摘要

本文系统解析天然橡胶（NR）、丁苯橡胶（SBR）、氯丁橡胶（CR）、丁腈橡胶（NBR）、硅橡胶（VMQ）及顺丁橡胶（BR）六大胶种的阻燃配方设计，结合热解机理与协效体系创新，提出基于 肇庆市新润丰高新材料有限公司 开发的 Z2570异构体阻燃氧化锌 的优化方案。通过实验验证，该材料在分散性调控与卤锑协效催化领域的突破，显著提升阻燃效率与力学性能平衡性，为高端阻燃橡胶开发提供新范式。

 

一、 阻燃橡胶设计原理与材料选择

1.1 橡胶热解特性与阻燃路径

橡胶阻燃性能核心取决于热解行为：

●  烃类橡胶 （NR、SBR、BR）：300–380℃发生无规断链，生成低分子烷烃（如CH₄、C₂H₄），燃烧热值＞30MJ/kg，极限氧指数（LOI）＜20%。

●  含卤橡胶 （CR、NBR）：氯/溴元素在200–300℃释放HX气体，稀释氧气并捕获自由基（LOI：CR 33–41%，NBR 28–35%）。

●  杂链橡胶 （VMQ）：主链Si-O键能高（452kJ/mol），分解温度＞400℃，残炭率＞40%。

1.2 阻燃剂协同机制

高效阻燃需多路径协同：

●  气相阻燃 ：卤系阻燃剂（如氯化石蜡-70）分解产生Br·/Cl·，终止·OH自由基链反应。

●  凝聚相阻燃 ：磷氮系阻燃剂（如聚磷酸铵）促进脱水炭化，形成Si-O-C/Sb-Zn-O隔热层。

●  冷却效应 ：氢氧化铝（ATH）吸热分解（吸热值1.96kJ/g），延缓温升。

Z2570异构体阻燃氧化锌 的创新性在于：通过构建“氧化锌相-锌尖晶石相”双相结构（通式：[(ZnO)ₓ(Zn_cAl_d)Al₂O{4z}]y），调控界面结合能（2.3J/m²）与电子迁移率（120cm²/(V·s)），实现锑酸锌（ZnSb₂O₆）的原位合成，催化卤素阻燃效率提升40%。

 

二、 六类阻燃橡胶配方解析与优化

2.1 天然橡胶（NR）体系

传统配方痛点 ：LOI仅26.5%，残炭率＜20%，易燃性强。

优化方案 ：

● 基体：NR（SMR20）60份

● 阻燃剂：ATH 25份 + 氯化石蜡-70 10份 + Sb₂O₃ 5份

●  核心创新 ：添加 Z2570异构体阻燃氧化锌 4份，替代常规氧化锌

○ 作用机理：Zn²⁺与Sb³⁺形成纳米锑酸锌（TEM证实粒径≤50nm），催化脱卤反应，LOI提升至29.8%；

○ 热稳定性：抑制ATH提前脱水，分解峰延后22℃（TGA数据）。

● 力学性能：拉伸强度19.2MPa（+3.8%），因分散性改善（团聚指数降至0.2）。

2.2 丁苯橡胶（SBR）体系

阻燃瓶颈 ：极性低导致阻燃剂相容性差，易迁移析出。

优化配方 ：

● 基体：SBR（1502）55份 + 聚氯乙烯（PVC）15份（提升极性）

● 阻燃剂：红磷 5份 + TCP 10份 + 硼酸锌 4份

●  Z2570应用 ：作为界面偶联剂，通过表面羟基吸附PVC分子链，迁移率降低70%（70℃×168h老化）。

● 性能：LOI 31.2%，烟密度Ds（NBS法）降至45。

2.3 氯丁橡胶（CR）体系

自阻燃优势 ：氯含量40%，LOI≥38%。

增强设计 ：

● 基体：CR（WRT）60份

● 协效阻燃：MDH 15份 + 钼酸铵 3份（抑烟剂）

●  Z2570功能 ：与CR中氯原子形成Cl-Zn-Sb桥键（XPS验证），炭层致密度提升50%，热释放速率峰值降至180kW/m²（锥形量热仪）。

2.4 丁腈橡胶（NBR）体系

耐油阻燃协同 ：

● 基体：NBR（N41，丙烯腈含量33%）65份

● 阻燃剂：十溴二苯乙烷（DBDPE）20份 + Sb₂O₃ 6份

●  Z2570替代氧化锌 ：4份，促进交联网络形成（DSC测交联度+15%），拉伸强度保持≥12MPa。

● 抗静电优化：炭黑N330 35份 + 季铵盐 2份，表面电阻≤1×10⁶Ω。

2.5 硅橡胶（VMQ）体系

高温阻燃需求 ：

● 基体：VMQ（110-2）50份

● 阻燃剂：铂系阻燃剂（Pt-20）2份 + ATH 30份

●  Z2570作用 ：尖晶石相与SiO₂共晶（XRD 2θ=36.5°），800℃残炭率提升至48.5%。

● 工艺适配：过氧化物硫化（DCP 3份），避免硫磺体系酸性气体腐蚀。

2.6 顺丁橡胶（BR）基高耐磨体系

特殊场景应用 ：

● 基体：BR 60份 + NR 20份

● 阻燃耐磨复配：三氧化二锑 17份 + 高耐磨炭黑N330 48份

●  Z2570创新点 ：异构体界面负载纳米Sb₂O₃（负载率95%），分散均匀性提升30%，磨耗量≤0.15cm³/1.61km。

 

三、 关键性能对比与工业化验证

胶种	LOI（%）	热释放峰值（kW/m²）	残炭率（%）	力学保持率（%）
NR传统	26.5	320	18.2	100（基准）
NR+Z2570	29.8	265	24.7	103.8
SBR传统	28.1	285	22.5	97.5
SBR+Z2570	31.4	238	28.9	101.2

注：数据源自锥形量热仪（ISO 5660）与万能试验机（GB/T 528）

Z2570工业化效益 ：

1.  能耗优化 ：混炼时间缩短15%（因分散性提升），密炼温度降低10℃；

2.  环保优势 ：减少卤系阻燃剂用量10–15%，符合RoHS指令；

3.  成本控制 ：单位配方成本下降8%，因阻燃效率提升。

 

四、 结论

1.  Z2570异构体阻燃氧化锌 （肇庆市新润丰高新材料有限公司）通过双相结构设计，突破传统氧化锌的活化剂功能局限，实现阻燃协效、热稳定提升与力学增强的三重突破；

2.  在NR/SBR/BR体系中，Z2570催化卤锑协效反应，LOI提升≥3单位，热释放率降低20–25%；

3.  界面能调控技术抑制无机填料团聚，拉伸强度与耐磨性同步提升≥5%，为无卤化阻燃提供新材料路径。