氫氧化鎂／氫氧化鋁混合微膠囊阻燃劑的制備及其性能研究

江 玉，谷曉昱，趙靜然，唐武飛，張 勝

（北京化工大學材料科學與工程學院，碳纖維及功能高分子教育部重點實驗室，北京100029）

0 前言

乙烯－醋酸乙烯共聚物（EVA）由于良好的加工性能、力學性能以及耐候、耐老化性能而在電纜料、醫療器具、管材、電器配件等領域具有十分廣闊的應用價值［1－3］。但是由于其易燃的特性，在許多實際應用中必須對其進行阻燃處理［4－5］。常用的EVA 阻燃劑為金屬氫氧化物，如MH 或ATH。MH 和ATH 作為添加型無機阻燃劑，因具有環保、無毒、低煙無鹵等特點，而廣泛應用于諸如EVA，聚丙烯（PP），聚乙烯（PE）等聚合物材料的阻燃中，而單一的MH 或ATH 因不能滿足材料高強度、高效阻燃和以及高適用性的要求等，一般復配使用。但其缺點較為明顯，體現在填充量較大，與聚合物的相容性差，嚴重影響聚合物加工性能和產品力學性能［6－9］。

近年來，微膠囊法已廣泛地應用于塑料、紡織品及醫藥中。尤其將一些與聚合物相容性差的組分進行微膠囊化可以顯著提高其相容性。而氨基類樹脂由于其獨特的性能和價格優勢，常被用來作為微膠囊改性的壁材。其中密胺樹脂（MF）由于具有優良的耐熱、耐水、耐堿和耐候性，是壁材的優選材料之一［10－13］。

本文將MH 和ATH 等質量充分球磨混合得到其復配物MA，再以MF作為壁材對MA 進行包覆改性，得到微膠囊化阻燃劑M－MA。研究了M－MA 的結構和性能，并對其阻燃改性的EVA 材料的性能進行了研究。

1 實驗部分

1.1 主要原料

MH，H－5，德國Magnifin公司；

ATH，OL－104LEO，德國Magnifin公司；

甲醛溶液，濃度37%，西隴化工股份有限公司；

三聚氰胺（MEL），市售；

EVA，醋酸乙烯酯（VA）含量18%，北京有機化工廠。

1.2 主要設備及儀器

微型錐形雙螺桿擠出機，SJZS－10A，武漢市漢陽區瑞鳴塑料機械制造公司；

平板硫化機，QLB－D，鐵嶺化工機械廠；

萬能制樣機，HY－W，河北承德試驗機有限責任公司；

微機控制電子式萬能試驗機，WDW－50E，濟南試金集團有限公司；

氧指數測定儀，JF－3，南京市江寧區分析儀器廠；

聯合熱分析儀（TG），HCT－1，北京恒久科學儀器廠；

SEM，S－4700，日本Hitachi公司；

FTIR，Nicolet iS5，美國Thermo公司。

1.3 樣品制備

M－MA 的制備：將MH 或ATH 按質量比1∶1用球磨機高速充分攪拌混合，得到復配物MA，再將攪拌后的漿液倒入三口燒瓶中，加熱至70 ℃；按照摩爾比M甲醛∶M三聚氰胺＝1∶2.5 配制壁材，再以質量比m壁材∶mMA＝1∶2 分別將MA、MEL 和37%甲醛溶液依次加入三口燒瓶，攪拌并在70 ℃下反應4h，過濾、洗滌、真空干燥得到M－MA；

復合材料的制備：將EVA 分別與MA 和M－MA按質量比100∶0、95∶5、90∶10、85∶15、80∶20進行熔融共混擠出造粒，然后在150 ℃下模壓10min，常溫冷壓5 min，得到不同組分的EVA／MA 復合材料和EVA／M－MA復合材料。

1.4 性能測試與結構表征

FTIR 掃描范圍為400 ～4000cm－1，掃描次數為32次，分辨率為2cm－1；

采用SEM 觀察樣品的表面形貌，加速電壓為20kV；

TG 分析的升溫速率為10℃／min，氮氣氣氛，氮氣流速50mL／min；

拉伸性能按GB／T 1040—1992進行測試，拉伸速率為200mm／min；

極限氧指數按GB／T 2406—1993進行測試，樣品尺寸為75mm×6.5mm×3mm。

2 結果與討論

2.1 M－MA的FTIR表征

從圖1 可以看出，MA 和M－MA 在3617、3520、3437、3367cm－1都出現系列吸收峰，這個范圍對應的是—OH 和N—H 的伸縮振動峰（由于—OH 和N—H的特征峰峰因為較為相近而重合）。相比于未包覆前的MA，M－MA 在1551、1514、1467、1361cm－1處為三聚氰胺六元環的振動峰［13］，說明MF 存在于M－MA表面。

圖1 MEL、MA 和M－MA 的FTIR 譜圖Fig.1 FTIR spectra of MEL，MA and M－MA

2.2 M－MA的SEM 分析

圖2 為MA 和M－MA 在 放 大5000 倍下的SEM圖片。比較（a）和（b）可以看出，MA 表面較為光滑，而M－MA 表面上存在不規則包覆物質；同時M－MA 的尺寸明顯小于MA，這可能是由于MA 在結晶過程中，MF在表面沉積，影響了晶體生長，使得結晶提前結束。

圖2 MA 和M－MA 的SEM 照片Fig.2 SEM photos for MA and M－MA

2.3 TG 分析

從圖3可以看出，MA 和M－MA 的熱分解可為兩個階段，其中MA 的第一個分解階段在240～321 ℃之間，為產物中ATH 的分解，但比ATH 單獨分解溫度高；第二階段在330～420 ℃之間，為MH 的分解，但比MH 單獨分解溫度低。M－MA 的第一個分解階段在246～317 ℃之間為ATH 和少量MF 的分解，第二階段在320～455 ℃之間為MF 和MH 的分解。MH、MA、ATH 和M－MA 的最終殘余量依次降低。第一階段M－MA 的初始分解溫度和殘余量明高于MA，這是由于MF的分解溫度高于ATH，同時MF的包覆阻礙延遲了ATH 的分解，從而提高第一階段殘余量；MMA 的第二階段初始分解溫度低于MA，并且最終殘余量也低于MA，這是由于MF 在加熱到一定溫度后的分解程度高于MA，即MF近乎完全分解。在MF分解溫度之前M－MA 的熱失重較小，說明其熱穩定性有一定程度的改善。

圖3 MH、ATH、MA 和M－MA 的TG 曲線Fig.3 TG curves for MH，ATH，MA and M－MA

從圖4 可以看出，EVA 及其復合材料降解分為2個階段，第一階段失重對應的是分子鏈中乙酸乙烯酯部分的降解，可以看出到425 ℃第一階段失重基本結束的時候，EVA、EVA／MA 復合材料和EVA／M－MA復合材料的殘留分別達到69.6%，77.5%和81.4%。第二階段對應的是主鏈分子鏈的斷裂分解，這部分EVA／MA 和EVA／M－MA 的TG 曲線中殘留量相同時的溫度明顯比EVA 提高約25 ℃。到600 ℃分解基本完成時EVA，EVA／MA 和EVA／M－MA 的殘留分別是0、11.4%和15.3%。說明MA 或M－MA 的加入，顯著提高了EVA 的熱分解溫度和最終殘炭量，同時M－MA 對EVA 復合材料熱穩定性的提高效果比MA 更好。

圖4 EVA 和EVA／MA，EVA／M－MA 復合物的TG 曲線Fig.4 TG curves for EVA／M－MA，EVA／MA composites and EVA

2.4 阻燃性能分析

從圖5可以看出，隨著MA 和M－MA 添加量的增大，極限氧指數均出現增大趨勢，但EVA／M－MA 增大幅度明顯大于EVA／MA，且隨著添加量的增大，增大幅度提高，這說明MF 的包覆有助于MA 阻燃性能的提高。

圖5 EVA／MA 和EVA／M－MA 復合材料的極限氧指數Fig.5 Limited oxygen index of EVA／MA and EVA／M－MA composites

2.5 力學性能分析

圖6 EVA／MA 和EVA／M－MA 復合材料的拉伸性能Fig.6 Tensile properties of EVA／MA and EVA／M－MA composites

從圖6可以看出，隨著MA、M－MA 的添加量的增大，復合材料的拉伸強度呈現先增大后減小的趨勢；相同組分下，EVA／M－MA 復合材料的拉伸強度比EVA／MA 復合材料分別高5.0%、7.6%、7.8%、22.8%。同時，其斷裂伸長率的變化趨勢也是如此，在相同組分下，EVA／M－MA 復合材料的斷裂伸長率比EVA／MA復合材料分別高7.4%、2.7%、2.1%、12.0%。可以看出MA 或M－MA 添加量為5份時，拉伸強度最大為14.7 MPa，這是由于少量的無機填料起到了增韌的作用，但隨著添加量的增大，填料部分團聚，在拉伸過程中，會引起應力集中，使體系發生撓曲脆性斷裂，拉伸強度降低。但是由于MF的包覆，改善了其與EVA 的相容性，使相同組分下EVA／M－MA 的拉伸強度和斷裂伸長率比EVA／MA 都高。由此可見M－MA 可以改善復合材料的力學性能。

3 結論

（1）包覆MF，對MA 結晶行為有一定的影響，使晶體生長提前終止，導致M－MA 的尺寸小于MA；

（2）MA 和M－MA 均可以使EVA 復合體系的熱穩定性得到提高，且EVA／M－MA 體系的熱穩定性提高更多，其降解溫度提高，殘炭量上升；

（3）相同添加量時，EVA／M－MA 復合材料的極限氧指數值高于EVA／MA 復合材料；EVA／M－MA 復合材料的拉伸強度和斷裂伸長率高于EVA／MA 復合材料。

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