论文总字数：16459字

摘 要

可瓷化高分子基复合材料经烧蚀后产生陶瓷保护层，该陶瓷保护层在外界与被包覆物之间起到耐烧蚀、隔热保护作用，可以用于电线电缆、发动机用高温结构材料等领域。本课题采用三元乙丙橡胶（EPDM）作为基体，研究了高温矿物填料、芳纶浆粕、玄武岩纤维对材料烧蚀前的机械性能、陶瓷化性能、高温隔热性能、线烧蚀性能的影响，发现随高岭土添加量增多，材料在高温（大于900 ℃）下收缩严重，其瓷化性能和耐烧蚀性能不好；芳纶浆粕可以显著改善可瓷化EPDM基橡胶的耐烧蚀和隔热性能，随芳纶浆粕含量的增多，材料致密性越好，线烧蚀率在0.28 mm·s^-1以下；但随芳纶浆粕含量的增多，其高温尺寸稳定性不好，线性收缩率增大，且烧结时会发生弯曲；玄武岩无机纤维由于混炼中被剪断，不能在材料中保持长纤维状态，因而起不到作为矿物骨架降低材料的线烧蚀率、提升材料的隔热性能作用；通过硫化工艺参数的调整，可以提升材料烧蚀前的机械性能；1.1 cm厚的以芳纶浆粕和玄武岩纤维增强的三元乙丙橡胶复合材料在敞开体系经1300 ℃火焰下单面烧蚀5 min，其背面温度保持在120 ℃以下，具有良好的隔热性能。

关键字：陶瓷化；热防护材料；三元乙丙橡胶；芳纶浆粕

Study on Ceramifiable EPDM Composites for High Temperature Thermal Protection

Abstract

The ceramic polymer matrix composite material is ablated to produce a ceramic protective layer, which has ablation and heat insulation protection between the outside and the object to be coated, and can be used for wire and cable, high temperature for engine. Fields such as structural materials. In this paper, EPDM was used as the matrix to study the mechanical properties, ceramization properties, high temperature thermal insulation properties and wire ablation properties of high temperature mineral fillers, aramid pulp and basalt fibers before ablation of materials. Influence, it is found that with the increase of kaolin addition, the material shrinks seriously at high temperature (more than 900 °C), and its ceramic properties and ablation resistance are not good; aramid pulp can significantly improve the ablation resistance of porcelain-coated EPDM-based rubber. And thermal insulation performance, with the increase of aramid pulp content, the better the material compactness, the line ablation rate is below 0.28 mm·s^-1; but with the increase of aramid pulp content, its high temperature dimensional stability is not good. The linear shrinkage rate increases, and bending occurs during sintering; the basalt inorganic fiber is not cut in the material because it is sheared during the kneading, so the wire ablation rate and the lifting material which are the material of the mineral skeleton are not obtained. The thermal insulation performance; the mechanical properties before ablation can be improved by the adjustment of the vulcanization process parameters; the 1.1 cm thick EPDM rubber reinforced with aramid pulp and basalt fiber In the open system, the flame-sided ablation 1300 ℃ 5 min, keeping the temperature below which the back surface 120 ℃, good thermal insulation properties.

Key words: ceramifying; thermal protection materials; EPDM; aramid pulp

目 录

高温热防护可瓷化EPDM基复合材料的研究 I

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 可瓷化高分子基复合材料的发展历史 1

1.3 热防护材料的应用 2

1.4 高温热防护可瓷化EPDM基复合材料配方 2

1.4.1 三元乙丙橡胶基体 2

1.4.2 硫化剂 2

1.4.3 成瓷填料 3

1.4.4 阻燃剂 3

1.4.5 助熔剂 3

1.4.6 纤维 3

1.5 本课题的研究意义和研究内容 4

1.6 本课题的创新之处 4

第二章 实验部分 5

2.1 实验原料与仪器设备 5

2.2 样品制备 5

2.3 工艺流程 6

2.4 性能测试 7

2.4.1 烧蚀测试 7

2.4.2 力学性能测试 7

2.4.3 硫化性能测试 8

2.4.4 隔热性能测试 9

3.1 芳纶浆粕与高岭土对可瓷化EPDM基复合材料烧蚀性能的影响 10

3.1.1 瓷化烧结性能 10

3.2 力学性能 15

3.3 硫化性能 15

3.4 无机纤维对可瓷化EPDM基复合材料的影响 16

3.4.1 瓷化烧结性能 16

3.4.2 线收缩率 17

3.4.3 力学性能 18

3.4.4 高温隔热性能 18

第四章 结论与展望 21

4.1 结论 21

4.2 展望 21

参考文献 22

致谢 24

第一章 绪论

1.1 引言

陶瓷化是一种能保证高分子基复合材料在明火或高温下发生热降解时的致密性的现象。可瓷化高分子基复合材料经高温烧蚀，聚合物基体裂解残留物和陶瓷粉末发生一系列的反应，生成陶瓷层，从而阻止聚合物高温裂解的损耗及挥发物的逸出，同时阻隔外界热量在材料内部传递，起到保护内部材料的作用^[1]。可瓷化高分子基复合材料作为一种崭新的耐烧蚀材料，表现出了良好的阻燃和防火性能，如燃烧过程中低烟，无熔滴滴落现象，热解速率低，燃烧后有陶瓷保护层等特点，在电线电缆、发动机用高温结构材料等领域具有广阔的应用前景^[2]。

1.2 可瓷化高分子基复合材料的发展历史

可瓷化高分子基复合材料研究最早始于20世纪60年代，1964年Popper^[3]作为可瓷化高分子基复合材料研究的先驱者，提出了可瓷化这一概念，但当时并未引起人们的重视，随着航天航空的发展以及生活中对防火、隔热材料的需求，可瓷化聚合物逐渐受到人们重视。目前，对以硅橡胶作为基体的可瓷化聚合物的研究比较多，此外，高分子基体还可以选用三元乙丙橡胶、丁腈橡胶、聚氯乙烯、聚醋酸乙烯酯等。目前，国内外研究人员对可瓷化高分子基复合材料的瓷化机理、填料对性能的影响一展开了一系列的研究^[4-7]。比如，Pedzich等^[8-9]以硅橡胶为研究对象，探讨了不同烧蚀温度下成瓷填料对陶瓷体的微观结构及其对材料性能的影响。Alexander 等^[10]以EVA、EP、NBR、SBS、环氧树脂等为高分子基体，以不同含量的无机磷酸盐、硅酸盐矿物质为成瓷填料，研究了其对瓷化效果的影响。Hanu等^[11]制备了可瓷化硅橡胶，探讨了云母在可瓷化历程中的作用。苏柳梅等^[12]对硅橡胶/黏土可瓷化复合材料的热行为及微观结构进行了研究，指出其瓷化机理主要是液相的桥连作用。贡新浩等^[13]等制备了可瓷化乙烯-醋酸乙烯酯共聚物复合材料，研究了有机蒙脱土对其成瓷性能和阻燃性能的影响。秦岩等^[14] 研究了不同纤维及混杂纤维对可瓷化EPDM复合材料热解产物的性能影响。

目前，国内外对以硅橡胶作为基体的可瓷化高分子基复合材料的研究比较多，除了可瓷化有机硅聚合物复合材料外，对碳基高分子材料的可瓷化研究还比较少。一方面是由于除炭残留物较高的热固性树脂外，以碳链为主的高分子材料高温分解后没有残留物或者残留物极少，不能为高分子热解时提供成瓷物质基础，另一方面是因为热解后的无定形炭很难像SiO₂一样参与陶瓷化共晶反应，甚至有研究认为在聚合物陶瓷化过程中炭层的存在是缺陷，会影响最终的瓷化效果^[15]。

1.3 热防护材料的应用

可瓷化高分子基复合材料经烧蚀后产生陶瓷保护层，该陶瓷保护层在外界与被包覆物之间起到耐烧蚀、隔热保护作用，可以用于电线电缆、发动机用高温结构材料等领域。

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