棉花模板制备铝酸镍阻燃剂及其应用*

陈灵智，孙会娟，刘 浩，梁秀宁

（衡水学院，河北衡水053000）

铝酸盐是双金属型化合物，结晶状结构，无毒、无害，清洁环保无污染。铝酸盐的制备方法主要有水热合成法［1］、高温煅烧法［2］、溶胶-凝胶法［3］、共沉淀法［4］和模板法等［5-7］。 其中，模板法是目前制备新型特殊形貌无机阻燃剂的一种新的合成方法［8］。与其他制备方法相比，模板法具有控制所要合成物质形貌和尺寸的优点，在合成过程中反应条件比较温和、能耗较少，对环境污染小，合成出的样品有一定的长径比，在无机化合物的研究中将会越来越受到人们的欢迎。棉花在华北地区产量较高，作为生物质材料来源丰富，具有较为明显的纤维状结构，可在仿生合成中用其作模板，制备特殊形貌的无机化合物。笔者采用棉花为模板合成具有较高长径比的铝酸镍阻燃剂，并将其应用到PVC中，研究其对PVC材料阻燃和抑烟性能的影响。

1 实验部分

1.1 原料和试剂

硝酸铝（分析纯）；硝酸镍（分析纯）；PVC（SG-5）；硬脂酸（分析纯）；邻苯二甲酸二辛酯（DOP，分析纯）。

1.2 铝酸镍制备

将1 mol/L的硝酸铝和硝酸镍溶液按物质的量比为2∶1混合，加入棉花模板，在60℃超声1 h，静置10 h，加热蒸发后烘干，在800℃灼烧3 h，得到粉末状铝酸镍。

1.3 PVC产品制备

将100 g PVC与DOP、稀土复合稳定剂、偶联剂、硬脂酸及硬脂酸钙以及不同量的铝酸镍混合均匀，在双辊混炼机上混炼，控制混炼温度为145℃、混炼时间为8 min。然后放入平板硫化机中硫化热压成型，2 MPa保压2 min、10 MPa保压8 min。然后取出，冷压成型10 min。

1.4 样品性能测试

采用D8-ADVANCE型X射线衍射仪对铝酸镍进行物相分析。采用Phenom Prox电镜能谱一体机对铝酸镍进行元素分析。采用Phenom飞纳台式扫描电镜观察铝酸镍的形貌。采用HC-1型氧指数测定仪，按照GB/T 2406—1993《塑料燃烧性能试验方法：氧指数法》要求，对用铝酸镍阻燃前后PVC树脂的氧指数进行测试。采用JCY-2型建材烟密度测试仪，按照GB/T 8627—2007《建筑材料燃烧或分解的烟密度试验方法》要求，测定用铝酸镍阻燃前后PVC材料的烟密度。

2 结果与讨论

2.1 XRD分析

图1为铝酸镍XRD谱图。由图1看出，在2θ为31.40、37.01、44.99、59.66、65.53、83.01 °处出现特征峰，对应（220）（311）（400）（511）（400）（444）晶面。通过与铝酸镍标准谱图比对，表明通过棉花模板法制备的铝酸镍阻燃剂为纯相。

图1 铝酸镍XRD谱图

2.2 EDS分析

图2为铝酸镍EDS图。从图2看出，铝酸镍样品中含有C、Ni、Al、O元素。样品中含有C元素主要是因为棉花中含有纤维，在以棉花作为模板高温合成铝酸镍时，棉花中含有的C元素没有被完全除去，因此制备的铝酸镍中含有少量的C元素。样品中含有Ni、Al、O元素是因为合成铝酸镍的原料是硝酸镍和硝酸铝，这两种物质经高温煅烧生成铝酸镍，与阻燃剂的组成一致。经过分析得知，EDS分析结果与XRD结果一致。

图2 铝酸镍EDS图

2.3 SEM分析

图3为铝酸镍SEM照片。从图3看出，模板合成的铝酸镍具有较好的长径比，表面有大量的孔径结构；对其截面进行观察发现，表面有大量的微孔，并且铝酸镍内部为中空结构。可能是阻燃剂在合成过程中吸附在棉花模板表面，高温灼烧后除去模板，在其内部形成中空结构，而整体保留较好的长径比以及棉花的纤维状结构。材料表面的小孔，可能是由于棉花模板的絮状表面经高温煅烧后，在铝酸镍的内外表面产生大量的小孔。

图3 铝酸镍SEM照片

2.4 铝酸镍对PVC阻燃抑烟效果的影响

表1为阻燃前后PVC的氧指数和烟密度。由表1中的氧指数数据可知，不加铝酸镍时PVC氧指数为26.9%；加入7 g铝酸镍时PVC氧指数为33.4%，比空白样氧指数提高6.5%，阻燃效果明显；当铝酸镍加入量增加到9 g时，PVC氧指数反而降低。由表1中的烟密度等级数据可知，不加铝酸镍时PVC烟密度等级是98.24%；加入1 g铝酸镍时PVC烟密度等级是93.45%，降低不太明显；铝酸镍加入量达到7 g时PVC烟密度等级降低到72.54%，降低了25.7%；铝酸镍加入量达到9 g时，PVC烟密度等级又上升到80.02%。综上分析得知，当铝酸镍加入量为7 g时，对PVC有较好的阻燃抑烟效果。

表1 阻燃前后PVC的氧指数和烟密度

3 结论

采用棉花为模板，硝酸镍和硝酸铝为前躯体，合成铝酸镍阻燃剂。合成的铝酸镍经XRD和EDS表征基本为纯相，只是有少量C残留。经扫描电镜观察发现，制备的铝酸镍为中空结构，其内外表面有大量的孔径结构。通过对PVC材料的氧指数、烟密度测试发现，当铝酸镍加入量为7 g时，PVC的阻燃抑烟效果最好，其极限氧指数为33.4%、烟密度等级为72.54%。