氢氧化镁阻燃颜料的制备工艺

张 　 月，　王 　 晓，　崔 永 珠，　魏 春 艳，　王 文 生

( 1.大连工业大学 纺织与材料工程学院, 辽宁 大连　116034；2.大连工业大学 轻工与化学工程学院, 辽宁 大连　116034 )



氢氧化镁阻燃颜料的制备工艺

张 月1，王 晓1，崔 永 珠1，魏 春 艳1，王 文 生2

( 1.大连工业大学 纺织与材料工程学院, 辽宁 大连116034；2.大连工业大学 轻工与化学工程学院, 辽宁 大连116034 )

摘要:通过单因素试验考察了沉淀法制备Mg(OH)2阻燃颜料的最佳工艺，以Mg(OH)2平均粒度为评价指标。最佳条件为反应时间90 min、反应温度60 ℃、MgCl2的初始浓度2 mol/L。在此条件下，加入染料制备Mg(OH)2颜料，再将颜料进行硅烷改性。采用扫描电镜和红外光谱对Mg(OH)2颜料的形貌和结构进行分析，结果表明，片状Mg(OH)2颜料聚集成球形，表面改性后并未明显增加颜料大小。经硅烷改性后，颜料表面引入了不饱和基团，从而使阻燃颜料容易固载到纺织品上。

关键词:阻燃剂；Mg(OH)2颜料；硅烷改性

0引言

Mg(OH)2是新型镁质无机阻燃剂，不仅具有良好的阻燃和抑烟效果，而且具有较好的填充性能，安全无毒，产品性能稳定，所以作为一种环境友好型绿色阻燃剂在国内外日益受到重视，成为阻燃剂开发研究的热点[1-2]。

Mg(OH)2阻燃剂的制备方法有很多种包括以菱镁矿为原料直接制备[3]、直接沉淀法[4-6]、海水提取法[7]。另外，表面改性处理Mg(OH)2能有效解决其与高分子材料相容性差的问题，对实际添加应用有重要意义[8]。采用硅烷偶联剂在常温水体系中对工业级Mg(OH)2改性，可以增强Mg(OH)2表面疏水性，提高Mg(OH)2的分散性以及与材料的相容性和结合性[9]。

本实验采用氨水法制得Mg(OH)2沉淀，在沉淀的同时加入染料，Mg(OH)2在沉淀的同时对染料实行网捕，制得Mg(OH)2阻燃颜料，再对Mg(OH)2颜料进行硅烷改性，使其表面具有不饱和双键，为下一步固载于纤维表面，开发阻燃有色纺织品奠定基础。

1实验

1.1试剂与仪器

MgCl2·6H2O，氨水，硅烷偶联剂KH570，无水乙醇，聚乙烯醇PVA-124。

循环水式真空泵，SHZ-D93；定时数显磁力搅拌器，EMS-8A；超声波分散仪，FS-600；傅里叶变换红外光谱仪，Spectrum One-B；扫描电子显微镜，JSM-6460LV；粒度分析仪，Delsa Nano C。

1.2实验方法

Mg(OH)2颜料制备过程：MgCl2·6H2O与NH3·H2O进行沉淀反应，在沉淀的同时加入表面活性剂PVA-124和酸性染料，生成Mg(OH)2颜料，再进行抽滤、洗涤、烘干。用激光粒度仪测试Mg(OH)2颜料微粒的粒度，通过单因素实验确定最佳的反应时间、温度、MgCl2浓度等条件。

偶联改性过程：使用硅烷偶联剂KH570对Mg(OH)2颜料进行硅烷改性。先将KH570加入到pH为4的醇水混合液中，在磁力搅拌器上进行水解，然后将颜料加入后超声波分散，再升温偶联，偶联后抽滤、醇洗、80 ℃烘干。

1.3测试与表征

将硅烷改性前后的Mg(OH)2颜料分别与KBr粉末以质量比1∶100混合研磨、压片，利用傅里叶红外变换光谱仪，在4 000～400 cm-1进行扫描，并进行结构表征。

利用JSM-6460LV型扫描电镜对Mg(OH)2颜料及硅烷改性后的Mg(OH)2阻燃颜料的表面形貌进行观测。操作电压25 kV，观测前对样品表面进行喷金处理。对于改性前后的Mg(OH)2颜料粉末，先将其研磨再取少量加入到适量去离子水中，水溶液经超声分散3 min后取上层清液滴到干净的载玻片，盖上盖玻片后吸干周围的水渍并在适当温度下烘干玻片。最后干燥的盖玻片再镀金处理，并进行测试。

Mg(OH)2颜料及改性后的颜料粉末的粒度用粒度分析仪测试：取少量颜料粉末放入研钵中研磨成粉末，加入小烧杯中用去离子水溶解。将溶液放在超声波处理器中在60 kHz的频率下超声分散3 min。将超声波分散后的溶液静置取上层清液加入到比色皿中进行测试。

2结果与讨论

2.1反应时间对Mg(OH)2颜料粒度的影响

在MgCl2浓度2 mol/L、表面活性剂PVA-124质量分数0.2%、酸性染料的质量分数1.04%、反应温度60 ℃下，不同反应时间60、90、120、150 min制备的Mg(OH)2颜料粒度依次为10 325、5 042、5 316、6 137 nm。由此看出，Mg(OH)2颜料粒度随反应时间的延长先减小后增大，在90 min处粒度最小，对于整个制备Mg(OH)2颜料的工艺过程，反应生成沉淀，而在反应的过程中有磁力搅拌，打散生成的沉淀团聚，而加入表面活性剂又会使分散均匀。当反应时间小于90 min时，由于反应时间太短，生成Mg(OH)2颜料的沉淀团聚，此时Mg(OH)2颜料的粒径较大；而当反应时间大于90 min，随着时间的增加，由于染料间空间位阻存在斥力，使得染料在与Mg(OH)2共同形成Mg(OH)2颜料时存在斥力，此时粒径会增大。

由文献[10]可知，小粒径阻燃剂的阻燃效果更好。反应时间太短或太长都对粒度小的Mg(OH)2颜料的制备不利,所以最终确定制备Mg(OH)2颜料的最佳反应时间为90 min。

2.2反应温度对Mg(OH)2颜料粒度的影响

其他因素不变，改变反应温度为40、50、60、70 ℃，所得的Mg(OH)2颜料粒度依次为7 048、5 316、4 785、5 164 nm。由此看出，当反应温度在40～50 ℃时，粒径急剧降低；在50～60 ℃时，粒径继续降低，但降低速度减小；当反应温度在60～70 ℃时，粒径开始增大；60 ℃时，平均粒径达到最小。这是因为，对于化学反应来说，在一定范围内温度越高反应速度越快。只有在吸附染料的速度与生成沉淀速度达到动态平衡时，Mg(OH)2颜料的粒径才达到最小。在40～60 ℃时，吸附染料的速度小于生成沉淀的速度，所以粒径较大；在70 ℃时，温度高，反应速度快，以至于生成Mg(OH)2的速度太快，直接团聚，所以粒径最大。

对于阻燃剂，阻燃剂粒径越小，阻燃效果越好，原因是较小粒径的Mg(OH)2颜料具有较大的比表面积，因而材料在燃烧时，较小粒径的Mg(OH)2受热面积更大，会释放出更多的水蒸气带走更多的热量并稀释氧气[10]。所以，制备Mg(OH)2颜料的温度不宜太高或太低，应以60 ℃为最佳的反应温度。

2.3MgCl2初始浓度对Mg(OH)2颜料粒度的影响

其他因素不变，MgCl2的初始浓度分别为0.5、1.0、2.0、3.0 mol/L时，Mg(OH)2颜料粒度依次为7 048、4 936、4 321、5 380 nm。由此可知，随着MgCl2的初始浓度的增大，Mg(OH)2颜料颗粒的粒径先减小后增大。当浓度小于2 mol/L，Mg(OH)2颜料颗粒的粒径较大，是因为此时晶粒的生成速度较慢，微粒易集聚；而当浓度大于2 mol/L时，晶粒的生成速度过快，也使得其微粒集聚，平均粒径增加。所以，选择2 mol/L为制备Mg(OH)2颜料最佳的MgCl2初始浓度。

2.4扫描电镜结果分析

图1所示是Mg(OH)2颜料改性前后在扫描电镜下形貌图。 如图1(a)所示，未改性的Mg(OH)2颜料在干燥状态下为片状颗粒，团聚现象较为严重，颗粒粒径基本都在5～10 μm，粒径分布较宽，分散性较差。而改性后Mg(OH)2阻燃颜料(图1(b))的粒径没有显著的增加。

(a) 未改性Mg(OH)2颜料

(b) 改性Mg(OH)2颜料

2.5红外表征结果分析

图2　硅烷改性前后Mg(OH)2颜料的红外光谱图

3结论

通过单因素实验确定制备Mg(OH)2阻燃颜料的最佳工艺，再对颜料进行表征。在最佳工艺条件下，Mg(OH)2颗粒的粒度较小，有利于提高阻燃效果的提高。

对改性前后的Mg(OH)2颜料进行SEM表征，结果显示Mg(OH)2颜料呈片状结构，干燥后聚集成球形颜料颗粒。通过红外光谱对改性前后的Mg(OH)2颜料进行表征，结果表明硅烷改性后的Mg(OH)2颜料在1 715.34 cm-1处出现新峰，为—C的伸缩振动峰；在816.257 cm-1处出现新峰，对应的是Si—O—Si的弯曲振动吸收峰，表明Mg(OH)2颜料改性成功。硅烷改性后的Mg(OH)2颜料表面引入不饱和基团可接枝于纺织品表面以开发阻燃纺织品。

参考文献:

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[2] 冯霞,刘有智,申红艳,等.超细氢氧化镁阻燃剂的研究现状[J].塑料工业,2013，41(2):7-10.

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The preparation parameters of magnesium hydroxide flame retardant pigment

ZHANGYue1,WANGXiao1,CUIYongzhu1,WEIChunyan1,WANGWensheng2

( 1.School of Textile and Material Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China；2.School of Light Industry and Chemical Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )

Abstract:The optimal preparation process of magnesium hydroxide pigment was determined through the average particle size of pigment by single factor experiment. The optimal conditions were as follow: reaction time of 90 min, reaction temperature of 60 ℃, the initial concentration of MgCl2 of 2 mol/L. Under the conditions, the magnesium hydroxide pigment was prepared and its surface was modified by silane coupling agent. The morphology and size of pigment particle were characterized by SEM and FTIR. The result showed that the magnesium hydroxide flake pigments gathered into a ball after modification, of which size did not increased significantly. The retardant pigment after modification could be immobilized onto the surface of textiles due to the introduced unsaturated bond, so that the fire-retardant paint readily immobilized onto the textiles.

Key words:flame retardant; magnesium hydroxide pigment; silane modification

中图分类号:TS111.8

文献标志码:A

作者简介:张 月(1990-)，女，硕士研究生；通信作者：王 晓(1980-)，女，副教授.

收稿日期:2015-03-04.

文章编号:1674-1404(2016)02-0123-03