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提高氫氧化鎂阻燃性的研究進展

2021-02-03 已有811人瀏覽 皖燃科技

氫氧化鎂作為一種綠色阻燃劑,在聚合物中存在分散性差、相容性差等缺點,影響其阻燃性能。結合最新研究進展,討論了提高氫氧化鎂阻燃性能的不同方法,并探討了改進方法存在的問題和未來發展方向。

新世紀以來,世界各國都非常重視環境保護和人類健康,阻燃劑的發展也呈現出低危害、低煙的趨勢。氫氧化鎂無毒、抑煙,已成為極具發展潛力的綠色阻燃劑。但由于其極性強,顆粒容易團聚,表面親水疏油,導致與高分子材料相容性差,進而影響高分子材料的加工性能和力學性能。為了改善氫氧化鎂阻燃劑的上述缺點,國內外正在研究以下幾個方面:

阻燃劑25kg.png

1.超細粒子。

一般來說,在填充量相同的情況下,顆粒越細,其力學性能和力學性能越好。超細氫氧化鎂可以大大提高其在橡膠和塑料材料中的分散性和相容性,例如納米粒子在表面具有很強的吸附力,可以吸附其他阻燃劑,從而有效提高阻燃劑的協同作用。另外,納米級氫氧化鎂具有較大的比表面積,如果能夠很好的分散,可以減少氫氧化鎂的添加量。

第二,形態控制。

阻燃劑用氫氧化鎂顆粒應為纖維狀或片狀,粒徑均勻。由于晶體極性較弱的[001]表面暴露較多,顆粒的表面極性和表面能較低,與高分子材料混溶性好,也有增強作用[1]。控制形貌最理想的方法是對常溫合成的氫氧化鎂進行水熱處理,使氫氧化鎂在高溫高壓水溶液中結晶重組,通過溶解-再凝聚-晶體生長過程獲得特殊的晶型和均勻的粒徑。

國內外研究表明,水熱處理過程中影響晶體形貌的主要因素有:水熱溫度和時間、水熱介質類型和氫氧化鈉濃度等。[2-3].李志強等人研究了水熱改性溫度對產物形貌和初級粒徑的影響。水熱改性溫度為180℃時,六方片狀顆粒較小,片狀較薄;當水熱溫度為200℃時,平均粒度從0.3微米增加到0.65,薄片變得更厚。與200℃改性相比,210℃改性后的片狀氫氧化鎂粒徑變小,片狀氫氧化鎂之間發生粘附,這可能是由于水熱處理過度,導致生長的片狀氫氧化鎂在高溫下溶解,因此最佳改性溫度為200℃。吳會軍等人研究了反應時間對產物的影響,得出當水熱溫度為220℃時,隨著時間的延長,顆粒逐漸增多,晶型更加完整,適宜的時間為4h。水熱改性的替代水熱介質包括純水、氨水、氫氧化鈉和碳酸鈉。研究表明,以氨水、碳酸鈉和氫氧化鈉為水熱介質可以改善產物的團聚狀態。其中,NaOH改性后的樣品呈圓形,分散性最好;氨水改性后的樣品仍有團聚現象。但Na2CO3改性后的樣品均勻性較差。在水熱溫度為150℃、時間為8h的條件下,透射電鏡照片顯示,當氫氧化鈉濃度為1.0mol/L時,產物為不規則碎片,團聚嚴重。當濃度增加到3.0mol/L時,粒徑平均,形貌為規則的六角形正方形;當濃度增加到4.0mol/L時,六方方片的形貌變得更加規則,但平均粒徑增加到1.0μm左右,可以看出,NaOH濃度的增加有利于晶體的水熱生長,粒徑逐漸增大,分散性明顯改善,比表面積也有明顯變化。

第三,表面改性。

表面改性是指為達到某種目的而采取的各種措施,包括物理和化學變化。目前主要的表面改性方法是表面化學改性,也比較簡單。經過表面改性后,氫氧化鎂表面變得親油,從而提高了其在聚合物中的分散性和相容性。

用于氫氧化鎂表面改性的表面活性劑有很多種,包括陰離子表面活性劑、有機磷酸鹽、偶聯劑等。[4-5].一般方法制備的氫氧化鎂表面帶正電荷,呈弱堿性,因此表面改性主要采用陰離子表面活性劑,包括烷基磺酸鈉、長鏈脂肪酸及其鈉鹽。表面活性劑與鎂離子發生化學反應,與氫氧化鎂表面結合,其烴基與高聚物有親和力,從而達到抑制團聚的效果。用于氫氧化鎂表面處理的有機磷酸酯一般含有長鏈烷基或芳香族基團,與聚合物基體有很好的相容性和纏結性,而其中含有的HO基團可以與氫氧化鎂表面的羥基或鍵合水產生化學鍵或氫鍵。而且磷酸酯在高聚物燃燒時具有膨脹效應,促進聚合物成炭。常用的偶聯劑有鈦酸酯偶聯劑和硅烷偶聯劑。鈦酸酯偶聯劑分子中的烷氧基(RO)可以與氫氧化鎂反應,在其表面形成鈦酸酯單分子膜,降低了氫氧化鎂的表面能,提高了與高分子材料的相容性。硅烷偶聯劑是一種具有特殊結構的低分子有機硅化合物。偶聯劑以單分子膜包覆在氫氧化鎂表面,其有機長鏈與復合材料的大分子纏結或交聯,使高分子材料具有良好的抗彎性和抗沖擊性。

第四,協同阻燃。

氫氧化鎂通過一定的方法與其他阻燃劑或阻燃增效劑有機結合,使其同時具有多重特性,提高阻燃溫度,增加吸熱,減少填充量,發揮其綜合阻燃效果。常見的阻燃增效劑有鹵素、有機硅化物、紅磷和磷化物、硼酸鋅等。[6].

鹵系阻燃劑一直難以解決煙霧大、有毒氣體多的缺點,氫氧化鎂抑煙效果好,可以組合使用。紅磷燃燒時被氧化成不可燃的磷酸液膜,然后脫水生成脫水劑,即聚(偏磷酸),高溫下在聚合物表面形成碳化層,從而起到阻燃作用。Mg(OH)2高溫吸熱脫水有利于紅磷轉化為磷酸和偏磷酸,偏磷酸形成的碳正離子可以使Mg(OH)2脫水。紅磷和氫氧化鎂相互配合,增強了體系的阻燃效果。有機硅的阻燃性主要在于燃燒過程中硅碳化合物的形成,形成燃燒屏障,防止揮發性物質的形成,增強阻燃性。結果表明,有機硅和硅橡膠與氫氧化鎂復合阻燃,不僅可以使聚合物的水平燃燒達到FH-1,垂直燃燒達到FV-1,而且可以降低放熱率,延長著火時間。硼酸鋅阻燃劑和氫氧化鎂也有很好的協同阻燃效果。Kim在聚乙烯(PE)/Mg(OH)2復合材料中加入硼酸鋅和滑石粉,有效提高阻燃材料的熱穩定性和抑煙效果。Mg(OH)2、硼酸鋅和滑石粉的協同阻燃作用是在燃燒過程中形成像無機陶瓷一樣堅硬致密的碳化層,可以阻隔熱量傳遞,從而提高阻燃性能,抑制煙氣濃度。

5.結論。

在實際生產中,為了提高氫氧化鎂的阻燃性能,制備階段一般包括三個步驟:常溫納米合成-水熱處理形貌控制-表面改性。然而,存在的問題是氫氧化鎂晶體通常在水熱處理階段從納米級增加到微米級,水熱處理后的光大快三需要進行表面改性處理,工藝復雜,成本高。因此,考慮將阻燃劑用氫氧化鎂的制備階段合二為一,然后根據阻燃對象選擇合適的阻燃增效劑。


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