高嶺土填充硅橡膠可瓷化耐火復合材料

　　高嶺土填充硅橡膠可瓷化耐火復合材料

　　摘要 本文采用不同粒徑的高嶺土填充硅橡膠制備可瓷化硅橡膠耐火復合材料，并進一步制備出耐火電纜測試其耐火性能。

　　研究結果表明，在填料不做偶聯劑表面處理的情況下，填料的加入會大大降低硅橡膠的拉伸強度，并且高嶺土對拉伸強度的影響大于成瓷填料。

　　成瓷填料可以有效的將高嶺土和硅橡膠基體熱分解產生的二氧化硅粘合在一起形成比較致密的陶瓷層，從而賦予了制備出的耐火電纜良好的耐火性能。

　　關鍵詞 高嶺土;可瓷化硅橡膠;耐火電纜

　　近些年來，國內火災事故頻發，火災發生過程中在一定時間內保證電梯、照明系統、通信系統、信號控制系統等設備線路的暢通對于減少人員的傷亡和生命財產的損失具有重要的意義。

　　火災發生時，線路可能需要長時間承受300℃到1000℃的高溫，普通阻燃電纜在這種條件很難保證線路的通暢，從而耐火電纜對于減少火災造成的損失具有不可替代的作用。

　　目前，國內的耐火電纜主要是氧化鎂礦物及云母帶繞包的耐火電纜。

　　氧化鎂礦物電纜質量大，生成速度慢，生產成本高，鋪設不方便。

　　另外，氧化鎂容易吸水生成氫氧化鎂，絕緣性會大大下降。

　　云母帶繞包的耐火電纜著火后繞包帶容易脫落，耐火性能較差。

　　可瓷化硅橡膠是一種新型耐火復合材料，其耐火機理和傳統耐火材料有所不同，是利用火災發生時的高溫使硅橡膠燃燒后形成的殘余灰燼形成一層具有一定力學強度的絕緣耐火陶瓷層，利用形成的陶瓷層延緩或者阻止火焰及高溫對內部器件的損害。

　　這種耐火機理使得可瓷化硅橡膠耐火電纜具有生產成本低、重量輕、柔韌性好等優點，從而倍受人們的關注。

　　高嶺土是一種常用的無機礦物填料，具有來源廣泛、成本低、耐高溫性能好等優點，利用高嶺土填充硅橡膠制備可瓷化耐火復合材料可以大大降低硅橡膠復合材料的成本，并提供硅橡膠耐火復合材料的阻燃、耐火性能。

　　本文對高嶺土填充硅橡膠耐火材料的高溫前后拉伸性能、高溫后成瓷性能以及擠出制備電纜的耐火性能進行了研究。

　　1 實驗部分

　　1.1 原材料

　　混煉硅橡膠，半透明，江蘇宏達新材料股份有限公司購買，商品牌號：HD-7841;300目和3000目高嶺土，白色粉末上海高全化工有限公司購買;成瓷填料，實驗室合成。

　　1.2 樣品制備

　　首先將各種填料在鼓風烘箱中120℃下干燥2小時，然后用雙棍開煉機將填料按表1中比例混入硅橡膠中，混合均勻后得到混合好的膠料備用。

　　將膠料中加入硅橡膠重量1%的雙-2，5硫化劑，雙棍開煉機上混合均勻后入模具中，將膠料和模具一起放入平板硫化機上硫化成型，硫化溫度180℃，硫化時間15分鐘，得到可瓷化硅膠片。

　　剪裁出部分可瓷化硅膠片，放入馬弗爐中，經過650℃/1小時+950℃/1小時高溫處理后得到瓷化硅膠片。

　　將膠料中加入硅橡膠重量1.5%的雙-2，4硫化劑，雙棍開煉機上混合均勻后擠包到銅導線上，硫化后等到可瓷化硅橡膠耐火電線。

　　1.3 測試儀器及方法

　　可瓷化硅膠片的拉伸性能用萬能電子拉力機按照GB/T 528測試其高溫前的拉伸強度;瓷化硅膠片的微觀形貌用掃描電鏡觀測;可瓷化硅橡膠耐火電纜的耐火完整性用ZY6014k燃燒機測試。

　　測試方式分為三種：耐火測試，測試條件：將三根耐火電線纏繞成電纜，0.6 kV電壓0.2 A電流950℃丙烷火焰燒蝕下，90分鐘內三根電線彼此以及三根電線和支架之間不發生短路。

　　耐火加震動測試：耐火測試過程中每30秒機械敲擊裝載測試電纜的耐火板一次;耐火加雨淋測試：耐火測試過程中伴隨噴霧雨淋。

　　2 結果與討論

　　2.1 填料對復合材料拉伸強度的影響

　　圖1給出了配方ABCD的拉伸強度數據，為了比較，單純硅橡膠(配方0)的拉伸強度也一并給出。

　　從圖中可以看出，加入填料后可瓷化硅橡膠的拉伸強度比單純硅橡膠的拉伸強度低，其原因可能是填料未經過偶聯劑處理，從而造成填料和基體之間作用力較弱。

　　從配方A和配方C的拉伸強度對比可以看出，相同填充量下，300目的高嶺土相比3000目的高嶺土對硅橡膠的拉伸性能影響較小;從配方B和配方C的對比中可以看出，成瓷填料相比高嶺土對硅橡膠的拉伸性能影響較小。

　　從配方A和配方D的對比中可以看出，降低填料填充量有助于提供可瓷化硅橡膠的拉伸強度，但是從降低成瓷填料的角度去提高可瓷化硅橡膠的拉伸強度效果不大，拉伸強度的主要影響因素是高嶺土。

　　圖1 可瓷化硅膠片的拉伸強度

　　2.2 高溫后成瓷性能分析

　　圖2是配方D瓷化陶瓷片表面和內部的SEM圖像。

　　從圖2(a)中可以看出，陶瓷片表面沒有比較明顯的孔洞，從內部是逸出的部分二氧化硅小球被粘結在表面。

　　這說明高溫過程中，硅橡膠基體分解產生小分子硅氧烷，并且從基體內部逸出，小分子硅氧烷進一步被氧化成二氧化硅，逸出的二氧化硅附著在陶瓷片表面。

　　圖2(b)是陶瓷片內部，從圖中可以看出高嶺土和生成的二氧化硅被成瓷填料粘結在一起，松散的二氧化硅較少，從而使陶瓷片具有了良好的阻隔火焰，降低熱量傳輸的功能，起到良好的保護效果。

　　圖2 配方D陶瓷片表面(a)和內部(b)SEM圖像

　　2.3 擠出電纜耐火性能測試

　　圖3給出了配方D擠出成型的耐火電線的樣品照片，將三根耐火電線纏繞在一起形成耐火電纜測試樣品，按照1.3部分的測試方法測試耐火電纜的耐火性能。

　　測試結果是三種測試方法均通過。

　　這說明配方D制備的耐火電纜具備了良好的耐火性能。

　　圖3 擠出耐火電線樣品照片

　　圖4是耐火電纜測試樣品測試后的照片，照片的左半邊電纜時經過耐火測試后的部分，右半邊是沒有經過耐火測試的部分。

　　從圖4(a)中可以看出，測試過的部分表面附著了一層白色二氧化硅粉末，這層粉末有助于提高線纜的阻隔火焰的能力。

　　圖4(b)是將線纜表面的二氧化硅去除后陶瓷殼層的外表面，從這個圖可以看出，電纜經過高溫前后的體積略有增大，避免了由于體積收縮產生裂紋的問題，有助于提高電纜耐火后的絕緣性。

　　圖4 耐火測試后電纜照片(a)和去除白色粉末后(b)

　　3 結論

　　1)填料的加入會大大降低硅橡膠本身的拉伸強度，其原因可能有兩種，一種是填料添加量過大，另一種是填料本身沒有經過表面處理，造成填料和基體之間結合力較弱。

　　2)可瓷化硅橡膠在高溫下硅膠橡膠基體將熱分解產生大量二氧化硅，部分二氧化硅會逸出復合材料基體從而粘結、附著在形成的陶瓷殼層表面，形成一層二氧化硅阻隔層。

　　3)成瓷填料可以很好的將高嶺土和產生的二氧化硅粘結在一起形成比較致密的陶瓷層，并且體積略有增大，從而賦予耐火電纜優良的耐火、絕緣性能。

　　4 致謝

　　本文的工作受到江蘇省科技支撐計劃-工業部分(項目編號：BE2010148)、上海市科委納米專項—產業化部分(項目編號：12nm0500300)和上海大學創新基金資助。

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