改性氢氧化镁/PVC复合材料的制备*

吴建宁，孟桂花，周劲位，但建明，洪成林

(1石河子大学化学化工学院，新疆石河子832003;2新疆维吾尔自治区材料化工重点实验室，新疆石河子832003)

氢氧化镁(Mg(OH)2)是一种新型无机添加型阻燃剂，具有阻燃、消烟、阻滴、易填充、安全、价格低的特性，是公认的橡塑行业中具有阻燃、抑烟、填充三重功能的优良阻燃剂［1－4］。

尽管Mg(OH)2作为无机阻燃剂具有阻燃温度高、无毒、抑烟等诸多优点［5－7］，但同时也存在许多问题，比如在有机聚合物基体中的分散、相容性差，影响有机聚合物的外观和加工性能等［8－11］。因此，合理的表面处理对改善Mg(OH)2的分散性和相容性极为重要［12－14］。近年来，无机材料均匀分散在高分子材料中形成的阻燃复合材料引起了人们极大的兴趣。

本课题利用Mg(OH)2为主要原料，对其进行表面改性，制备改性Mg(OH)2，通过机械共混，使聚氯乙烯(PVC)和Mg(OH)2熔融共混，提高产品的阻燃性能，具有较高的经济效益和社会效益。

1 实验部分

1.1 原材料及仪器

原材料:氢氧化镁，梧州市富吉达矿物粉体新材料有限公司;聚氯乙烯树脂(PVC)，新疆天业集团;硬脂酸钠，十二烷基硫酸钠，硬脂酸锌，邻苯二甲酸二辛酯等均为分析纯。仪器:GX－9070型电热恒温鼓风干燥箱，GJ－B12KA高搅机，ZG－160双辊开炼机，YP-LH228平板硫化仪，JF－3氧指数测定仪，Instron 3366万能试验机，S－360扫描电镜等。

1.2 实验内容

1.2.1 Mg(OH)2粒子的改性

将Mg(OH)2粒子在110℃干燥12h，过筛。称取一定量Mg(OH)2，加入去离子水配置成质量分数为7%左右的Mg(OH)2浆料，加热至80℃左右，搅拌速度为1000r/min。待浆料形成后，加入氢氧化镁量5%左右的改性剂，搅拌熟化2h。抽滤得白色固体，用无水乙醇、去离子水洗涤多次，在110℃下烘干，过320目的筛子，得改性氢氧化镁粒子。

1.2.2 Mg(OH)2/PVC复合材料的制备

按配方称取干燥的改性Mg(OH)2和PVC及助剂，在高搅机中搅拌均匀。然后在双辊开炼机上塑炼5min～8min，前后辊温度为150℃ ～160℃，再放入平板硫化仪中压片，冷却后裁成哑铃型备用。

1.3 性能检测

1.3.1 改性氢氧化镁吸油值的测定

将邻苯二甲酸二辛酯(DOP)滴加至0.50g的Mg(OH)2粉体中，用调墨刀研压使之成团不散，测定吸收DOP的质量即为吸油值。

1.3.2 复合材料的力学性能

利用裁片机按照GB/T 1040－92标准Ⅱ型进行制样。在万能材料试验机上测定样品的拉伸强度，拉伸速度为50mm/min。

1.3.3 复合材料的氧指数测定

利用裁片机按照GB 2406－80标准进行制样。并用氧指数测定仪测定样品的氧指数。

2 结果和讨论

2.1 改性剂选择对吸油值的影响

实验选用硬脂酸、硬脂酸钠和硬脂酸锌为有机改性剂，在相同反应条件下对Mg(OH)2进行表面改性，并测试了其吸油值。数据如表1。

表1 不同改性剂改性氢氧化镁的吸油值Table 1 Oil absorbed value of modified Mg(OH)2by different modifiers

从表1可看出，改性前后Mg(OH)2的吸油值有较显著变化，用不同改性剂改性Mg(OH)2的结果也不相同。三种改性剂对Mg(OH)2的改性都使得其吸油值大幅下降，其中硬脂酸锌改性效果较明显，其吸油值最低，为33.39%。因此在本实验中，选择硬脂酸锌作为Mg(OH)2的改性剂。

2.2 Mg(OH)2的红外表征

将未改性的Mg(OH)2和改性后的Mg(OH)2做红外扫描分析，结果如图1所示。

图1 氢氧化镁粒子的红外谱图Fig.1 IR spectra of Mg(OH)2

由图 1可以看出，改性后的 Mg(OH)2在3699cm－1、2918cm－1和 2850cm－1处出现了吸收峰。其中，在3699cm－1处出现的强峰是氢氧化镁-OH的振动吸收峰，在2920cm－1和2854cm－1处是硬脂酸锌分子中的-CH3和-CH2的对称和不对称伸缩振动峰。但由于改性剂硬脂酸锌的添加量较少，因此红外吸收峰不够明显。改性后有甲基和亚甲基出现，说明硬脂酸锌和Mg(OH)2进行了复合，改性成功。

2.3 Mg(OH)2的扫描电镜分析

由图2和图3对比可以看出:改性前Mg(OH)2颗粒大，团聚现象严重。改性后的Mg(OH)2颗粒的粒径减小了，团聚现象大大缓解了，Mg(OH)2的分散性得到改善。这是由于Mg(OH)2粉体粒径小，表面能高，这就使得粒子之间发生团聚以降低表面能，且这种团聚是硬团聚，即使经过研磨、筛分，粒子之间仍然是以团聚体的形式存在，因此粒子团聚现象比较严重。由于改性后的Mg(OH)2表面包覆了有机物，在一定程度上降低了表面能，从而使粒子处于稳定状态，颗粒之间较为分散，即使是团聚在一起的粒子，其相互之间的团聚也是软团聚，这种团聚极易打开。

图2 未改性氢氧化镁的扫描电镜图Fig.2 SEM of unmodified Mg(OH)2

图3 改性氢氧化镁的扫描电镜图Fig.3 SEM of modified Mg(OH)2

2.4 改性Mg(OH)2用量对氧指数的影响

同一聚合物由于加入不同的助剂其燃烧的难易程度也有变化，当PVC中加入增塑剂后，制品往往变得容易燃烧。聚合物的燃烧性可用氧指数来表示。氧指数是试样像蜡烛状持续燃烧时，在氧－氮混合气流中所必须的最低氧含量。

由表2所示:随着改性Mg(OH)2加入量的增加，复合材料的氧指数逐渐增大。当添加量大于40份时，制品的氧指数大于27%，已达到自熄性材料标准。因此，当改性Mg(OH)2添加量为40份时，已满足了材料的阻燃效果。

表2 改性氢氧化镁用量对氧指数的影响Table 2 Effect of dosage of Mg(OH)2on oxygen index

2.5 改性Mg(OH)2用量对力学性能的影响

以不同用量的改性Mg(OH)2为添加剂和PVC制备复合材料，测定改变改性Mg(OH)2用量对复合材料拉伸性能的影响。结果如表3所示。

表3 改性氢氧化镁用量对拉伸强度的影响Table 3 Effect of dosage of Mg(OH)2on tensile property

由表3可以看出:随着改性Mg(OH)2加入量的增加，复合材料的拉伸强度逐渐降低。当添加量大于40份时，其拉伸强度下降较大。在不影响其使用性能的要求，改性Mg(OH)2的添加量控制在40%以内。这是由于Mg(OH)2为无机粒子，又属于添加型阻燃剂，虽然对其进行了表面的有机化改性，但其添加量较大，因此其与有机树脂基体界面差异性，因此随着Mg(OH)2的添加，复合材料的力学性能会有下降。

3 结论

以Mg(OH)2吸油值为考察指标，考察了不同改性剂对Mg(OH)2粒子的改性效果，确定了最佳的改性剂为硬脂酸锌。利用红外说明了改性剂与Mg(OH)2粒子复合成功。扫描电镜表明，团聚现象得到了很好的改善，颗粒分散较均匀。随着改性Mg(OH)2的添加量不断增加，氧指数逐渐增大，但拉伸强度逐渐下降。当改性Mg(OH)2添加量为40份时，综合性能较好。

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