改性氫氧化鎂/PVC復合材料的制備*

吳建寧，孟桂花，周勁位，但建明，洪成林

(1石河子大學化學化工學院，新疆石河子832003;2新疆維吾爾自治區材料化工重點實驗室，新疆石河子832003)

氫氧化鎂(Mg(OH)2)是一種新型無機添加型阻燃劑，具有阻燃、消煙、阻滴、易填充、安全、價格低的特性，是公認的橡塑行業中具有阻燃、抑煙、填充三重功能的優良阻燃劑［1－4］。

盡管Mg(OH)2作為無機阻燃劑具有阻燃溫度高、無毒、抑煙等諸多優點［5－7］，但同時也存在許多問題，比如在有機聚合物基體中的分散、相容性差，影響有機聚合物的外觀和加工性能等［8－11］。因此，合理的表面處理對改善Mg(OH)2的分散性和相容性極為重要［12－14］。近年來，無機材料均勻分散在高分子材料中形成的阻燃復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，對其進行表面改性，制備改性Mg(OH)2，通過機械共混，使聚氯乙烯(PVC)和Mg(OH)2熔融共混，提高產品的阻燃性能，具有較高的經濟效益和社會效益。

1 實驗部分

1.1 原材料及儀器

原材料:氫氧化鎂，梧州市富吉達礦物粉體新材料有限公司;聚氯乙烯樹脂(PVC)，新疆天業集團;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型電熱恒溫鼓風干燥箱，GJ－B12KA高攪機，ZG－160雙輥開煉機，YP-LH228平板硫化儀，JF－3氧指數測定儀，Instron 3366萬能試驗機，S－360掃描電鏡等。

1.2 實驗內容

1.2.1 Mg(OH)2粒子的改性

將Mg(OH)2粒子在110℃干燥12h，過篩。稱取一定量Mg(OH)2，加入去離子水配置成質量分數為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，用無水乙醇、去離子水洗滌多次，在110℃下烘干，過320目的篩子，得改性氫氧化鎂粒子。

1.2.2 Mg(OH)2/PVC復合材料的制備

按配方稱取干燥的改性Mg(OH)2和PVC及助劑，在高攪機中攪拌均勻。然后在雙輥開煉機上塑煉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

1.3.1 改性氫氧化鎂吸油值的測定

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

1.3.2 復合材料的力學性能

利用裁片機按照GB/T 1040－92標準Ⅱ型進行制樣。在萬能材料試驗機上測定樣品的拉伸強度，拉伸速度為50mm/min。

1.3.3 復合材料的氧指數測定

利用裁片機按照GB 2406－80標準進行制樣。并用氧指數測定儀測定樣品的氧指數。

2 結果和討論

2.1 改性劑選擇對吸油值的影響

實驗選用硬脂酸、硬脂酸鈉和硬脂酸鋅為有機改性劑，在相同反應條件下對Mg(OH)2進行表面改性，并測試了其吸油值。數據如表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的結果也不相同。三種改性劑對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%。因此在本實驗中，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處出現了吸收峰。其中，在3699cm－1處出現的強峰是氫氧化鎂-OH的振動吸收峰，在2920cm－1和2854cm－1處是硬脂酸鋅分子中的-CH3和-CH2的對稱和不對稱伸縮振動峰。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，說明硬脂酸鋅和Mg(OH)2進行了復合，改性成功。

2.3 Mg(OH)2的掃描電鏡分析

由圖2和圖3對比可以看出:改性前Mg(OH)2顆粒大，團聚現象嚴重。改性后的Mg(OH)2顆粒的粒徑減小了，團聚現象大大緩解了，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生團聚以降低表面能，且這種團聚是硬團聚，即使經過研磨、篩分，粒子之間仍然是以團聚體的形式存在，因此粒子團聚現象比較嚴重。由于改性后的Mg(OH)2表面包覆了有機物，在一定程度上降低了表面能，從而使粒子處于穩定狀態，顆粒之間較為分散，即使是團聚在一起的粒子，其相互之間的團聚也是軟團聚，這種團聚極易打開。

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用量對氧指數的影響

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來表示。氧指數是試樣像蠟燭狀持續燃燒時，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，復合材料的氧指數逐漸增大。當添加量大于40份時，制品的氧指數大于27%，已達到自熄性材料標準。因此，當改性Mg(OH)2添加量為40份時，已滿足了材料的阻燃效果。

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

2.5 改性Mg(OH)2用量對力學性能的影響

以不同用量的改性Mg(OH)2為添加劑和PVC制備復合材料，測定改變改性Mg(OH)2用量對復合材料拉伸性能的影響。結果如表3所示。

表3 改性氫氧化鎂用量對拉伸強度的影響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，復合材料的拉伸強度逐漸降低。當添加量大于40份時，其拉伸強度下降較大。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。這是由于Mg(OH)2為無機粒子，又屬于添加型阻燃劑，雖然對其進行了表面的有機化改性，但其添加量較大，因此其與有機樹脂基體界面差異性，因此隨著Mg(OH)2的添加，復合材料的力學性能會有下降。

3 結論

以Mg(OH)2吸油值為考察指標，考察了不同改性劑對Mg(OH)2粒子的改性效果，確定了最佳的改性劑為硬脂酸鋅。利用紅外說明了改性劑與Mg(OH)2粒子復合成功。掃描電鏡表明，團聚現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，氧指數逐漸增大，但拉伸強度逐漸下降。當改性Mg(OH)2添加量為40份時，綜合性能較好。

［1］趙建海，劉連生，趙連梅.納米氫氧化鎂表面改性研究［J］.鹽湖研究，2009，17(4):41－45.

［2］劉立華，宋云華，陳建銘等.納米氫氧化鎂表面改性研究［J］.化工進展，2004，23(1):76－79.

［3］尹曉磊，袁建軍.氫氧化鎂阻燃劑的表面改性研究進展［J］.天津化工，2008，22(5):8－10.

［4］董海波，杜志平，趙永紅，等.改性納米氫氧化鎂的制備與表征［J］.中國粉體技術，2010，16(6):67－70.

［5］丁孝初，岳林海，等.有機質對氫氧化鎂微晶結構的影響［J］.浙江大學學報(理學版)，2003，30(5):565－569.

［6］許端平.阻燃用Mg(OH)2微膠囊技術［J］.遼寧化工，2001，30(10):431 －432，456.

［7］徐傳輝，王萬勛，陳玉坤，等.氫氧化鎂阻燃聚合物材料的研究進展［J］.絕緣材料，2007，40(1):32－35.

［8］徐建中，尚俊敏.疏水氫氧化鎂的制備及其在阻燃PVC中的應用［D］.河北:河北大學，2012.

［9］任擁軍.改性氫氧化鎂阻燃劑在阻燃PVC中的應用研究［J］.河南化工，2007(07):31－32.

［10］王正洲，瞿保鈞，范維澄，等.表面處理劑在氫氧化鎂阻燃聚乙烯體系中的應用［J］.功能高分子學報，2001，14(1):45 －48.

［11］張永兆，陳軍.氫氧化鎂表面有機化及在阻燃PVC中的應用［J］.塑料工業，2014，38(1):132 －135，150.

［12］李輝.納米金屬氧化物的制備及其在軟質PVC阻燃中的應用［D］.安徽:合肥工業大學，2010.

［13］閆海妮，張正方，唐軍.氫氧化鎂的表面改性及其在PVC中的分散性研究［J］.化學試劑，2011，33(1):62 －64.

［14］劉立華.Mg(OH)2阻燃劑的表面改性及其在軟質 PVC中的應用［J］.塑料科技，2010，38(2):1－5.