超細(xì)氫氧化鎂粉體表面改性

會(huì)計(jì)學(xué)1超細(xì)氫氧化鎂粉體表面改性引言

近年來，由聚合物材料著火所引起的重大火災(zāi)呈上升趨勢(shì)，聚合物材料的阻燃越來越引起人們的重視，阻燃劑的發(fā)展與應(yīng)用顯得十分重要。氫氧化鎂系無機(jī)添加型阻燃劑，是具有填充、阻燃和抑煙三重功能的化學(xué)助劑，并且產(chǎn)生的煙霧無毒、無腐蝕性。其阻燃機(jī)理可以從反應(yīng)方程式看出（Mg(OH)2=MgO+H2O↑），添加了氫氧化鎂阻燃劑的聚合物在受熱分解時(shí)釋放出水分，同時(shí)吸收大量潛熱，降低了材料表面的火焰實(shí)際溫度，使聚合物降解為低分子的速度減慢，減少了可燃?xì)怏w的產(chǎn)生；分解過程中釋放出的大量水蒸氣沖淡了聚合物表面附近氧氣和可燃?xì)怏w的濃度，使表面燃燒較難進(jìn)行；氫氧化鎂有利于形成表面炭化層，阻止氧氣和熱量的進(jìn)入；同時(shí)分解生成的氧化鎂是良好的耐火材料，提高聚合物材料抵抗火焰的能力，起到隔絕空氣阻止燃燒的目的。第1頁(yè)/共15頁(yè)

氫氧化鎂缺點(diǎn)：一阻燃劑填充量大。研究表明，阻燃劑氫氧化鎂填充量有的達(dá)到50～150份之多，隨阻燃劑填充量的增大，阻燃效果得到很好的改善，但這樣嚴(yán)重影響聚合物材料的加工性能和物理力學(xué)性能；二，由于氫氧化鎂粉體表面含有大量的的酸性親水基團(tuán)-羥基，使其有較強(qiáng)的極性和親水性，易形成團(tuán)聚體。這樣，極性的阻燃劑與非極性高分子材料之間的相容性和加工流動(dòng)性變差，材料的機(jī)械力學(xué)性能下降。用適當(dāng)?shù)母男詣?duì)氫氧化鎂進(jìn)行表面改性處理。表面改性處理即通過各種表面改性劑與顆粒表面化學(xué)反應(yīng)和表面包覆處理改變顆粒的表面狀態(tài)，提高表面活性，使表面產(chǎn)生新的物理、化學(xué)功能，從而改善或改變粉體的分散性、和高分子材料的相容性等等。阻燃劑氫氧化鎂表面改性最常用的改性劑主要有兩類：一類是硅烷偶聯(lián)劑，另一類是鈦酸酯偶聯(lián)劑。第2頁(yè)/共15頁(yè)實(shí)驗(yàn)部分1.1主要原料及儀器設(shè)備

1主要原料：超細(xì)氫氧化鎂粉體,平均粒徑500nm，北京化工大學(xué)超重力實(shí)驗(yàn)室；硅烷偶聯(lián)劑KH172,廣州君葉偶聯(lián)劑有限公司產(chǎn)品。

2儀器設(shè)備：電動(dòng)攪拌機(jī),D90-2F，杭州儀表電機(jī)廠；掃描電子顯微鏡（SEM）,QUANTA200，荷蘭FEI公司；X射線能量色散譜（EDS）,6650，OXFORD公司；傅立葉變換紅外光譜儀（FTIR）,Magna750，美國(guó)Nicolet公司。第3頁(yè)/共15頁(yè)1.2改性方法用去離子水將超細(xì)氫氧化鎂配成5%～7%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的漿料，調(diào)節(jié)攪拌機(jī)到一定轉(zhuǎn)速，攪拌，混勻。稱取一定量的硅烷偶聯(lián)劑，用酒精稀釋，在超聲槽中分散5min，然后倒入氫氧化鎂漿液中，在一定溫度下改性一定時(shí)間。取出樣品，抽濾、洗滌、干燥，得改性產(chǎn)品。1.3表征方法1.3.1活化指數(shù)的測(cè)定稱取5g待測(cè)粉末樣品，研細(xì)，稱重。然后加入到盛有100mL蒸餾水的燒杯中，攪拌，靜置12h。將沉降于燒杯底部的樣品過濾，抽干，干燥，稱重。用原樣品的質(zhì)量減去沉降于燒杯底部的樣品質(zhì)量，即可得到飄浮部分的質(zhì)量。由下式可計(jì)算出活化指數(shù)：

H=m-m1/m

式中：H為粉末樣品活化指數(shù)；m為粉末樣品的總質(zhì)量；m1為沉降于燒杯底部樣品的質(zhì)量。第4頁(yè)/共15頁(yè)

沒有改性的氫氧化鎂表面是極性的，在水中自然沉降H為0；改性后的氫氧化鎂表面是非極性的，具有很強(qiáng)的疏水性，在水中由于具有比較大的表面張力而在水面上漂浮不沉，H>0；改性完全時(shí)，粉末全部漂浮在水面上，H為100%，粉末表面完全疏水。因此，H由0到100%的變化，可反映出活化程度由淺至深的過程，從而得知改性效果的情況。1.3.2能量色散譜分析將改性前后的粉末樣品在電鏡樣品臺(tái)上壓實(shí)，經(jīng)噴碳處理后做能譜掃描，測(cè)量樣品中元素的含量，觀察樣品中元素的分布情況。能譜掃描時(shí)間為100s，死時(shí)間小于30%。1.3.3紅外光譜分析將改性前后的粉末樣品在105℃下烘干5h，分別用KBr壓片，進(jìn)行紅外光譜測(cè)試。測(cè)試條件：檢測(cè)器TDGS，分辨率4cm-1，波數(shù)范圍4000～700cm-1。第5頁(yè)/共15頁(yè)2結(jié)果與討論

2.1硅烷偶聯(lián)劑的用量對(duì)活化指數(shù)的影響

在溫度為40℃、轉(zhuǎn)速4000r/min、攪拌時(shí)間60min的條件下，研究硅烷偶聯(lián)劑的不同用量（相對(duì)于氫氧化鎂干粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）對(duì)活化指數(shù)的影響，結(jié)果見圖1。第6頁(yè)/共15頁(yè)2.2改性溫度對(duì)活化指數(shù)的影響在硅烷偶聯(lián)劑用量7%、轉(zhuǎn)速4000r/min、攪拌時(shí)間60min的條件下，研究不同改性溫度對(duì)改性效果的影響，結(jié)果見圖2。第7頁(yè)/共15頁(yè)2.3改性時(shí)間對(duì)活化指數(shù)的影響

在硅烷偶聯(lián)劑用量7%、轉(zhuǎn)速4000r/min、改性溫度40℃的條件下，研究不同攪拌時(shí)間對(duì)改性效果的影響，結(jié)果見圖3。第8頁(yè)/共15頁(yè)2.4改性前后粉體能量色散譜(EDS)掃描結(jié)果

圖4和圖5為改性前后Mg(OH)2

粉體的EDS圖。可以看出，改性后氫氧化鎂的EDS圖上顯示有硅元素的存在，而改性前沒有。第9頁(yè)/共15頁(yè)

從圖6和圖7分別為改性后Mg(OH)2

粉體中Si元素和Mg元素面掃描結(jié)果?？梢钥闯?，元素面掃描結(jié)果顯示硅的分布比較均勻。由此表明，這種濕法改性使氫氧化鎂粉體表面結(jié)合了硅烷偶聯(lián)劑。第10頁(yè)/共15頁(yè)2.5紅外光譜分析結(jié)果圖8為改性前后Mg(OH)2

的紅外光譜圖?？梢钥闯觯瑲溲趸V經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑改性后，在1122cm-1和1043cm-1處出現(xiàn)了Si-O氧鍵的特征吸收峰；在2921cm-1和2852cm-1處出現(xiàn)了甲基和亞甲基的特征吸收峰?？梢酝茢?，硅烷偶聯(lián)劑和氫氧化鎂粉體表面發(fā)生了化學(xué)鍵合，形成了化學(xué)鍵。第11頁(yè)/共15頁(yè)2.6硅烷偶聯(lián)劑改性氫氧化鎂機(jī)理分析硅烷偶聯(lián)劑KH172的分子式為CH2=CH-Si（-O-CH2CH2-OCH3）3，簡(jiǎn)寫為R-Si-3。R代表與聚合物有親和力的有機(jī)官能團(tuán)乙烯基，X代表能夠水解且與改性劑粉體表面起反應(yīng)的烷氧基。在一定溫度，并且高速攪拌的條件下，有機(jī)硅烷發(fā)生水解形成硅醇，然后與氫氧化鎂粉體粒子表面上的羥基起反應(yīng)并最終生成化學(xué)鍵。該反應(yīng)過程可以用以下反應(yīng)式表示：

第12頁(yè)/共15頁(yè)Si-X官能團(tuán)也有可能與填料表面直接反應(yīng)，生成一個(gè)硅氧鍵和副產(chǎn)物HX，即：由此可以看出，具有極性表面的氫氧化鎂粉體通過改性，表面結(jié)合了非極性的有機(jī)官能團(tuán)，其表面由親水性轉(zhuǎn)變?yōu)樵魉浴＿@樣，作為阻燃劑的超細(xì)氫氧化鎂和聚合物材料混合時(shí)，其相容性和加工性能將得到很好的改善。第1