PMMA／粉煤灰／Mg（OH）2复合材料的阻燃隔热性能研究

袁新强，蒋 鹏，张营堂

（陕西理工学院材料科学与工程学院，陕西 汉中723003）

0 前言

由于粉煤灰中大部分微珠具有中空、球形形貌、耐热、化学性质稳定以及价廉等特点，目前，在高分子材料中的应用潜力越来越受到重视，例如，专利US 6872440公开了一种含有粉煤灰的热反射涂层材料［1］。李文丹等［2］采用TiO2包覆粉煤灰漂珠为隔热填料，研制出低成本、高热反射率的外墙隔热涂料。专利US 6500560公开了一种含有粉煤灰的沥青防水材料［3］。Alkadasi等［4］以粉煤灰为填料填充改性聚丁二烯橡胶（PBR）研究。刘丹等［5］以粉煤灰为填料与废旧聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯共混热压成型建筑模板研究。Das等［6］也以粉煤灰与废旧聚丙烯混合制备复合材料。Ramakrishna等［7］探讨了环氧增韧的PMMA／粉煤灰复合材料的拉伸和弯曲性能等。其中，粉煤灰填充改性PMMA 制备复合材料的研究报道主要是利用粉煤灰的耐热、化学性质稳定以及价廉特点，充当普通填料角色［7］。本文利用粉煤灰中大部分微珠具有中空、球形形貌可作为一种良好的隔热材料填充PMMA 制备复合材料，不仅可以满足装饰效果、降低生产成本、而且具有隔热功能。此外，采用Mg（OH）2作为阻燃剂填充PMMA 可实现PMMA 复合材料的阻燃效果，拓宽其应用领域。

1 实验部分

1.1 主要原料

MMA，分析纯，上海科丰化学试剂有限公司；

BPO，分析纯，上海山浦化工有限公司；

Mg（OH）2，市售；

粉煤灰，粒径180～380μm，汉中锌业有限公司；

消泡剂，市售。

1.2 主要设备及仪器

集热式磁力搅拌器，DF－101S，上海予正仪器设备有限公司；

实验室分散搅拌砂磨多用机，MXD－B，上海沐轩实业有限公司；

电热恒温鼓风干燥箱，DHG－9006，上海精宏实验设备有限公司；

台式扫描电子显微镜，JCM－5000，日本尼康公司；

隔热测试装置，自制；

燃烧装置，自制。

1.3 样品制备

PMMA 预聚料制备：首先将精制MMA 与BPO以100︰（0.3～0.5）配比混合均匀，然后在80～85 ℃水浴加热聚合25～35min，最后迅速冷却至室温得到黏稠状有机玻璃预聚料；

混合浆料制备：在机械搅拌作用下，将PMMA 预聚料、干燥过筛180～380 μm 粉煤 灰、38～75 μm Mg（OH）2和消泡剂以一定配比混合均匀，得到混合浆料；

铸塑成型：将混合浆料缓慢浇铸到干燥洁净的玻璃模具中，然后室温静置20～30min，再将其置于烘箱中以40～45、50～55、70～75、100～110 ℃分别聚合3～3.5、2～2.5、1～1.5、0.5～1h即可成型，经脱模、打磨、抛光即可。

1.4 性能测试与结构表征

SEM 分析：放大倍率为1000倍，观察样品断面微观形貌；

依据GB／T 2408—2008进行燃烧试验测试；

根据1976年美国军方标准MIL－E—46136改装自制隔热测试装置，参见文献［8］，每隔5 min记录1 次温度。

2 结果与讨论

2.1 SEM 分析

图1所示为纯PMMA 和PMMA 复合材料断面SEM 照片。可以看出，粉煤灰／Mg（OH）2填充PMMA前后断面由光滑转变粗糙，大部分粉煤灰呈球状，被PMMA 包覆，Mg（OH）2附着在被PMMA 包覆的粉煤灰表面上，粉煤灰和Mg（OH）2均存在分布不均匀状况。由于粉煤灰和Mg（OH）2同属于无机物，与PMMA 相容性较差，本文未对粉煤灰和Mg（OH）2进行表面处理，在PMMA 中分散不均匀很正常，只要对粉煤灰和Mg（OH）2进行表面偶联或分散聚合处理即可解决在PMMA 中分散不均匀和相容性问题［9］，本文不做深入探讨和描述。

图1 PMMA 及复合材料断面SEM 照片Fig.1 SEM of the cross section of PMMA and its composite

2.2 阻燃性能

表1 为不同Mg（OH）2用量的PMMA／粉煤灰／Mg（OH）2复合材料的燃烧情况。从燃烧时间和损坏长度来看，复合材料中添加Mg（OH）2可使其具有一定的阻燃性，这主要是Mg（OH）2在受热时发生分解吸收燃烧PMMA 表面热量起到阻燃作用；同时释放出大量水分稀释PMMA 表面的氧气，分解生成的活性氧化镁附着于PMMA 表面又进一步阻止了燃烧的进行［10］。但Mg（OH）2加入量低于25 份时，复合材料的线性燃烧速率随Mg（OH）2加入量的增加反而提高，这主要是复合材料中Mg（OH）2分布不均匀，存在粉煤灰包覆Mg（OH）2现象，Mg（OH）2与PMMA 实际接触比例降低，短时间内Mg（OH）2的阻燃特性没有充分发挥；Mg（OH）2加入量在30～35 份时，尽管复合材料中Mg（OH）2依然存在分布不均匀，存在粉煤灰包覆Mg（OH）2现象，但Mg（OH）2与PMMA 实际接触比例在提高，短时间内Mg（OH）2的阻燃特性可以充分发挥，复合材料的线形燃烧速率随Mg（OH）2加入量的增加而降低；Mg（OH）2加入量大于35 份时，理论上，复合材料的阻燃效果更好，但是体系Mg（OH）2加入量太大，因Mg（OH）2的价格相对粉煤灰高几十倍，提高了复合材料的造价，存在阻燃性能与价格的博弈。分析认为，复合材料中Mg（OH）2加入量为35 份比较适宜，且阻燃级别为HB级。

表1 复合材料燃烧实验数据Tab.1 Combustion data of the composites

2.3 隔热性能

图2为PMMA、PMMA／Mg（OH）2、PMMA／粉煤灰／Mg（OH）23块板材在125 W 红外灯照射下的隔热测试装置中的空腔温度变化曲线。其中，PMMA／Mg（OH）2中Mg（OH）2的加入量为35 份，PMMA／粉煤灰／Mg（OH）2中Mg（OH）2的加入量为35 份，粉煤灰的加入量为80 份，3块板材的颜色近似相同，均为灰白色，厚度为10mm。

图2 PMMA、PMMA／Mg（OH）2、PMMA／粉煤灰／Mg（OH）2板材升温曲线Fig.2 Temperature of PMMA，PMMA／Mg（OH）2，PMMA／fly ash／Mg（OH）2plate against irradiation time

从图2可明显看出，PMMA 中填充粉煤灰可以使PMMA 具有良好隔热性能，升温趋于平缓时，PMMA／粉煤 灰／Mg（OH）2板 材 相 对PMMA／Mg（OH）2和PMMA 板材温差约为19 ℃。这主要是PMMA／粉煤灰／Mg（OH）2中添加的粉煤灰中大部分微珠具有中空、球形形貌，其热导率约0.25 W／（m·K），是一种良好阻隔型隔热材料。这种板材可代替现在市场上流行的高档装修亚克力板材，不仅价格便宜，约为市场价的1／3，而且具有隔热功能，可降低这种高档场所的能耗。严格来说，PMMA／粉煤灰／Mg（OH）2中粉煤灰的加入量越多越好，且成本越低，但是粉煤灰加入量太多，PMMA 太少，浆料制备困难，不能顺利浇铸，所制得板材表面光泽度低，脆性大，且粉煤灰在PMMA／粉煤灰／Mg（OH）2中存在聚集、粉化现象。经试验研究，PMMA／粉煤灰／Mg（OH）2中粉煤灰的加入量为60～80 份，隔热效果显著，如图2所示。

研究还发现，PMMA／粉煤灰／Mg（OH）2板材的隔热性能还与其厚度有关，图3 为不同厚度PMMA／粉煤灰／Mg（OH）2板材在125 W 红外灯照射下的隔热测试装置中的空腔温度变化曲线。其中，Mg（OH）2的加入量为35 份，粉煤灰的加入量为20 份。

由图3 不难看出，PMMA／粉煤灰／Mg（OH）2板材隔热温差随板材厚度的增加而增大，这可由传导传热原理解释，增加PMMA／粉煤灰／Mg（OH）2板材厚度相当增加热阻。理论上讲，厚度越大，PMMA／粉煤灰／Mg（OH）2板材隔热效果越好，但是当厚度增加到一定程度时，PMMA／粉煤灰／Mg（OH）2板材隔热效果变化不明显，当厚度达20 mm 时，隔热温差变化浮动才1～2 ℃，若是牺牲PMMA／粉煤灰／Mg（OH）2板材厚度来提高其隔热效果的话，成本就成倍上升，PMMA／粉煤灰／Mg（OH）2板材的厚度建议小于或等于20mm。

图3 不同厚度PMMA／粉煤灰／Mg（OH）2 板材的升温曲线Fig.3 Temperature of different thickness PMMA／fly ash／Mg（OH）2plate against irradiation time

3 结论

（1）PMMA／粉煤灰／Mg（OH）2复合材料中粉煤灰呈球状，被PMMA 包覆，Mg（OH）2附着在被PMMA 包覆的粉煤灰表面上，粉煤灰和Mg（OH）2均存在分布不均匀状况；

（2）PMMA／粉 煤 灰／Mg（OH）2复 合 材 料 中Mg（OH）2加入量为35 份比较适宜，且阻燃级别为HB级；

（3）PMMA／粉煤灰／Mg（OH）2复合材料的隔热效果好，而且隔热温差随粉煤灰加入量和板材厚度的增加而增大，建议粉煤灰的加入量为60～80 份，板材厚度小于或等于20mm。

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