氫氧化鎂/膨脹石墨復(fù)合材料的制備

高　微,　趙志鳳，　周長(zhǎng)海

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

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氫氧化鎂/膨脹石墨復(fù)合材料的制備

高微,趙志鳳，周長(zhǎng)海

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

為改善膨脹石墨的阻燃性能，以天然鱗片石墨為原料、重鉻酸鉀為氧化劑、濃硫酸為插層劑制備可膨脹石墨，經(jīng)原位滴定法得到氫氧化鎂/膨脹石墨復(fù)合材料。用掃描電子顯微鏡和X射線衍射儀對(duì)樣品進(jìn)行微觀形貌和物相分析。結(jié)果表明，所制備的膨脹石墨為蠕蟲(chóng)多孔結(jié)構(gòu)，氫氧化鎂為六方晶系，形貌為球形，平均粒徑約為250 nm，且氫氧化鎂納米粒子成功負(fù)載于膨脹石墨的邊緣和內(nèi)壁。XRD表征顯示，膨脹石墨的存在并未改變氫氧化鎂的晶型結(jié)構(gòu)。該研究可以為制備氫氧化鎂/膨脹石墨復(fù)合型阻燃劑提供理論參考。

膨脹石墨； 氫氧化鎂； 復(fù)合材料

可膨脹石墨具有耐高溫、耐輻射、耐腐蝕、自潤(rùn)滑和導(dǎo)電性等特點(diǎn)，在阻燃、隱身屏蔽、密封、潤(rùn)滑、電池和軍事領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。近年來(lái)，可膨脹石墨作為阻燃劑已經(jīng)引起研究者的廣泛關(guān)注，可膨脹石墨受熱膨脹后可以得到膨脹石墨。膨脹石墨能夠覆蓋基體的表面，阻礙質(zhì)量和熱量的傳遞，從而隔絕火源、延遲或中斷火焰蔓延，起到阻燃作用[3-4]。

可膨脹石墨作為阻燃劑單獨(dú)使用時(shí)，阻燃效果一般，且會(huì)產(chǎn)生大量的煙和熔滴。因此，需要通過(guò)不同阻燃劑間的協(xié)同作用來(lái)提高阻燃效果。氫氧化鎂由于消煙、阻燃和填充性能好而被稱為“無(wú)鹵”無(wú)機(jī)阻燃劑。此外，因其具有不腐蝕、不揮發(fā)、不產(chǎn)生有毒氣體等特點(diǎn)[5-6]，氫氧化鎂還被認(rèn)為是一種環(huán)境友好型阻燃劑。由于可膨脹石墨與氫氧化鎂的復(fù)合效果直接影響可膨脹石墨與氫氧化鎂的協(xié)同阻燃作用，因此，筆者以膨脹石墨為基體，采用原位滴定法制備氫氧化鎂/膨脹石墨復(fù)合材料，研究氫氧化鎂在膨脹石墨中的分散性以及膨脹石墨的存在對(duì)氫氧化鎂微觀形貌和結(jié)構(gòu)的影響。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1試劑和儀器

試劑：氯化鎂、硫酸、重鉻酸鉀和氫氧化鈉，由國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供，均為分析純；天然鱗片石墨由青島巖海碳材料有限公司提供。

實(shí)驗(yàn)儀器：馬弗爐(XL-1)，由鶴壁市儀表廠有限責(zé)任公司提供；電熱鼓風(fēng)干燥箱(101-OAB)和恒溫水浴鍋(DK-98-ⅡA)，由天津市泰斯特儀器有限公司提供；超聲振蕩儀(VGT-1620T),由天津市瑞普電子儀器公司提供；掃描電子顯微鏡(日本日立S-530)，X射線衍射儀(德國(guó)Bruker D8 Advance)。

1.2樣品制備

以天然鱗片石墨為原料、重鉻酸鉀為氧化劑、濃硫酸為插層劑，通過(guò)化學(xué)法制備可膨脹石墨。可膨脹石墨置于900 ℃馬弗爐內(nèi)膨脹30 s即得膨脹石墨[7]。

稱取一定量的膨脹石墨置于氯化鎂溶液中，超聲振蕩10 min，在攪拌條件下向體系內(nèi)滴加氫氧化鈉溶液，滴速為10 滴/min。室溫條件下反應(yīng)2 h后，抽濾，洗滌，干燥，得到氫氧化鎂/膨脹石墨復(fù)合材料。

采用同樣方法制備氫氧化鎂，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

2　結(jié)果與討論

2.1膨脹石墨的表征

2.1.1SEM分析

為研究膨脹石墨的微觀形貌，圖1給出了所制備膨脹石墨(膨脹體積為226 mL/g)的掃描電鏡照片。由圖1可見(jiàn)，膨脹石墨為蠕蟲(chóng)狀形貌，且由許多平行坍塌的片層構(gòu)成了疏松多孔的結(jié)構(gòu)。膨脹石墨的表面孔是由大、中、小尺寸的狹縫形成的，衍生出不同的多邊形柱或楔形孔，其內(nèi)部的孔有開(kāi)放孔、封閉孔和半封閉孔。此外，膨脹石墨顆粒是由許多不規(guī)則橢球形的小微胞排列而成，且微胞間的表面以V形裂開(kāi)。

圖1　膨脹石墨的SEM照片

2.1.2XRD分析

圖2為膨脹石墨XRD圖譜。為研究膨脹石墨的晶體結(jié)構(gòu)，對(duì)所制樣品進(jìn)行X射線衍射分析。從圖2中可以清晰地看出，在2θ為26.4°和54.5°時(shí)，分別出現(xiàn)了衍射峰，但強(qiáng)度不同。其中，在2θ=26.4°出現(xiàn)的衍射峰歸屬于石墨結(jié)構(gòu)中微晶(002)晶面，面間距是0.338 nm。在2θ=54.5°出現(xiàn)的衍射峰，面間距為0.168 nm，這說(shuō)明膨脹石墨各層間的插層比較完全。此外，圖2中特征峰的峰形較尖、較強(qiáng)，說(shuō)明膨脹石墨的結(jié)晶完全有序，且內(nèi)部排列規(guī)整。

圖2　膨脹石墨的XRD圖譜

2.2氫氧化鎂/膨脹石墨復(fù)合材料的表征

2.2.1SEM分析

為研究膨脹石墨與氫氧化鎂的復(fù)合效果，對(duì)樣品進(jìn)行SEM分析。圖3a、b分別為氫氧化鎂和氫氧化鎂/膨脹石墨復(fù)合材料的掃描電鏡照片。由圖3a可以清晰看出，所制備氫氧化鎂的形貌為球形，粒徑為200～300 nm，分布較均勻。由圖3b可見(jiàn)，氫氧化鎂粒子較好地分散在膨脹石墨的層間隙，且互相沒(méi)有影響。

a　氫氧化鎂

b　氫氧化鎂/膨脹石墨

2.2.2XRD分析

圖4給出了各樣品的XRD圖譜。圖4a為氫氧化鎂，圖4b為氫氧化鎂/膨脹石墨。與氫氧化鎂的標(biāo)準(zhǔn)衍射譜對(duì)照，發(fā)現(xiàn)所制備氫氧化鎂為六方晶型，

a　氫氧化鎂

b　氫氧化鎂/膨脹石墨

其中在2θ為18.527°、32.877°、37.983°、50.785°、58.669°、62.114°與68.213°處的衍射峰屬于六方晶系氫氧化鎂的(001)、(100)、(101)、(102)、(110)、(111)和(200)晶面[8]。由圖4b可見(jiàn)，膨脹石墨和氫氧化鎂的特征峰同時(shí)存在，表明六方晶系的氫氧化鎂與膨脹石墨復(fù)合成功，與掃描電鏡的結(jié)果相一致，膨脹石墨的存在并未改變氫氧化鎂的晶型。

3　結(jié)束語(yǔ)

筆者以天然鱗片石墨為原料、濃硫酸為插層劑、重鉻酸鉀為氧化劑，采用化學(xué)法制備可膨脹石墨，高溫膨化得到膨脹石墨。所制備的膨脹石墨為蠕蟲(chóng)狀，具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，膨脹體積為226 mL/g。為了增強(qiáng)膨脹石墨的阻燃性能，采用原位滴定法制備了氫氧化鎂/膨脹石墨復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，所制備氫氧化鎂為六方晶系結(jié)構(gòu)，微觀形貌為球形，粒徑約為250 nm。復(fù)合材料的SEM和XRD結(jié)果表明，氫氧化鎂成功負(fù)載于膨脹石墨的邊緣和內(nèi)壁，且膨脹石墨的存在并未改變氫氧化鎂的晶型結(jié)構(gòu)。

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(編輯王冬)

Preparation and characterization of magnesium hydroxide/exfoliated-graphite composites

GAOWei,ZHAOZhifeng,ZHOUChanghai

(School of Materials Science & Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper attempts to improve the flame retardant properties of the expandable graphite. The improvement is realized by preparing expandable graphite using natural flake graphite as raw materials, sulfuric acid as the intercalating agent, and potassium dichromate as oxidant and applying high-temperature puffing technique; and ultimately preparing magnesium hydroxide/exfoliated-graphite composites using situ titration method. Characterizing the products by scanning electron microscopy(SEM) and X-ray powder diffraction(XRD) shows that exfoliated-graphite has a porous and worm-like structure; magnesium hydroxide occurs as a hexagonal system with a spherical morphology and an average particle size of 250 nm; magnesium hydroxide nanoparticles are successfully loaded on the edge of the exfoliated-graphite and the lining; and the existence of the expanded graphite affords no change in the crystal structure of magnesium hydroxide. The research may provide a theoretical reference for the preparation of magnesium hydroxide/exfoliated-graphite flame retardant.

exfoliated-graphite; magnesium hydroxide; composites

2016-02-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51501058)；黑龍江省青年科學(xué)基金項(xiàng)目(QC2015011)；哈爾濱市應(yīng)用技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(2015RQXXJ004)

高微(1985-)，女，黑龍江省哈爾濱人，講師，博士，研究方向：無(wú)機(jī)非金屬，E-mail：g9w9y9s9@sina.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.02.004

TQ314.248

2095-7262(2016)02-0131-03

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