聚苯乙烯/氢氧化镁复合材料的制备

郭效军，梁小虎

（西北师范大学化学化工学院，甘肃兰州 730070）

氢氧化镁是无机添加型阻燃剂，具有填充、阻燃和抑烟三重功能，并且产生的烟雾无毒、无腐蚀性[1]，是一种环保型绿色阻燃剂。氢氧化镁具有较高的分解温度,因而广泛运用于聚合物的加工中，但其表面含有大量的羟基酸性亲水基团，具有较强的极性和亲水性，易形成团聚体[2]。因此，氢氧化镁与高分子材料之间相容性和加工流动性变差，导致材料的综合性能下降。

随着纳米技术的发展，有不少研究[3-5]对氢氧化镁表面进行处理，主要运用表面改性剂在氢氧化镁表面进行化学反应和表面包裹处理，使其表面产生新的物理、化学功能[6]，从而改变或改善粉体的分散性、与高分子材料的相容性。阻燃剂氢氧化镁表面改性最常用的改性剂主要有硅烷偶联剂、钛酯偶联剂、硬脂酸[7-10]等。

聚苯乙烯具有良好的热稳定性和机械加工流动性能，尤其它紧闭的闭孔结构能够抗水、防潮。因此，利用聚苯乙烯的闭孔结构将氢氧化镁包裹起来，将会很大程度改变氢氧化镁的表面效应和亲水性，进而改善与高分子材料之间相容性和加工流动性。已经有文献[10-11]报道，采用熔融和化学接枝的方法制备出聚苯乙烯/氢氧化镁的新型复合材料。本文采用二甲苯溶解聚苯乙烯物理包裹氢氧化镁的方法，在室温条件下搅拌制备聚苯乙烯/氢氧化镁复合材料。

1 实验部分

1.1 主要原料和仪器

1.1.1 主要原料 氢氧化镁（上海山浦化工有限公司，分 析 纯）； 聚 苯 乙 烯（Aladdin chemistry.co.Ltd，1000000）；二甲苯（天津市富宇精细化工有限公司）；聚乙二醇（上海化学试剂厂）；无水乙醇（天津市凯通化学试剂有限公司）。

1.1.2 仪器设备 D/max-2400 型粉末X 射线衍射仪（日本理学公司），室温分析；JSM-6700F 冷场发射型扫描电镜（日本电子光学公司），喷金分析；Equinox55 型傅里叶红外光谱仪（德国Bruker 公司）；TGA/DSC1 型同步分析仪（METTLER TOLEDO）；BS124S 型电子天平（北京赛多利斯仪器系统有限公司）；SHB-IV 双A循环水式多用真空泵（郑州长城科技工贸有限公司）；DHG-90754 型电热恒温鼓风干燥箱（上海-恒科技有限公司）；玛瑙研钵。

1.2 样品制备

称取5 g Mg（OH）2，用蒸馏水和乙醇各洗涤3 次，放置于105 ℃的烘箱中干燥，然后在玛瑙研钵中研磨备用。称取1 g PS 和1.5 g 备用的Mg（OH）2加入50 mL带塞烧瓶中，再加入10 mL 二甲苯，超声30 min 后，室温放置20 h。

称取1 %（PS 和Mg（OH）2总质量）聚乙二醇加入烧瓶中，超声1 h 后，用玻璃棒搅拌10 min，量取10 mL蒸馏水加入后搅拌10 min，倒出抽滤。

抽滤后放置于110 ℃的烘箱中，干燥17 h，于玛瑙研钵中研磨30 min。用无水乙醇浮选大颗粒，抽滤后，放置于80 ℃烘箱中，干燥得到产品。

1.3 测试分析

采用扫描电子显微镜（SEM）测试产物形貌，用X射线衍射仪（XRD）分析晶体结构，热重分析仪（TGDTA）测定热稳定性，红外光谱仪（IR）分析主要组成成分。在25 mL 试管中加入0.2 g 产品分别在乙醇、二甲苯和液体石蜡中进行分散性测试，并在二甲苯介质中通过界面的下降绘制曲线图。

2 结果与讨论

2.1 SEM分析

产品在不同放大倍数下的SEM 照片。从图1 可以看出产品颗粒呈薄片状，有一定团聚现象发生。这种薄皮状结构有助于分散性的提高。

2.2 XRD 分析

图2 分别为原料Mg（OH）2（左）和PS/Mg（OH）2复合材料（右）的XRD 图谱。由谢乐公式可计算出原料和复合材料晶粒的大小分别为27.84 nm 和40.77 nm。晶粒明显增大，说明PS 包裹在Mg（OH）2上。从图中对比可以看出，Mg（OH）2的极性较弱的（001）晶面显露非常大，而极性较强的（002）受到抑制[12]，极性发生很大程度的变化。因而具有较小的表面极性和表观内应力[13]。

2.3 红外图谱分析

图1 产物的SEM 照片Fig.1 SEM images of products

图3 是Mg（OH）2和PS/Mg（OH）2的红外图谱。3 697 cm-1为羟基的特征峰；3 444 cm-1和1 505 cm-1为醇羟基的吸收峰；3 026 cm-1芳烃双键峰；2 923 cm-1为亚甲基的不对称吸收峰；1 624 cm-1是苯环的特征峰，1 427～1 490 cm-1为苯环骨架结构伸缩振动的三个附带峰；1 078 cm-1为C-H 吸收峰；442 cm-1为Mg-O吸收峰。分析表明，PS 和Mg（OH）2基本结构没有发生改变，也没有形成有效地化学键，属于物理包裹。

图2 产物的XRD 谱图Fig.2 XRD patterns of products

图3 产物的FT-IR 谱图Fig.3 FT-IR spectra of the products

图4 Mg（OH）2 和PS/Mg（OH）2 在二甲苯中的沉降曲线Fig.4 Mg（OH）2 and PS / Mg（OH）2 in the settlement curve in xylene

2.4 分散性分析

图4 为Mg（OH）2和PS/Mg（OH）2在二甲苯中的沉降曲线，类似文献中[14]的沉降条件。可以看出，产品的分散性明显提高。取少量产品于50 mL 烧杯中，加蒸馏水搅拌30 min 后，静置一天。发现PS/Mg（OH）2几乎全部悬浮在水面，表现出极强的疏水性，验证了XRD 分析的结果。另外，产品在乙醇中放置5 d，少部分沉降，其余形成混合溶液；放置于液体石蜡中，20 min 后开始有沉降物，3 h 后大部分沉降，1 天后全部沉降。因此，PS/Mg（OH）2能够较好的分散或相溶于有机相中。

2.5 热重分析

图5 产物的TG-DTA 分析谱图Fig.5 TG-DTA curves of products

图5 为Mg（OH）2和PS/Mg（OH）2的热重分析图。a中310～400 ℃为Mg（OH）2分解伴随着强烈吸热；b 中除310～400 ℃Mg（OH）2分解外，在400～660 ℃处PS分解并伴随吸热；分析表明，PS 包裹在Mg（OH）2表面。这与XRD 分析相一致。

实验中将PS 用二甲苯静置溶解20 h，发现有明显的悬浮气泡。这是由于二甲苯进入PS 空隙将原有空隙中的微小气体释放所致。因此，在聚苯乙烯/氢氧化镁复合材料的制备中，二甲苯分子进入PS 空隙中，并将空隙充分扩展，Mg（OH）2在分散剂PEG 和搅拌作用下均匀分散在PS 空隙中，加入蒸馏水萃取PEG 并稀释以增加流动性，抽滤时，由于二甲苯和水分的缺失，PS立即收缩，将Mg（OH）2包裹在其空隙中。

3 结论

室温下PS 和Mg（OH）2在二甲苯介质中，根据PS的闭孔结构和收缩性，在脱去二甲苯时，PS 很好的将Mg（OH）2物理包裹起来形成的复合材料。制备的PS/Mg（OH）2复合材料改变了Mg（OH）2的表面极性和表面内应力，大大增加与高分子材料的相容性和分散性。

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