Gummimaterialien wurden aufgrund ihrer hervorragenden Elastizität, Verschleißfestigkeit und Isolationseigenschaften in verschiedenen Bereichen wie Automobil, Bau, Elektronik und Luft- und Raumfahrt weit verbreitet. Aufgrund der organischen Polymerstruktur von Gummi ist es jedoch leicht, bei hohen Temperaturen oder im Brandfall zu verbrennen, wodurch eine große Menge an Wärme und giftigem Rauch freigesetzt wird, was eine ernsthafte Bedrohung für die Sicherheit und Ausrüstung des Personals darstellt. Daher ist die Verbesserung der Flammschutzfähigkeit von Gummiprodukten zu einem wichtigen Leistungsindikator geworden. Dieser Artikel wird systematisch die Schlüsselelemente der flammhemmenden Kautschuktechnologie vorstellen, einschließlich flammhemmender Standardsysteme, Analyse flammhemmender Mechanismen, Formeldesign, praktische Anwendungsfälle und zukünftige Entwicklungstrends, mit dem Ziel, umfassende technische Referenzen für Kautschuktechniker bereitzustellen.

1,5Gummi flammhemmendes Standardsystem

Der Flammschutzstandard ist die Rechtsgrundlage für die Bewertung der Flammschutzleistung von Materialien und deckt Parameter wie Verbrennungsrate, Rauchtoxizität und Tröpfchenverhalten ab. Im Folgenden sind die wichtigsten globalen flammhemmenden Standardklassifizierungen für Kautschuk und ihre Eigenschaften aufgeführt:

Internationale Norm

UL 94 (Underwriters Laboratories Standard)

Sortierung: HB (horizontale Verbrennung), V-0/V-1/V-2 (vertikale Verbrennung), 5VA/5VB (hohe Flammenaufprall).

Testbedingungen: Probengröße (125 × 13 × 3 mm), Verbrennungszeit (zwei 10-Sekunden-Zündungen), Restflammenzeit und Tröpfchenbestimmung.

Anwendung: Elektronische und elektrische Gehäuse, Kabelhüllen, etc.

ISO 4589 (Internationale Organisation für Normung)

Oxygen Index (LOI)-Methode: Bestimmen Sie die minimale Sauerstoffkonzentration, die zur Aufrechterhaltung der Verbrennung erforderlich ist (LOI ≥ 28% für selbstlöschende Materialien).

Anwendungsbereich: Quantifizieren Sie die Flammschutzklasse von Materialien, die für die Laborgrundlagenforschung geeignet sind.

IEC 60332 (International Electrotechnical Commission Standard)

Kabel flammhemmende Prüfung: einschließlich einzelner vertikaler Verbrennung (IEC 60332-1) und gebündelter Verbrennung (IEC 60332-3).

Schlüsselparameter: Karbonisierungshöhe, Flammenausbreitungsgeschwindigkeit.

Branchenspezifische Normen

FMVSS 302 (Automotive Interior Materials)

Brennende Rate Anforderung: Horizontale brennende Rate ≤ 100 mm/min, benutzt für Autositze, Instrumententafeln, etc.

EN 45545 (Eisenbahntransit)

Sortiersystem: R1-R26-Werte, umfassende Bewertung der Wärmefreisetzung, Rauchdichte und Toxizität (wie CO- und HCN-Konzentrationen).

Chinesische nationale Normen

GB/T 2408 (Vertikale Verbrennungsprüfung)

Klassifizierung: FV-0/FV-1/FV-2， Ähnlich wie UL 94, aber mit strengeren Parametern.

GB/T 8627 (Rauchdichte von Baustoffen)

Zusätzlicher Test der Rauchtoxizität: Quantifizieren Sie Rauchdichteniveau durch Lichtabsorptionsmethode (SDR ≤ 75 ist qualifiziert).

2,Gummi flammhemmender Mechanismus und technischer Weg

Die Essenz der Flammschutzfähigkeit besteht darin, die Verbrennungskettenreaktion durch physikalische oder chemische Mittel zu unterbrechen, und der spezifische Mechanismus umfasst:

Gasphasen-Flammschutzmittel: setzt inerte Gase (wie H ₂ O, CO ₂) frei, um Sauerstoff zu verdünnen oder fängt freie Radikale (· OH, · H) ein, um die Flammenausbreitung zu unterdrücken.

Flammschutzmittel in kondensierter Phase: bildet eine Kohlenstoffschicht, um Wärme und Sauerstoff zu isolieren (wie Phosphatester, der die Karbonisierung fördert).

Kühleffekt: Die endotherme Zersetzung reduziert die Oberflächentemperatur des Materials (wie die endotherme Zersetzung von Aluminiumhydroxid, das 1.96 kJ/g absorbiert).

Klassifizierung der flammhemmenden Technologie:

Additiv flammhemmend: direkt mit Gummi gemischt (geringe Kosten, aber kann mechanische Eigenschaften beeinträchtigen).

Reaktive Flammschutzmittel: Beteiligung an der Vulkanisation durch chemische Bindung (mit guter Haltbarkeit und komplexem Prozess).

Synergistisches System: Mehrkomponenten-Synergie erhöht die Effizienz (wie das "Halogen-Antimon"-System erhöht die Effizienz um das 3-5-fache).

3,5Schlüsselpunkte der flammhemmenden Formel Design aus Gummi

Auswahl und Änderung des Substrats

Polarkautschuk: wie NBR (LOI kann 28% bei Acrylnitrilgehalt erreichen>33%) CR (enthält Cl-Atome, mit inhärenter Flammhemmung).

Unpolarer Kautschuk: EPDM erfordert die Zugabe eines hohen Anteils an Flammschutzmitteln (normalerweise ≥ 60 phr), der die Verträglichkeit durch Pfropfen polarer Monomere (wie MAH) verbessern kann.

Konstruktion des flammhemmenden Systems

anorganische Flammschutzmittel

Aluminiumhydroxid (ATH): Die Zusatzmenge sollte ≥ 60 phr sein, die Zersetzungstemperatur sollte 180-200 ℃ sein, und es ist für Niedrigtemperatur-Vulkanisationssysteme geeignet.

Magnesiumhydroxid (MH): hat eine höhere thermische Stabilität (Zersetzungstemperatur 340 ℃), erfordert aber Oberflächenmodifikation (Silankoppelungsmittel), um die Dispergierbarkeit zu verbessern.

Halogeniertes Flammschutzmittel

Decabromodiphenylether (DBDPO): Mit einem Br-Gehalt von 83%, zeigt es eine synergistische Wirkung mit Sb ₂ O3 im Verhältnis von 3:1, unterliegt aber RoHS-Vorschriften.

Chloriertes Wachs (Cl-70): Geringe Kosten, aber leicht zu migrieren und ausfällen.

Phosphorstickstoff schwer entflammbar

Ammoniumpolyphosphat (APP): der Kern eines expandierbaren flammhemmenden Systems, das mit Pentaerythritol (PER) zur Förderung der Karbonisierung verbunden ist.

Melamincyanurat (MCA): Es hat sowohl flammhemmende als auch schmierende Funktionen und ist für dünnwandige Produkte geeignet.

Nanoflammhemmend

Schichtes Silikat (MMT): Die Zugabe von 2-5 phr kann die Gasdiffusion durch den "Labyrinth-Effekt" verzögern.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs): haben doppelte Funktionen der Leitfähigkeit und Flammschutzfähigkeit, erfordern aber hohe Dispersionsprozesse.

Synergieeffekte und Compoundierungsstrategien

Das "Halogenantimon"-System hat die höchste Effizienz bei der Abscheidung freier Radikale, wenn das Br/Sb Molverhältnis 3:1 beträgt.

Das Expansionssystem "Phosphorstickstoff": Wenn das Massenverhältnis von APP/PER/MCA 3:1:1 ist, wird die Karbonisierungsrate um 40%.

Synergistische Wirkung von Metallhydroxid: Durch Mischen von ATH/MH in einem 1:1-Verhältnis können Verarbeitungstemperatur und Flammschutzeffizienz ausgeglichen werden.

Optimierung der Prozessanpassungsfähigkeit

Mischprozess: Flammschutzmittel müssen Schritt für Schritt hinzugefügt werden (zuerst anorganisch, später organisch), um Zersetzung durch Scherung bei hoher Temperatur zu vermeiden.

Schwefelungssystem: Peroxidvulkanisation (wie DCP) ist hitzebeständiger als Schwefelsystem und reduziert das Risiko der thermischen Zersetzung von Flammschutzmitteln.

Verarbeitungshilfen: Die Zugabe von 2-5 Phr Polyethylenwachs kann die Dispersion von Flammschutzmitteln verbessern und Mooney Viskosität reduzieren.

Leistungsbilanz und Kostenkontrolle

Mechanische Leistungskompensation: Fügen Sie weißen Ruß (15-30 phr) oder kurze Fasern (Aramidfasern) hinzu, um den Festigkeitsverlust durch Flammschutzmittel auszugleichen.

Alterungsbeständiges Design: Kombiniert mit Antioxidantien (wie RD/TMQ) und UV-Absorbern (wie UV-531), um die Lebensdauer zu verlängern.

Kostenoptimierung: ATH/MH Mischfüllung (mit 30% Kostensenkung im Vergleich zu reinen halogenierten Systemen) oder die Verwendung von recycelten Kautschukmatrix.

4,Sachverhaltsanalyse

Fall 1: Dichtungsband für Elektrofahrzeugbatteriepack (EPDM Substrat)

Anforderungshintergrund: Der Batteriesatz muss flammhemmende Bewertung UL 94 V-0 erfüllen, Temperaturschwankungen von -40 ℃ bis 150 ℃ standhalten und raucharm und ungiftig sein.

Formeldesign:

Substratmodifikation: EPDM (ENB-Typ) mit hohem Acrylnitrilgehalt wird verwendet, um die Polarität und Kompatibilität mit Flammschutzmitteln zu verbessern.

Flammschutzsystem:

Hauptflammhemmend: Magnesiumhydroxid (MH) 70 phr (Zersetzungstemperatur 340 ℃, passend für Hochtemperaturbedingungen);

Synergistisches Mittel: Ammoniumpolyphosphat (APP) 15 phr+melamin (MEL) 5 phr, die eine expandierte Kohlenstoffschicht bildet;

Rauchunterdrücker: Ammoniummolybdat (3 phr) hemmt die Bildung von CO und HCN.

Prozessoptimierung:

Mischprozess: MH wird in zwei Stufen hinzugefügt (eine Stufe wird bei 60 ℃ im internen Mischer vorgemischt, und die zweite Stufe wird im offenen Mischer verteilt);

Schwefelungssystem: Peroxid DCP 2.5 phr+Vernetzungsmittel TAIC 1 phr, um die Erzeugung von sauren Gasen im Schwefelsystem zu vermeiden.

Leistungsergebnisse:

LOI ≥ 32%, UL 94 V-0 (3mm Stärke);

Rauchdichte Ds ≤ 50 (NBS-Test), Toxizitätsindex ITC ＜ 1.0 (EN 45545-2);

Die Zugfestigkeit bleibt ≥ 8 MPa (verringert um ≤ 20% im Vergleich zur nicht flammhemmenden Formel).

Fall 2: Bergbauförderband Abdeckkleber (NBR/PVC Mischsubstrat)

Anforderungshintergrund: Es ist erforderlich, den Bergbau-flammhemmenden Standard MT 914-2008 (Alkoholsprühlampenverbrennungszeit ≤ 30 Sekunden) zu erfüllen und antistatische Funktion zu haben.

Formeldesign:

Substratauswahl: NBR/PVC (70/30) Mischung, unter Verwendung der Flammschutzfähigkeit von PVC und der Ölbeständigkeit von NBR.

Flammschutzsystem:

Hauptflammhemmend: Decabromodiphenylethan (DBDPE) 20 phr+Sb ₂ O ∙ 6 phr (halogenantimon synergistische Wirkung);

Hilfsflammhemmend: Zinkborat (4 phr) hemmt das Schwelen, während Ruß (35 phr) sowohl verstärkende als auch leitende Funktionen hat;

Antistatisches Mittel: Quartäre Ammoniumsalz-ionische Flüssigkeit (2 phr), Oberflächenwiderstand ≤ 1 × 10 Ω.

Kernpunkte des Prozesses:

Mischungstemperaturkontrolle: PVC plastifizierender Abschnitt ≤ 160 ℃ um NBR thermischen Abbau zu verhindern;

Schwefelungsbedingungen: Schwefel+Beschleuniger DM-System, 150 ℃ × 20 min.

Leistungsergebnisse:

Die Verbrennungszeit des Blasbrenners beträgt ≤ 25 Sekunden, und es gibt keine geschmolzenen Tröpfchen;

Oberflächenwiderstand 3 × 10 Ω, Verschleißmenge ≤ 0.2 cm ³/1.61 km;

Die Migrationsrate des Flammschutzmittels ist weniger als 0.1% (nach Alterung an 70 ℃ für 168 Stunden).

Der Entwicklungstrend der flammhemmenden Gummi-Technologie besteht darin, das beste Gleichgewicht zwischen Sicherheit, Leistung und Umweltfreundlichkeit zu suchen. Derzeit wurden erhebliche Fortschritte in den Bereichen halogenfreie Expansionsflammhemmende Systeme, Nanoverbundtechnologie und biobasierte Flammschutzmittel erzielt, aber Herausforderungen wie Kosten, Prozesskompatibilität und Standardisierung müssen noch vor großflächiger Anwendung angegangen werden. In Zukunft wird bei flammwidrigem Design mehr Wert auf Nachhaltigkeit über den gesamten Lebenszyklus gelegt.

Rubber materials have been widely used in various fields such as automotive, construction, electronics, and aerospace due to their excellent elasticity, wear resistance, and insulation properties. However, due to the organic polymer structure of rubber, it is easy to burn at high temperatures or in the event of fire, releasing a large amount of heat and toxic smoke, which poses a serious threat to personnel safety and equipment. Therefore, improving the flame retardancy of rubber products has become a key performance indicator. This article will systematically introduce the key elements of rubber flame retardant technology, including flame retardant standard system, flame retardant mechanism analysis, formula design, practical application cases, and future development trends, aiming to provide comprehensive technical references for rubber engineers.

1、 Rubber flame retardant standard system

The flame retardant standard is the legal basis for evaluating the flame retardant performance of materials, covering parameters such as combustion rate, smoke toxicity, and droplet behavior. The following are the main global rubber flame retardant standard classifications and their characteristics:

International standard

UL 94 (Underwriters Laboratories Standard)

Grading: HB (horizontal combustion), V-0/V-1/V-2 (vertical combustion), 5VA/5VB (high flame impact).

Test conditions: sample size (125 × 13 × 3 mm), combustion time (two 10 second ignitions), residual flame time, and droplet determination.

Application: Electronic and electrical enclosures, cable sheaths, etc.

ISO 4589 (International Organization for Standardization standard)

Oxygen Index (LOI) method: Determine the minimum oxygen concentration required to maintain combustion (LOI ≥ 28% for self extinguishing materials).

Scope of application: Quantify the flame retardant rating of materials, suitable for laboratory basic research.

IEC 60332 (International Electrotechnical Commission Standard)

Cable flame retardant testing: including single vertical burning (IEC 60332-1) and bundled burning (IEC 60332-3).

Key parameters: carbonization height, flame propagation speed.

Industry specific standards

FMVSS 302 (Automotive Interior Materials)

Burning rate requirement: Horizontal burning rate ≤ 100 mm/min, used for car seats, instrument panels, etc.

EN 45545 (Rail Transit)

Grading system: R1-R26 levels, comprehensively evaluating heat release, smoke density, and toxicity (such as CO and HCN concentrations).

Chinese National Standards

GB/T 2408 (Vertical Combustion Test)

classification: FV-0/FV-1/FV-2， Similar to UL 94 but with stricter parameters.

GB/T 8627 (Smoke Density of Building Materials)

Smoke toxicity additional test: Quantify smoke density level through light absorption method (SDR ≤ 75 is qualified).

2、 Rubber flame retardant mechanism and technical path

The essence of flame retardancy is to interrupt the combustion chain reaction through physical or chemical means, and the specific mechanism includes:

Gas phase flame retardant: releases inert gases (such as H ₂ O, CO ₂) to dilute oxygen, or captures free radicals (· OH, · H) to suppress flame propagation.

Condensed phase flame retardant: forms a carbon layer to isolate heat and oxygen (such as phosphate ester promoting carbonization).

Cooling effect: The endothermic decomposition reduces the surface temperature of the material (such as the endothermic decomposition of aluminum hydroxide, which absorbs 1.96 kJ/g).

Classification of flame retardant technology:

Additive flame retardant: directly blended with rubber (low cost, but may affect mechanical properties).

Reactive flame retardants: participate in vulcanization through chemical bonding (with good durability and complex process).

Synergistic system: Multi component synergy enhances efficiency (such as the "halogen antimony" system increasing efficiency by 3-5 times).

3、 Key points of rubber flame retardant formula design

Substrate selection and modification

Polar rubber: such as NBR (LOI can reach 28% when acrylonitrile content>33%), CR (containing Cl atoms, with inherent flame retardancy).

Non polar rubber: EPDM requires the addition of a high proportion of flame retardant (usually ≥ 60 phr), which can improve compatibility by grafting polar monomers (such as MAH).

Flame retardant system design

inorganic flame-retardant

Aluminum hydroxide (ATH): The addition amount should be ≥ 60 phr, the decomposition temperature should be 180-200 ℃, and it is suitable for low-temperature vulcanization systems.

Magnesium hydroxide (MH): has higher thermal stability (decomposition temperature 340 ℃), but requires surface modification (silane coupling agent) to improve dispersibility.

Halogenated flame retardant

Decabromodiphenyl ether (DBDPO): With a Br content of 83%, it exhibits a synergistic effect with Sb ₂ O3 in a ratio of 3:1, but is subject to RoHS regulations.

Chlorinated wax (Cl-70): Low cost, but easy to migrate and precipitate.

Phosphorus nitrogen flame retardant

Ammonium polyphosphate (APP): the core of an expandable flame retardant system, compounded with pentaerythritol (PER) to promote carbonization.

Melamine cyanurate (MCA): It has both flame retardant and lubricating functions, and is suitable for thin-walled products.

Nano flame retardant

Layered silicate (MMT): Adding 2-5 phr can delay gas diffusion through the "maze effect".

Carbon nanotubes (CNTs): have dual functions of conductivity and flame retardancy, but require high dispersion processes.

Synergistic effects and compounding strategies

The "halogen antimony" system has the highest free radical capture efficiency when the Br/Sb molar ratio is 3:1.

The "phosphorus nitrogen" expansion system: When the mass ratio of APP/PER/MCA is 3:1:1, the carbonization rate is increased by 40%.

Metal hydroxide synergistic effect: Mixing ATH/MH in a 1:1 ratio can balance processing temperature and flame retardant efficiency.

Optimization of process adaptability

Mixing process: Flame retardants need to be added step by step (inorganic first, organic later) to avoid decomposition caused by high temperature shear.

Sulfurization system: Peroxide vulcanization (such as DCP) is more heat-resistant than sulfur system, reducing the risk of thermal decomposition of flame retardants.

Processing aids: Adding 2-5 phr of polyethylene wax can improve the dispersion of flame retardants and reduce Mooney viscosity.

Performance balance and cost control

Mechanical performance compensation: Add white carbon black (15-30 phr) or short fibers (aramid fibers) to compensate for the strength decrease caused by flame retardants.

Aging resistant design: Combined with antioxidants (such as RD/TMQ) and UV absorbers (such as UV-531) to extend lifespan.

Cost optimization: ATH/MH mixed filling (with a 30% reduction in cost compared to pure halogenated systems) or the use of recycled rubber matrix.

4、 Actual case analysis

Case 1: Sealing strip for electric vehicle battery pack (EPDM substrate)

Requirement background: The battery pack needs to meet UL 94 V-0 flame retardant rating, withstand temperature fluctuations from -40 ℃ to 150 ℃, and be low smoke and non-toxic.

Formula design:

Substrate modification: EPDM (ENB type) with high acrylonitrile content is used to enhance polarity and compatibility with flame retardants.

Flame retardant system:

Main flame retardant: Magnesium hydroxide (MH) 70 phr (decomposition temperature 340 ℃, suitable for high temperature conditions);

Synergistic agent: Ammonium polyphosphate (APP) 15 phr+melamine (MEL) 5 phr, forming an expanded carbon layer;

Smoke suppressant: Ammonium molybdate (3 phr) inhibits the generation of CO and HCN.

Processing optimization:

Mixing process: MH is added in two stages (one stage is pre mixed at 60 ℃ in the internal mixer, and the second stage is dispersed in the open mixer);

Sulfurization system: Peroxide DCP 2.5 phr+crosslinking agent TAIC 1 phr, to avoid the generation of acidic gases in the sulfur system.

Performance results:

LOI ≥ 32%, UL 94 V-0 (3mm thickness);

Smoke density Ds ≤ 50 (NBS test), toxicity index ITC ＜ 1.0 (EN 45545-2);

The tensile strength remains ≥ 8 MPa (decreased by ≤ 20% compared to the non flame retardant formula).

Case 2: Mining conveyor belt covering adhesive (NBR/PVC blend substrate)

Requirement background: It is required to comply with the MT 914-2008 mining flame retardant standard (alcohol spray lamp combustion time ≤ 30 seconds) and have anti-static function.

Formula design:

Substrate selection: NBR/PVC (70/30) blend, utilizing the flame retardancy of PVC and the oil resistance of NBR.

Flame retardant system:

Main flame retardant: Decabromodiphenyl ethane (DBDPE) 20 phr+Sb ₂ O ∝ 6 phr (halogen antimony synergistic effect);

Auxiliary flame retardant: Zinc borate (4 phr) inhibits smoldering, while carbon black (35 phr) has both reinforcing and conductive functions;

Antistatic agent: Quaternary ammonium salt ionic liquid (2 phr), surface resistance ≤ 1 × 10 ΩΩ.

Key points of the process:

Blending temperature control: PVC plasticizing section ≤ 160 ℃ to prevent NBR thermal degradation;

Sulfurization conditions: sulfur+accelerator DM system, 150 ℃ × 20 min.

Performance results:

The combustion time of the blowtorch is ≤ 25 seconds, and there are no molten droplets;

Surface resistance 3 × 10 ΩΩ, wear amount ≤ 0.2 cm ³/1.61 km;

The migration rate of flame retardant is less than 0.1% (after aging at 70 ℃ for 168 hours).

The development trend of rubber flame retardant technology is to seek the best balance between safety, performance, and environmental friendliness. At present, significant progress has been made in the fields of halogen-free expansion flame retardant systems, nanocomposite technology, and bio based flame retardants, but challenges such as cost, process compatibility, and standardization still need to be addressed before large-scale application. In the future, flame retardant design will place greater emphasis on sustainability throughout the entire lifecycle.