段金凤，王鲁静，王艳辉，徐 亮，索 伟

(山东泰星新材料股份有限公司,山东 济南 250200)

氢氧化铝分子式为Al(OH)3或Al2O3·3H2O，相对分子质量为156.00,呈白色粉末，无味、无毒，200 ℃以上开始失水变成Al2O3[1]。氢氧化铝阻燃剂凭借着自身抑烟、阻燃、无毒、不挥发、价格低廉等优点，在聚合物阻燃领域发挥了重要的作用，用量远远领先于其他阻燃剂[2]。

超细氢氧化铝是采用特殊生产工艺生产的规则晶体结构的产品，具有纯度高、粒径小、晶型好，表面活性低，比表面积小等优点，可在橡胶、塑料中大量填充，能够适用于各类加工技术。其阻燃原理是在受热分解过程中释放出大量结晶水，由于结晶水蒸发需要吸收大量的热量，从而起到冷却聚合物材料的作用；产生的水蒸气可以稀释可燃气体，抑制燃烧蔓延；新生成的金属氧化物具有较高的活性，可以吸附固体颗粒，起到抑烟的作用。另外，覆盖在聚合物材料表面的金属氧化物可以促进基材表面成炭，阻止火焰传播[3]。由于氢氧化铝无机阻燃剂具有极强的极性及亲水性，同非极性聚合物材料间相容性差，为改善氢氧化铝同聚合物之间的相容性通常需要对其进行表面处理，采用偶联剂对氢氧化铝进行表面处理是最为有效的方法之一[3]。

本文以天然橡胶为基材，研究了超细氢氧化铝表面处理前后对硫化橡胶力学性能、阻燃性能的影响，通过对比试验，开拓了超细氢氧化铝在橡胶中的应用价值。

1 实验部分

1.1 主要原料

天然胶(SCR WF)，海南天然橡胶产业集团股份有限公司；炭黑N220，金能科技股份有限公司；超细氢氧化铝(D50：0.8～2.1 μm)，山东泰星新材料股份有限公司；氧化锌，山东泰星新材料股份有限公司；其他助剂，市售。

1.2 实验设备

开炼机(G-XK-160)，东莞高歌精密机械模具有限公司；密炼机(KY-3220-2L)，东莞市厚街开研机械设备厂；平板硫化机(XLB-500-3D)，青岛双凌科技设备有限公司；无转子硫化仪(MZ-4010B1)，江苏明珠试验机械有限公司；冲片机(MZ-4102)，江苏明珠试验机械有限公司；DIN磨耗试验机(MZ-4060)，江苏明珠试验机械有限公司；电子拉力试验机(AI-3000)，高铁检测仪器有限公司；自动氧指数测试仪(ZR-011)，青岛山纺仪器有限公司；水平垂直燃烧测定仪(M607)，青岛山纺仪器有限公司。

1.3 基本配方

天然胶 100份；炭黑N220 35份；氧化锌 6份；硬脂酸 2份；硫磺 2.4份；其他助剂 3.2份。

1.4 试样制备

天然胶经开炼机塑炼后，由密炼机混炼，加料顺序为：天然胶生胶→小料(氧化锌、促进剂等)→炭黑→氢氧化铝、导电炭黑→硫磺。出料后，在开炼机上薄通、出片，在平板硫化机上进行硫化，制备物性、阻燃、磨耗等试样。

1.5 性能测试

性能测试项目及标准详见表1。

表1 测试项目及标准

2 结果与讨论

2.1 超细氢氧化铝添加量对天然橡胶性能的影响

在试验基本配方中加入不同添加量的超细氢氧化铝，其余组份保持不变，硫化胶试样的各项力学性能及阻燃性能的变化如表2。

从表2看出，在该配方体系中，随超细氢氧化铝添加量的增大，硫化胶力学性能呈现明显的下降，拉伸强度、扯断伸长率及撕裂强度均下降，相对体积磨耗量增大，耐磨性能变差。而硫化胶氧指数随超细氢氧化铝添加量的增大得到提升，在一定范围内，氢氧化铝添加量每增大30份，硫化胶氧指数约增大2个单位。

表2 超细氢氧化铝用量对天然橡胶性能的影响

由于在该配方体系中，阻燃性能主要依靠加入的超细氢氧化铝来实现，氢氧化铝添加量越大，硫化胶燃烧时氢氧化铝分解吸收的热量越多，并且产生的结晶水越多，进而更好的稀释可燃性气体和氧气的浓度，提高氧指数及阻燃性能[4]。但随着氢氧化铝填加量的增大，无机成份所占比例增大，含胶量降低，在受到外力作用时硫化胶中交联键间协同能力减弱，导致力学性能下降。为改善氢氧化铝同聚合物之间的相容性，采用偶联剂对超细氢氧化铝进行表面处理是最为有效的方法之一。

2.2 硅烷偶联剂改性超细氢氧化铝对天然橡胶性能的影响

在试验基本配方中加入150份经硅烷偶联剂表面处理后的超细氢氧化铝。硅烷偶联剂添加量分别为超细氢氧化铝质量的0、1%、1.5%、2%、2.5%、3%，其余组份保持不变，硫化胶的力学性能及阻燃性能变化如表3。

从表3中看出，硅烷偶联剂添加量对氢氧化铝的应用效果表现为拉伸强度及伸长率先提升后下降，当硅烷偶联剂添加量为1.5%时，改性超细氢氧化铝应用效果最好，拉伸强度能达到13.10 MPa，扯断伸长率达到286.83%。硅烷偶联剂添加量对改性超细氢氧化铝的阻燃性能提升不明显，硫化胶氧指数基本保持在30%左右，垂直燃烧均能达到阻燃FV-0级别。即在一定范围内，硅烷偶联剂添加量对改性超细氢氧化铝应用效果的改善主要体现在力学性能方面，在阻燃性能、氧指数方面变化较小。

表3 硅烷偶联剂用量对改性超细氢氧化铝在天然胶中应用效果的影响

2.3 改性超细氢氧化铝添加量对天然胶性能的影响

在硅烷偶联剂添加量对超细氢氧化铝应用效果影响的实验基础上，优选出1.5%硅烷偶联剂添加量改性的超细氢氧化铝进行应用试验。在试验基本配方中加入不同用量的改性超细氢氧化铝，改性超细氢氧化铝添加量分别为90、120、150份。其余组份保持不变，硫化胶试样的力学性能及阻燃性能与未改性超细氢氧化铝用量对天然胶性能的影响对比如表4。

表4表明，添加经硅烷偶联剂表面处理后超细氢氧化铝的天然胶，与添加未改性超细氢氧化铝的天然胶相比，加工性能得到改善，力学性能提升，阻燃性能改善不明显。从表4看出，氢氧化铝改性前后应用效果相差较大，相同添加量下，采用改性氢氧化铝的硫化胶拉伸强度高出2～3 MPa，扯断伸长率高出 30%～ 50%，磨耗性能下降约20 mm3。从氧指数及垂直燃烧来看，阻燃性能并未得到明显改善。

表4 超细氢氧化铝改性前后对天然胶性能的影响

表面改性可以显著提高超细氢氧化铝与天然胶之间的相容性，进而改善力学性能。从硅烷偶联剂的分子结构来看，硅烷偶联剂分子中含有两类不同的化学官能团，它的一端能与无机材料的羟基反应，形成氢键，并在一定的条件下缩合、脱水和固化，形成共价键；另一端又能与有机高分子材料结合，从而使有机高分子材料—硅烷偶联剂—无机材料之间产生一种良好的界面结合，将两种性质差异较大的材料牢固的结合在一起，从而改善力学性能[5]。

3 结论

1)超细氢氧化铝阻燃天然橡胶时，随添加量的增加，力学性能下降明显。当添加量达到150份时，阻燃达到FV0级别，氧指数达到29%，发烟量较小。在低烟低卤条件下，可适当考虑与少量的卤系阻燃剂协同阻燃，以改善力学性能。

2)采用硅烷偶联剂对超细氢氧化铝进行表面改性处理可以有效提高氢氧化铝与天然胶之间的相容性，改善加工性能及硫化胶的力学性能，阻燃性能变化较小。当硅烷偶联剂添加量为氢氧化铝质量的1.5%时，性能提升最大。

3)在该配方体系下，一定范围内，超细氢氧化铝添加量每增大30份，硫化胶的氧指数约增大2个单位。

4 结束语

天然橡胶广泛应用于轮胎、胶带、胶管、电线电缆和多数橡胶制品，是应用最广的橡胶。本文以天然橡胶为基材，研究了超细氢氧化铝表面处理前后对天然橡胶力学性能、阻燃性能的影响，开拓了超细氢氧化铝在天然橡胶中的应用价值。