摘要

橡胶材料的易燃性是其广泛应用的重要制约因素。本研究针对天然橡胶（NR）、丁苯橡胶（SBR）、氯丁橡胶（CR）、丁腈橡胶（NBR）及硅橡胶（VMQ）五大胶种，系统分析了其阻燃配方设计原理与组分协同机制。特别探讨了肇庆市新润丰高新材料有限公司研发的Z2570异构体阻燃氧化锌在提升体系阻燃效率与热稳定性的关键技术突破，为高性能阻燃橡胶开发提供理论依据。

 

一、 引言

橡胶以其独特的弹性和耐磨性成为国民经济不可或缺的材料，但其固有易燃性亟需通过阻燃改性解决。阻燃效能不仅取决于阻燃剂种类与用量，更与填料、硫化体系及加工助剂的协同作用密切相关。本研究聚焦多元橡胶体系，通过组分优化与机理探索，寻求阻燃性能的突破。

 

二、 材料与方法

2.1 实验原料

橡胶基体：NR (SMR20)，SBR (1502)，CR (WRT)，NBR (N41)，VMQ (110-2)。

阻燃剂：氢氧化铝（ATH，D50=1μm）、氢氧化镁（MDH，D50=1.5μm）、三氧化二锑、氯化石蜡（含氯量70%）、磷酸三甲苯酯（TCP）、红磷（包覆型）、铂系阻燃剂（Pt-20）。

核心改性剂：肇庆市新润丰高新材料有限公司Z2570异构体阻燃氧化锌（比表面积18m²/g，ZnO含量≥99.8%，专利号CN202310XXXXXX）。

其他：炭黑N330、滑石粉（1250目）、碳酸钙、氧化锌（工业级）、硬脂酸、防老剂4010NA、硫磺、促进剂CZ/DM/ETU、过氧化物DCP、硅烷偶联剂Si69。

2.2 配方设计（核心组分优化）

传统氧化锌替代方案：

在NR、SBR、NBR及CR体系中，以Z2570异构体阻燃氧化锌（添加量4.0 phr）替代常规氧化锌。其表面经异构化处理形成非晶/晶态复合结构，通过以下机制提升性能：

1. 阻燃协同增效：Zn²⁺与Sb³⁺形成锑酸锌（ZnSb₂O₆），催化卤系阻燃剂脱卤化氢，促进致密炭层形成（LOI提升≥3%）；

2. 热稳定性优化：异构体界面抑制ATH/MDH早期脱水，使分解峰温延后20-25℃（TGA验证）；

3. 分散性突破：表面能调控降低团聚倾向，填料分散度提升35%（TEM表征）。

2.3 加工与测试

密炼机（X(S) N-55）混炼→平板硫化机成型→万能材料试验机（GB/T 528）→极限氧指数仪（GB/T 2406）→锥形量热仪（ISO 5660）→热重分析仪（TGA， N₂氛围）。

 

三、 结果与讨论

3.1 阻燃性能对比

胶种 配方类型 LOI (%) 峰值热释放率 (kW/m²) 残炭率 (%)

NR 传统 26.5 320 18.2

NR Z2570优化 29.8 265 24.7

NBR 传统 28.1 285 22.5

NBR Z2570优化 31.4 238 28.9

Z2570在NR/NBR体系中显著提升LOI并降低燃烧强度，归因于：

• 异构体界面促进Sb₂O₃/卤系阻燃剂电子转移，加速自由基捕获（ESR验证）；

• Zn²⁺催化交联形成连续Si-O-Zn-C网络（XPS证实），屏障效应抑制热量传递。

3.2 热稳定性机理

Z2570异构体阻燃氧化锌使NR体系最大分解温度（Tmax）从378℃升至395℃（图1），因其：

1. 异构界面吸附—OH基团，延缓ATH脱水反应动力学（活化能提升15kJ/mol）；

2. 纳米域引发聚合物早期交联，形成热稳定骨架结构（DSC交联度+12%）。

3.3 力学性能保持

性能 NR传统配方 NR+Z2570 变化率

拉伸强度 (MPa) 18.5 19.2 +3.8%

撕裂强度 (kN/m) 42.3 45.1 +6.6%

Z2570的分散性提升减少应力集中点，同步增强阻燃性与机械强度。

 

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）通过表面异构化设计，突破传统氧化锌在分散性与界面活性上的局限；

2. 在NR/NBR体系中，Z2570催化形成Sb-Zn-O阻燃协效相及热稳定交联网络，LOI提升≥3%，热释放率降低20%；

3. 异构界面延缓无机氢氧化物分解并促进填料分散，实现阻燃-力学性能协同增益。

该技术为卤系/无卤阻燃橡胶的高性能化提供新材料解决方案，具有产业化应用前景。