鈣礬石制備阻燃劑的可行性研究

劉樂 劉曉娟 陳建印 趙昕

（棗莊中聯(lián)水泥有限公司）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)實力的不斷提高，合成材料的應(yīng)用也越來越廣泛，在家電、建筑、電子設(shè)備、化工、裝修、交通等領(lǐng)域有著不可替代的作用，因此也給阻燃劑開辟了前所未有的市場[1-3]。我國阻燃劑的發(fā)展起步較晚，產(chǎn)品形式單一，目前我國所使用的阻燃劑80%以上是有機(jī)類阻燃劑，該類阻燃劑發(fā)煙量大、具有毒性、污染環(huán)境，與我國現(xiàn)在所倡導(dǎo)的綠色經(jīng)濟(jì)、環(huán)保生產(chǎn)背道而馳，相反無機(jī)類阻燃劑則具有環(huán)保、高效、低毒的效果，但產(chǎn)品形式較為單一，使用最多的是氫氧化鎂和氫氧化鋁阻燃劑[4-5]。

鈣礬石是一種含水硫鋁酸鹽礦物，簡稱AFt，其化學(xué)式為3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，AFt 中含有32 個結(jié)晶水，與正在使用的氫氧化鎂、氫氧化鋁等阻燃劑相比，其含有的結(jié)晶水更多，理應(yīng)會有更加明顯的阻燃效果，因此本研究致力于將鈣礬石用于制備一種新型的阻燃劑材料[6]。

1 鈣礬石制備

采用溶液合成的方法制備鈣礬石，其步驟為將一定質(zhì)量的Ca(OH)2和Al2(SO4)3·18H2O 分別置于去離子水中充分?jǐn)嚢枞芙夂?，將Al2(SO4)3·18H2O 溶液緩緩倒入Ca(OH)2溶液中進(jìn)行反應(yīng)，試驗過程中保持室溫25℃左右，其化學(xué)反應(yīng)方程式為：

待溶液反應(yīng)完全后，對混合液進(jìn)行抽濾得到AFt，將制備的AFt 試樣進(jìn)行XRD 衍射和掃描電鏡分析，其圖譜如圖1 所示：

圖1 鈣礬石XRD 圖譜和SEM 照片

從圖1 中的XRD 圖譜中可以看出，其衍射峰大多為AFt 的衍射峰，只有很少一部分CaCO3的衍射峰，即溶液合成法制備的鈣礬石較純，其生成產(chǎn)物大多為AFt，從SEM 照片中可以看出，生成的鈣礬石結(jié)晶有的比較粗大，有的比較細(xì)小，呈針棒狀，晶體之間交錯生長，有大量的連接孔道。

2 鈣礬石改性

鈣礬石是一種無機(jī)化合物，與普通的氫氧化鋁、氫氧化鎂阻燃劑有著相同的特性，與有機(jī)材料結(jié)合的性能較差，如果直接添加，添加量大，而且會影響復(fù)合材料的機(jī)械性能和加工性能，阻燃效率不高，所以需要對其進(jìn)行改性處理，以求提高其與有機(jī)材料的結(jié)合能力。選取三種不同類型的偶聯(lián)劑，分別為硅烷偶聯(lián)劑（KH-570）、酞酸酯偶聯(lián)劑、二丙二醇甲醚DPM 偶聯(lián)劑對鈣礬石進(jìn)行了改性試驗。

采用濕法改性的方法，即將鈣礬石加入適量的去離子水使之成為漿體，再將已經(jīng)用無水乙醇稀釋到一定濃度的偶聯(lián)劑倒入鈣礬石漿體中，攪拌均勻，反應(yīng)完全后，抽濾掉溶液即可得到改性后的鈣礬石，改性劑的用量為鈣礬石質(zhì)量的1.0%。改性后的鈣礬石在無水乙醇中的分散情況如圖2 所示：

圖2 改性前后鈣礬石在無水乙醇中的分散情況

從圖2 中可以看出，鈣礬石未改性前，在無水乙醇溶液中分層明顯，完全不能分散于溶液中，全部沉淀在燒杯底部；經(jīng)過偶聯(lián)劑改性后的鈣礬石，可以部分分散于無水乙醇溶液中，致使溶液變得渾濁，其中酞酸酯改性組無水乙醇溶液最為渾濁。為比較三類偶聯(lián)劑對鈣礬石改性的效果，分別取0.4g 改性后的鈣礬石溶于20g四氯化碳有機(jī)溶液中，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，靜止溶液5min，然后倒掉上部懸浮液，稱取剩余沉淀的質(zhì)量，試驗結(jié)果如表1 所示：

表1 改性鈣礬石沉淀物的質(zhì)量（g）

從表1 中可以看出，鈣礬石經(jīng)過酞酸酯偶聯(lián)劑改性后比較容易分散到有機(jī)溶液當(dāng)中，所剩余的沉淀質(zhì)量最小，經(jīng)過二丙二醇甲醚DPM 改性后的鈣礬石，剩余沉淀質(zhì)量較多，即不易分散到有機(jī)溶液當(dāng)中。

3 阻燃性能

通過上述研究，了解到酞酸酯偶聯(lián)劑可有效改性鈣礬石，使其與有機(jī)材料較好地融合，因此將經(jīng)過酞酸酯偶聯(lián)劑改性的鈣礬石做了熱重分析試驗，探究改性后鈣礬石的阻燃效果，熱重分析結(jié)果如圖3 所示。

從圖3 的失重曲線中可以看出，隨著溫度的升高，鈣礬石質(zhì)量不斷下降，在0～102.54℃區(qū)間，質(zhì)量下降較快，后趨于平緩。根據(jù)吸熱曲線可以看出，鈣礬石在102.54℃有明顯的吸熱峰，在80～200℃區(qū)間吸熱較多，隨著溫度的升高，吸熱不明顯。

圖3 改性后鈣礬石的熱重分析圖

通過以上分析可得，經(jīng)過酞酸酯偶聯(lián)劑改性后的鈣礬石，在80～200℃之間，可以快速地實現(xiàn)失水吸熱，達(dá)到阻燃的效果，超過200℃阻燃效果不好，即鈣礬石作為阻燃劑來使用具有很好的早期抑燃效果。

4 結(jié)論

通過對鈣礬石作為阻燃劑的研究，可以得出的結(jié)論有：

⑴溶液合成法制備的鈣礬石較純，其結(jié)晶呈針棒狀，有的比較粗大，有的比較細(xì)小，晶體之間交錯生長，有大量的連接孔道。

⑵硅烷偶偶聯(lián)劑、二丙二醇甲醚DPM 偶聯(lián)劑、酞酸酯偶聯(lián)劑三類偶聯(lián)劑中，酞酸酯偶聯(lián)劑的改性效果最好，可以使鈣礬石較好地分散在有機(jī)溶液中。

⑶鈣礬石作為阻燃劑來使用具有很好的早期抑燃效果，可與其它后期抑燃效果較好的阻燃劑搭配使用，效果更佳。