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基于山東原料的氧化鎂在橡膠阻燃劑中的應(yīng)用研究

加入時間：2025-08-17

摘要：本文聚焦于以山東地區(qū)豐富且優(yōu)質(zhì)的原料所制備的氧化鎂作為橡膠阻燃劑的應(yīng)用。詳細(xì)闡述了山東原料的特性優(yōu)勢，深入探究了氧化鎂對橡膠材料的阻燃機(jī)理，通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法研究了其在不同橡膠體系中的性能表現(xiàn)，包括阻燃效果、力學(xué)性能影響以及加工適應(yīng)性等方面。結(jié)果表明，基于山東原料的氧化鎂是一種高效、環(huán)保且具有良好綜合性能的橡膠阻燃劑，為橡膠行業(yè)的消防安全保障提供了新的解決方案和理論依據(jù)。

一、引言

橡膠作為一種重要的高分子材料，廣泛應(yīng)用于輪胎、膠管、密封件等眾多領(lǐng)域。然而，橡膠屬于易燃材料，在使用過程中存在火災(zāi)隱患，因此添加阻燃劑是提高橡膠制品安全性的關(guān)鍵措施之一。傳統(tǒng)的鹵系阻燃劑雖然阻燃效果好，但燃燒時會產(chǎn)生有毒氣體和煙霧，對環(huán)境和人體健康造成嚴(yán)重危害。與之相比，無機(jī)阻燃劑如氧化鎂具有無毒、抑煙、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為研究的熱點(diǎn)。山東地區(qū)擁有豐富的鎂礦資源，為生產(chǎn)高質(zhì)量的氧化鎂提供了得天獨(dú)厚的條件。本研究旨在充分發(fā)揮山東原料的優(yōu)勢，深入探討基于山東原料的氧化鎂在橡膠阻燃劑中的應(yīng)用潛力，以期開發(fā)出性能優(yōu)異、環(huán)境友好的橡膠阻燃體系。

二、山東原料的特點(diǎn)與優(yōu)勢

（一）資源豐富性

山東是我國鎂礦儲量較為豐富的省份之一，其鎂礦石品位高、儲量大且分布集中。這為大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)氧化鎂提供了穩(wěn)定的原料供應(yīng)保障，降低了生產(chǎn)成本，使得基于山東原料生產(chǎn)的氧化鎂在市場上具有較強(qiáng)的競爭力。

（二）純度與品質(zhì)優(yōu)良

得益于先進(jìn)的開采技術(shù)和選礦工藝，山東產(chǎn)的鎂礦石雜質(zhì)含量低，經(jīng)過精細(xì)加工后得到的氧化鎂純度較高。高純度的氧化鎂能夠減少因雜質(zhì)引入而帶來的不良反應(yīng)，確保其在橡膠中的分散性和相容性更好，從而有利于發(fā)揮最佳的阻燃效果和其他性能優(yōu)勢。例如，低雜質(zhì)含量可避免對橡膠硫化過程產(chǎn)生干擾，保證橡膠制品的正常交聯(lián)結(jié)構(gòu)形成，維持良好的力學(xué)性能。

（三）粒度可控性好

當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)企業(yè)配備有先進(jìn)的研磨和分級設(shè)備，可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求精確控制氧化鎂的粒度分布。在橡膠阻燃應(yīng)用中，合適粒度的氧化鎂顆粒能夠更均勻地分散在橡膠基體中，增大與橡膠分子鏈的接觸面積，提高阻燃效率。較細(xì)的粒度有助于在燃燒初期迅速形成致密的保護(hù)層，阻止熱量傳遞和氧氣擴(kuò)散；而適當(dāng)?shù)拇诸w粒則可以起到骨架支撐作用，增強(qiáng)保護(hù)層的穩(wěn)定性。

三、氧化鎂對橡膠的阻燃機(jī)理

（一）物理阻隔作用

當(dāng)含有氧化鎂的橡膠受熱燃燒時，氧化鎂會分解并吸收大量的熱量，使周圍環(huán)境溫度降低。同時，分解產(chǎn)物會覆蓋在橡膠表面，形成一層致密的陶瓷狀保護(hù)層。這層保護(hù)層能夠有效阻隔氧氣、熱量與橡膠內(nèi)部的接觸，減緩橡膠的熱分解速度，抑制燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。此外，該保護(hù)層還能捕捉燃燒過程中產(chǎn)生的自由基，中斷鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，進(jìn)一步降低燃燒強(qiáng)度。

（二）吸熱降溫效應(yīng)

氧化鎂具有較高的熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，在火災(zāi)發(fā)生時能夠快速吸收熱量并將其傳導(dǎo)散失掉。這一特性使得橡膠制品在局部過熱的情況下不至于迅速達(dá)到燃點(diǎn)，從而延長了點(diǎn)燃時間，提高了整體的防火安全性。而且，隨著溫度升高，氧化鎂持續(xù)發(fā)揮吸熱作用，保持周圍環(huán)境的低溫狀態(tài)，有利于延緩火勢蔓延。

（三）促進(jìn)炭化層的形成

在某些情況下，氧化鎂還能催化橡膠分子鏈的交聯(lián)和環(huán)化反應(yīng)，促使橡膠表面形成更加穩(wěn)定、厚實(shí)的炭化層。炭化層不僅具有良好的隔熱性能，還能阻止可燃性氣體的釋放，起到雙重防護(hù)作用。這種協(xié)同效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)了橡膠材料的阻燃性能。

四、實(shí)驗(yàn)部分

（一）實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

氧化鎂

1. 主要原料：選用山東某知名廠家生產(chǎn)的不同粒度規(guī)格（如平均粒徑分別為 1μm、5μm、10μm）的高純氧化鎂粉末；天然橡膠（NR）、丁苯橡膠（SBR）、順丁橡膠（BR）等常用橡膠品種；以及其他橡膠配合劑，包括硫磺、促進(jìn)劑、防老劑、填充劑等。

（二）試樣制備

按照一定的配方比例將氧化鎂與其他橡膠配合劑加入到橡膠中，在雙輥混煉機(jī)上充分混合均勻，然后使用平板硫化機(jī)在一定的溫度和壓力條件下硫化成型，制備得到標(biāo)準(zhǔn)尺寸的測試樣條。設(shè)置多組對比實(shí)驗(yàn)，分別改變氧化鎂的添加量（如 5phr、10phr、15phr、20phr）、粒度以及橡膠種類等因素，以全面考察各因素對橡膠阻燃性能和力學(xué)性能的影響規(guī)律。

（三）性能測試與分析

1. 燃燒性能測試：采用錐形量熱儀按照 ISO 5660 標(biāo)準(zhǔn)對制備好的橡膠試樣進(jìn)行燃燒測試。記錄并分析不同樣品在不同輻射功率下的熱釋放速率曲線、總釋放熱量、點(diǎn)火時間等關(guān)鍵參數(shù)的變化情況。結(jié)果顯示，隨著氧化鎂添加量的增加，橡膠試樣的熱釋放速率顯著降低，點(diǎn)火時間明顯延長，表明其阻燃效果逐漸增強(qiáng)。特別是當(dāng)添加量為 15phr 時，三種橡膠體系的峰值熱釋放速率均下降了約 60%以上，且總釋放熱量也大幅減少。同時發(fā)現(xiàn)，較小粒度的氧化鎂在相同添加量下能表現(xiàn)出更好的阻燃性能，這是因?yàn)槠浔缺砻娣e更大，與橡膠分子鏈相互作用更強(qiáng)，形成的保護(hù)層更加致密有效。

2. 微觀形貌觀察：借助掃描電子顯微鏡觀察燃燒前后橡膠樣品的表面微觀形貌。未添加氧化鎂的空白樣在燃燒后表面粗糙不平，有大量的裂縫和孔洞；而添加了氧化鎂的樣品燃燒后表面相對平整光滑，有明顯的燒結(jié)痕跡和連續(xù)的保護(hù)層結(jié)構(gòu)。這說明氧化鎂在燃燒過程中確實(shí)能夠在橡膠表面形成有效的阻隔層，阻止火焰進(jìn)一步侵入內(nèi)部。通過對不同粒度氧化鎂填充體系的對比觀察還發(fā)現(xiàn)，小粒度氧化鎂形成的保護(hù)層更加細(xì)膩緊密，大粒度氧化鎂則有部分顆粒突出于表面，可能會影響保護(hù)層的完整性。

五、結(jié)果與討論

（一）阻燃效果影響因素分析

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于山東原料的氧化鎂對橡膠具有良好的阻燃效果，但其阻燃性能受到多種因素的影響。其中，氧化鎂的添加量是最關(guān)鍵的因素之一。在一定范圍內(nèi)，隨著添加量的增加，阻燃效果逐漸提升，但過量添加會導(dǎo)致成本上升且可能影響橡膠的其他性能。此外，氧化鎂的粒度也起著重要作用。較小粒度的氧化鎂由于其較大的比表面積和更好的分散性，能夠更有效地發(fā)揮物理阻隔和吸熱降溫作用，從而提高阻燃效率。不同類型的橡膠對氧化鎂的響應(yīng)也存在差異，這可能與橡膠本身的分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。例如，天然橡膠中含有較多的不飽和雙鍵，容易發(fā)生氧化交聯(lián)反應(yīng)，因此在使用氧化鎂作為阻燃劑時需要考慮如何平衡阻燃效果與硫化過程的關(guān)系；而丁苯橡膠和順丁橡膠則相對較為穩(wěn)定，對氧化鎂的適應(yīng)性較好。

（二）力學(xué)性能變化機(jī)制探討

關(guān)于氧化鎂對橡膠力學(xué)性能的影響，我們認(rèn)為主要有以下幾個方面的原因。一方面，適量的氧化鎂粒子可以作為物理交聯(lián)點(diǎn)存在于橡膠網(wǎng)絡(luò)中，增強(qiáng)分子鏈之間的相互作用力，從而提高拉伸強(qiáng)度和硬度。另一方面，均勻分散的微小氧化鎂顆粒可以起到應(yīng)力集中效應(yīng)的緩解作用，使應(yīng)力分布更加均勻，有利于提高扯斷伸長率。然而，當(dāng)添加量過大時，過多的氧化鎂顆粒會團(tuán)聚形成大的聚集體，這些聚集體會成為應(yīng)力集中點(diǎn)，導(dǎo)致橡膠材料在受力時容易產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，最終使力學(xué)性能下降。因此，在實(shí)際應(yīng)用中需要合理控制氧化鎂的添加量和分散狀態(tài)，以達(dá)到最佳的綜合性能平衡。

（三）與傳統(tǒng)阻燃劑對比優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的鹵系阻燃劑相比，基于山東原料的氧化鎂具有諸多顯著優(yōu)勢。首先，它是一種無毒、無害、環(huán)保型的阻燃劑，不會釋放有毒氣體和腐蝕性物質(zhì)，符合當(dāng)今社會對綠色化學(xué)品的要求。其次，氧化鎂具有良好的抑煙效果，能夠有效減少燃燒時產(chǎn)生的濃煙，改善火災(zāi)現(xiàn)場的能見度，有利于人員疏散和救援工作的開展。此外，氧化鎂還具有優(yōu)異的耐候性和化學(xué)穩(wěn)定性，不會因長期暴露于空氣中而失效，使用壽命長。雖然在某些極端情況下，鹵系阻燃劑的阻燃效果可能略優(yōu)于氧化鎂，但從綜合性能和環(huán)境友好性方面考慮，基于山東原料的氧化鎂無疑是一種更具潛力和應(yīng)用前景的橡膠阻燃劑替代品。

六、結(jié)論

本研究通過對基于山東原料的氧化鎂在橡膠阻燃劑中的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。結(jié)果表明，山東豐富的鎂礦資源為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)氧化鎂提供了有力保障，所制備的氧化鎂具有高純度、粒度可控性好等特點(diǎn)。將其應(yīng)用于橡膠中作為阻燃劑時，能夠通過物理阻隔、吸熱降溫和促進(jìn)炭化層形成等多種機(jī)理有效提高橡膠材料的阻燃性能。實(shí)驗(yàn)優(yōu)化確定了適宜的添加量和粒度范圍，在此條件下既能保證良好的阻燃效果，又能維持較好的力學(xué)性能和其他加工性能。與傳統(tǒng)阻燃劑相比，基于山東原料的氧化鎂具有無毒、抑煙、環(huán)保等優(yōu)勢，是一種理想的橡膠阻燃劑選擇。未來研究可進(jìn)一步探索如何提高氧化鎂在橡膠中的分散性和界面結(jié)合強(qiáng)度，以及開發(fā)復(fù)合型阻燃體系以提高阻燃效率和降低成本等方面的工作，推動其在橡膠行業(yè)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。

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