的胶料在双辊炼胶机上与1％过氧化物混合均匀，放入130mm×130mm×2mm的模具中，在125℃×10MPa条件下，硫化10分钟，脱模后制成试片。
实施例1至实施例5的配方试样性能试验指标见表1。
表1配方试样性能指标对比
根据表1发现，5号试样综合性能最优，因此，将实施例5的配方作为研究陶瓷化硅橡胶基胶的基本配方，根据阻燃剂、成瓷填料、助熔剂及结构化控制剂的材料类型及比例的不同进行以下研究。
实施例11
在捏合机中，先加入0.04％乙烯基含量生胶95份、3％乙烯基含量生胶5份、二苯基硅二醇2份，氢氧化铝/氢氧化镁：15份，铂阻燃剂：0.8份，云母粉：50份，高岭土：0份，硅灰石：0份，低熔点玻璃粉：10份，硼酸锌：0份，氢氧化铈：0份，硅烷偶联剂KH-171：0份，硫化剂DCPB：2份，翻转待包辊后，分几次加入补强填料白炭黑40份和羟基硅油8份，混炼均匀，成团后升温至150℃，热处理2小时，真空度为-0.04～-0.08MPa。将热处理后的胶料在双辊炼胶机上与1％过氧化物混合均匀，放入130mm×130mm×2mm的模具中，在125℃×10MPa条件下，硫化10分钟，脱模后制成试片。
实施例12
在捏合机中，先加入0.04％乙烯基含量生胶95份、3％乙烯基含量生胶5份、二苯基硅二醇2份，氢氧化铝/氢氧化镁：15份，铂阻燃剂：0.8份，云母粉：0份，高岭土：50份，硅灰石：0份，低熔点玻璃粉：10份，硼酸锌：0份，氢氧化铈：0份，硅烷偶联剂KH-171：0份，硫化剂DCPB：2份，翻转待包辊后，分几次加入补强填料白炭黑40份和羟基硅油8份，混炼均匀，成团后升温至150℃，热处理2小时，真空度为-0.04～-0.08MPa。将热处理后的胶料在双辊炼胶机上与1％过氧化物混合均匀，放入130mm×130mm×2mm的模具中，在125℃×10MPa条件下，硫化10分钟，脱模后制成试片。
实施例13
在捏合机中，先加入0.04％乙烯基含量生胶95份、3％乙烯基含量生胶5份、二苯基硅二醇2份，氢氧化铝/氢氧化镁：15份，铂阻燃剂：0.8份，云母粉：50份，高岭土：0份，硅灰石：10份，低熔点玻璃粉：10份，硼酸锌：0份，氢氧化铈：0份，硅烷偶联剂KH-171：0份，硫化剂DCPB：2份，翻转待包辊后，分几次加入补强填料白炭黑40份和羟基硅油8份，混炼均匀，成团后升温至150℃，热处理2小时，真空度为-0.04～-0.08MPa。将热处理后的胶料在双辊炼胶机上与1％过氧化物混合均匀，放入130mm×130mm×2mm的模具中，在125℃×10MPa条件下，硫化10分钟，脱模后制成试片。
实施例14
在捏合机中，先加入0.04％乙烯基含量生胶95份、3％乙烯基含量生胶5份、二苯基硅二醇2份，氢氧化铝/氢氧化镁：25份，铂阻燃剂：0.5份，云母粉：50份，高岭土：0份，硅灰石：10份，低熔点玻璃粉：10份，硼酸锌：2份，氢氧化铈：1份，硅烷偶联剂KH-171：0份，硫化剂DCPB：2份，翻转待包辊后，分几次加入补强填料白炭黑40份和羟基硅油8份，混炼均匀，成团后升温至150℃，热处理2小时，真空度为-0.04～-0.08MPa。将热处理后的胶料在双辊炼胶机上与1％过氧化物混合均匀，放入130mm×130mm×2mm的模具中，在125℃×10MPa条件下，硫化10分钟，脱模后制成试片。
实施例15
在捏合机中，先加入0.04％乙烯基含量生胶95份、3％乙烯基含量生胶5份、二苯基硅二醇2份，氢氧化铝/氢氧化镁：25份，铂阻燃剂：0.8份，云母粉：50份，高岭土：0份，硅灰石：0份，低熔点玻璃粉：10份，硼酸锌：0份，氢氧化铈：0份，硅烷偶联剂KH-171：0份，硫化剂DCPB：2份，翻转待包辊后，分几次加入补强填料白炭黑40份和羟基硅油8份，混炼均匀，成团后升温至150℃，热处理2小时，真空度为-0.04～-0.08MPa。将热处理后的胶料在双辊炼胶机上与1％过氧化物混合均匀，放入130mm×130mm×2mm的模具中，在125℃×10MPa条件下，硫化10分钟，脱模后制成试片。
实施例16
在捏合机中，先加入0.04％乙烯基含量生胶95份、3％乙烯基含量生胶5份、二苯基硅二醇2份，氢氧化铝/氢氧化镁：15份，铂阻燃剂：0.5份，云母粉：50份，高岭土：10份，硅灰石：10份，低熔点玻璃粉：10份，硼酸锌：2份，氢氧化铈：1份，硅烷偶联剂KH-171：0份，硫化剂DCPB：2份，翻转待包辊后，分几次加入补强填料白炭黑40份和羟基硅油8份，混炼均匀，成团后升温至150℃，热处理2小时，真空度为-0.04～-0.08MPa。将热处理后的胶料在双辊炼胶机上与1％过氧化物混合均匀，放入130mm×130mm×2mm的模具中，在125℃×10MPa条件下，硫化10分钟，脱模后制成试片。
实施例17
在捏合机中，先加入0.04％乙烯基含量生胶95份、3％乙烯基含量生胶5份、二苯基硅二醇2份，氢氧化铝/氢氧化镁：25份，铂阻燃剂：0.5份，云母粉：40份，高岭土：10份，硅灰石：10份，低熔点玻璃粉：10份，硼酸锌：2份，氢氧化铈：1份，硅烷偶联剂KH-171：0.8份，硫化剂DCPB：2份，翻转待包辊后，分几次加入补强填料白炭黑40份和羟基硅油8份，混炼均匀，成团后升温至150℃，热处理2小时，真空度为-0.04～-0.08MPa。将热处理后的胶料在双辊炼胶机上与1％过氧化物混合均匀，放入130mm×130mm×2mm的模具中，在125℃×10MPa条件下，硫化10分钟，脱模后制成试片。
配方试样性能试验指标见表2。
表2配方试样性能指标对比
实施例18
将实施例11至实施例17制得试样在双棍上制得2mm厚的薄片，放入马弗炉中，在300℃-1000℃下依次烘烤，观察各样品的成瓷性能，见表3所示。
表3配方试样经高温燃烧后的成瓷情况
通过表3中对陶瓷化硅橡样品胶的性能及成瓷性研究分析，可得出：七个配方的氧指数、电气性能、烟毒性能和燃烧燃烧后固含量均满足要求，但实施例1至实施例3随着烧蚀温度的升高，胶料壳体的开裂程度变大，耐高温性能较差；实施例4和实施例5的虽然成瓷效果较好，但是机械性能相对较差；实施例6中因为加入助熔剂导致低温结壳性差；配方7有良好的成瓷性同时机械性能也相对较优良。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种阻燃型陶瓷化硅橡胶，其特征在于，包括以下组分原料：0.04％乙烯基含量生胶，3％乙烯基含量生胶，羟基硅油，气相白炭黑，氢氧化铝/氢氧化镁，铂阻燃剂。
2.根据权利要求1所述的一种阻燃型陶瓷化硅橡胶，其特征在于，所述各组分原料含量为：0.04％乙烯基含量生胶：85-100份，3％乙烯基含量生胶：0-15份，羟基硅油5-8份，气相白炭黑：40份，氢氧化铝/氢氧化镁：15-25份，铂阻燃剂：0.5-0.8份。
3.根据权利要求1所述的一种阻燃型陶瓷化硅橡胶，其特征在于，所述各组分原料含量为：0.04％乙烯基含量生胶：95份，3％乙烯基含量生胶：5份，羟基硅油8份，气相白炭黑：40份，氢氧化铝/氢氧化镁：25份，铂阻燃剂：0.5份。
4.根据权利要求1所述的一种阻燃型陶瓷化硅橡胶，其特征在于，所述气相白炭黑比表面积为150-380m2/g。
5.根据权利要求1所述的一种阻燃型陶瓷化硅橡胶，其特征在于，还包括：云母粉：0-50份，高岭土：0-10份，硅灰石：0-10份，低熔点玻璃粉：0-10份，硼酸锌：0-2份，氢氧化铈：0-1份，硅烷偶联剂：0-0.8份，硫化剂：2份。
6.根据权利要求1所述的一种阻燃型陶瓷化硅橡胶，其特征在于，云母粉：50份，高岭土：10份，硅灰石：10份，低熔点玻璃粉：10份，硼酸锌：2份，氢氧化铈：1份，硅烷偶联剂：0.8份，硫化剂：2份。
7.根据权利要求5所述的一种阻燃型陶瓷化硅橡胶，其特征在于，所述硅烷偶联剂为KH-171。
8.根据权利要求5所述的一种阻燃型陶瓷化硅橡胶，其特征在于，所述硫化剂为DCPB。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的阻燃型陶瓷化硅橡胶的制备方法，其特征在于，包括：在捏合机中，先加入硅橡胶生胶及各配比物质，搅拌5分钟，按比例分几次加入补强填料白炭黑和羟基硅油，混炼均匀，成团后升温至100-150℃，热处理1-3小时，真空度为-0.04～-0.08MPa；将热处理后的胶料在双辊炼胶机上与1％过氧化物混合均匀，放入的模具中，在125℃×10MPa条件下，硫化10-20分钟，脱模后制成试片。
10.一种如权利要求1-8任一项所述的阻燃型陶瓷化硅橡胶在电缆中的应用。
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