改性氫氧化鎂/PVC復(fù)合材料的制備*

吳建寧，孟桂花，周勁位，但建明，洪成林

(1石河子大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，新疆石河子832003;2新疆維吾爾自治區(qū)材料化工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子832003)

氫氧化鎂(Mg(OH)2)是一種新型無(wú)機(jī)添加型阻燃劑，具有阻燃、消煙、阻滴、易填充、安全、價(jià)格低的特性，是公認(rèn)的橡塑行業(yè)中具有阻燃、抑煙、填充三重功能的優(yōu)良阻燃劑［1－4］。

盡管Mg(OH)2作為無(wú)機(jī)阻燃劑具有阻燃溫度高、無(wú)毒、抑煙等諸多優(yōu)點(diǎn)［5－7］，但同時(shí)也存在許多問(wèn)題，比如在有機(jī)聚合物基體中的分散、相容性差，影響有機(jī)聚合物的外觀和加工性能等［8－11］。因此，合理的表面處理對(duì)改善Mg(OH)2的分散性和相容性極為重要［12－14］。近年來(lái)，無(wú)機(jī)材料均勻分散在高分子材料中形成的阻燃復(fù)合材料引起了人們極大的興趣。

本課題利用Mg(OH)2為主要原料，對(duì)其進(jìn)行表面改性，制備改性Mg(OH)2，通過(guò)機(jī)械共混，使聚氯乙烯(PVC)和Mg(OH)2熔融共混，提高產(chǎn)品的阻燃性能，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料及儀器

原材料:氫氧化鎂，梧州市富吉達(dá)礦物粉體新材料有限公司;聚氯乙烯樹(shù)脂(PVC)，新疆天業(yè)集團(tuán);硬脂酸鈉，十二烷基硫酸鈉，硬脂酸鋅，鄰苯二甲酸二辛酯等均為分析純。儀器:GX－9070型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，GJ－B12KA高攪機(jī)，ZG－160雙輥開(kāi)煉機(jī)，YP-LH228平板硫化儀，JF－3氧指數(shù)測(cè)定儀，Instron 3366萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，S－360掃描電鏡等。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.2.1 Mg(OH)2粒子的改性

將Mg(OH)2粒子在110℃干燥12h，過(guò)篩。稱取一定量Mg(OH)2，加入去離子水配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%左右的Mg(OH)2漿料，加熱至80℃左右，攪拌速度為1000r/min。待漿料形成后，加入氫氧化鎂量5%左右的改性劑，攪拌熟化2h。抽濾得白色固體，用無(wú)水乙醇、去離子水洗滌多次，在110℃下烘干，過(guò)320目的篩子，得改性氫氧化鎂粒子。

1.2.2 Mg(OH)2/PVC復(fù)合材料的制備

按配方稱取干燥的改性Mg(OH)2和PVC及助劑，在高攪機(jī)中攪拌均勻。然后在雙輥開(kāi)煉機(jī)上塑煉5min～8min，前后輥溫度為150℃ ～160℃，再放入平板硫化儀中壓片，冷卻后裁成啞鈴型備用。

1.3 性能檢測(cè)

1.3.1 改性氫氧化鎂吸油值的測(cè)定

將鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)滴加至0.50g的Mg(OH)2粉體中，用調(diào)墨刀研壓使之成團(tuán)不散，測(cè)定吸收DOP的質(zhì)量即為吸油值。

1.3.2 復(fù)合材料的力學(xué)性能

利用裁片機(jī)按照GB/T 1040－92標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ型進(jìn)行制樣。在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定樣品的拉伸強(qiáng)度，拉伸速度為50mm/min。

1.3.3 復(fù)合材料的氧指數(shù)測(cè)定

利用裁片機(jī)按照GB 2406－80標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制樣。并用氧指數(shù)測(cè)定儀測(cè)定樣品的氧指數(shù)。

2 結(jié)果和討論

2.1 改性劑選擇對(duì)吸油值的影響

實(shí)驗(yàn)選用硬脂酸、硬脂酸鈉和硬脂酸鋅為有機(jī)改性劑，在相同反應(yīng)條件下對(duì)Mg(OH)2進(jìn)行表面改性，并測(cè)試了其吸油值。數(shù)據(jù)如表1。

表1 不同改性劑改性氫氧化鎂的吸油值Table 1 Oil absorbed value of modified Mg(OH)2by different modifiers

從表1可看出，改性前后Mg(OH)2的吸油值有較顯著變化，用不同改性劑改性Mg(OH)2的結(jié)果也不相同。三種改性劑對(duì)Mg(OH)2的改性都使得其吸油值大幅下降，其中硬脂酸鋅改性效果較明顯，其吸油值最低，為33.39%。因此在本實(shí)驗(yàn)中，選擇硬脂酸鋅作為Mg(OH)2的改性劑。

2.2 Mg(OH)2的紅外表征

將未改性的Mg(OH)2和改性后的Mg(OH)2做紅外掃描分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 氫氧化鎂粒子的紅外譜圖Fig.1 IR spectra of Mg(OH)2

由圖 1可以看出，改性后的 Mg(OH)2在3699cm－1、2918cm－1和 2850cm－1處出現(xiàn)了吸收峰。其中，在3699cm－1處出現(xiàn)的強(qiáng)峰是氫氧化鎂-OH的振動(dòng)吸收峰，在2920cm－1和2854cm－1處是硬脂酸鋅分子中的-CH3和-CH2的對(duì)稱和不對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰。但由于改性劑硬脂酸鋅的添加量較少，因此紅外吸收峰不夠明顯。改性后有甲基和亞甲基出現(xiàn)，說(shuō)明硬脂酸鋅和Mg(OH)2進(jìn)行了復(fù)合，改性成功。

2.3 Mg(OH)2的掃描電鏡分析

由圖2和圖3對(duì)比可以看出:改性前Mg(OH)2顆粒大，團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重。改性后的Mg(OH)2顆粒的粒徑減小了，團(tuán)聚現(xiàn)象大大緩解了，Mg(OH)2的分散性得到改善。這是由于Mg(OH)2粉體粒徑小，表面能高，這就使得粒子之間發(fā)生團(tuán)聚以降低表面能，且這種團(tuán)聚是硬團(tuán)聚，即使經(jīng)過(guò)研磨、篩分，粒子之間仍然是以團(tuán)聚體的形式存在，因此粒子團(tuán)聚現(xiàn)象比較嚴(yán)重。由于改性后的Mg(OH)2表面包覆了有機(jī)物，在一定程度上降低了表面能，從而使粒子處于穩(wěn)定狀態(tài)，顆粒之間較為分散，即使是團(tuán)聚在一起的粒子，其相互之間的團(tuán)聚也是軟團(tuán)聚，這種團(tuán)聚極易打開(kāi)。

圖2 未改性氫氧化鎂的掃描電鏡圖Fig.2 SEM of unmodified Mg(OH)2

圖3 改性氫氧化鎂的掃描電鏡圖Fig.3 SEM of modified Mg(OH)2

2.4 改性Mg(OH)2用量對(duì)氧指數(shù)的影響

同一聚合物由于加入不同的助劑其燃燒的難易程度也有變化，當(dāng)PVC中加入增塑劑后，制品往往變得容易燃燒。聚合物的燃燒性可用氧指數(shù)來(lái)表示。氧指數(shù)是試樣像蠟燭狀持續(xù)燃燒時(shí)，在氧－氮混合氣流中所必須的最低氧含量。

由表2所示:隨著改性Mg(OH)2加入量的增加，復(fù)合材料的氧指數(shù)逐漸增大。當(dāng)添加量大于40份時(shí)，制品的氧指數(shù)大于27%，已達(dá)到自熄性材料標(biāo)準(zhǔn)。因此，當(dāng)改性Mg(OH)2添加量為40份時(shí)，已滿足了材料的阻燃效果。

表2 改性氫氧化鎂用量對(duì)氧指數(shù)的影響Table 2 Effect of dosage of Mg(OH)2on oxygen index

2.5 改性Mg(OH)2用量對(duì)力學(xué)性能的影響

以不同用量的改性Mg(OH)2為添加劑和PVC制備復(fù)合材料，測(cè)定改變改性Mg(OH)2用量對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響。結(jié)果如表3所示。

表3 改性氫氧化鎂用量對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響Table 3 Effect of dosage of Mg(OH)2on tensile property

由表3可以看出:隨著改性Mg(OH)2加入量的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)添加量大于40份時(shí)，其拉伸強(qiáng)度下降較大。在不影響其使用性能的要求，改性Mg(OH)2的添加量控制在40%以內(nèi)。這是由于Mg(OH)2為無(wú)機(jī)粒子，又屬于添加型阻燃劑，雖然對(duì)其進(jìn)行了表面的有機(jī)化改性，但其添加量較大，因此其與有機(jī)樹(shù)脂基體界面差異性，因此隨著Mg(OH)2的添加，復(fù)合材料的力學(xué)性能會(huì)有下降。

3 結(jié)論

以Mg(OH)2吸油值為考察指標(biāo)，考察了不同改性劑對(duì)Mg(OH)2粒子的改性效果，確定了最佳的改性劑為硬脂酸鋅。利用紅外說(shuō)明了改性劑與Mg(OH)2粒子復(fù)合成功。掃描電鏡表明，團(tuán)聚現(xiàn)象得到了很好的改善，顆粒分散較均勻。隨著改性Mg(OH)2的添加量不斷增加，氧指數(shù)逐漸增大，但拉伸強(qiáng)度逐漸下降。當(dāng)改性Mg(OH)2添加量為40份時(shí)，綜合性能較好。

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