氢氧化镁阻燃剂的表面改性及应用研究
【摘要】用硅烷和钛酸酯偶联剂分别对氢氧化镁阻燃剂进行表面改性并将其加入聚丙烯中制备阻燃复合材料，研究不同表面活性剂改性的氢氧化镁阻燃剂的效果，并测试所制备的阻燃复合材料阻燃性能和力学性能。
结果表明，硅烷偶联剂表面改性后的氢氧化镁能更好改善复合材料的力学性能，显著提高聚丙烯的阻燃性能。
【关键词】氢氧化镁；阻燃剂；表面改性
0 引言
氢氧化镁（MH）是近年来研发的一种新型无公害阻燃剂，具有分解温度高、热稳定性好、价格便宜等优点，被广泛应用于聚合物阻燃[1-2]。
但其阻燃效率较低，且作为极性无机物，与高聚物相容性较差，在聚合物基材中分散不均[3-4]，会破坏材料的力学性能。
通过对MH 的表面处理，改善其在聚合物中的分散性，提高复合材料的力学性能和阻燃性能。
本实验分别选用KH-550和NDE-31为改性剂，对氢氧化物阻燃剂粉体进行表面改性，并将改性后的MH阻燃剂加入聚丙烯（PP）中制备阻燃复合材料，研究其改性效果。
1 实验部分
1.1 实验药品、仪器
1.1.1 药品
氢氧化镁阻燃剂由广州延瑞化工有限公司提供；无水乙醇，分析纯，购自嘉兴国药集团化学试剂有限公司；硅烷偶联剂KH-550、酞酸酯偶联剂NDE-31来自嘉兴精博化学品公司；聚丙烯（PP）购自嘉兴龙源物质有限公司；去离子水，自制。
1.1.2 仪器
循环水式多用真空泵SHB-Ⅲ，郑州长城科工贸有限公司；分析天平，梅特勒一托利多仪器有限公司；平底加热磁力搅拌器ZNCL-BS，河南爱博特科技有限公司；高速剪切乳化机，无锡诺亚机械有限公司；恒温水浴锅DK-S24，上海精宏实验设备有限公司；高速混合机，JYHG-100W，深圳市嘉源科创塑料机械有限公司；注塑成型机，FTN-90B，浙江申达机器制造有限公司；双螺杆挤出造粒机，SHJ-20，南京格兰特橡塑公司；变频电机万能试验机，JH-20KN，上海简支仪器设备有限公司；氧指数测定仪，HC-2，南京市江宁区分析仪器厂。
1.2 实验
1.2.1 MH表面改性
将MH阻燃剂粉体置于真空干燥箱中干燥3h；加乙醇超声分散30min后水浴加热至70℃。
称取一定量表面改性剂，加入90%的乙醇水溶液，置于恒温磁力搅拌器搅拌1.5h后，静置、过滤，置于真空干燥箱中80℃干燥20h后，粉碎、筛分，得到改性后的氢氧化镁粉体。
1.2.2 阻燃PP试样的制备
PP在80℃下干燥4小时，与表面改性好的MH及助剂按一定比例加入到双螺杆挤出机中，共混挤出，造粒烘干。
用注塑机注塑，按国标制得测试所需标准样品。
1.3 性能测试
用特定模具将拉伸样条制成标准样条，根据GB1040-79方法用万能试验机测定复合材料的拉伸强度和断裂伸长率。
按GB2406-80标准在JF 氧指数测定仪器上测试。
在扫描电子显微镜上观察改性前后MH形态。
2 结果与讨论
2.1 偶联剂用量与PP/MH复合材料力学性能和阻燃性能关系
表1 硅烷偶联剂用量与PP/MH复合材料力学性能和阻燃性能关系
表2 钛酸酯偶联剂用量与PP/MH复合材料的力学性能和
阻燃性能关系
分别采用不同比例的硅烷偶联剂KH-550和钛酸酯偶联剂NDE-31对MH进行表面改性处理。
将改性后的氢氧化镁添加至等量的PP中制备复合材料，测试其力学性能和阻燃性能，结果如表1和表2。
从表中可以看出，对于两种偶联剂而言，复合材料的力学性能和阻燃性能都在表面改性处理后有所提高，这是因为偶联剂可以增加极性阻燃剂和非极性聚合物基体间的相容性，使氧氧化镁粉体在聚合物基体中均匀分散，从而提高其力学性能，由于MH与PP间的界面结合更为密实，在燃烧过程中生成的氧化物有更高的强度[5-6]，从而形成稳定保护层，阻止可燃气体逸出，进一步提高的阻燃性。
从表中可看出，在一定范围内拉伸强度和断裂伸长率都随表面改性剂用量的增加而增加，当改性剂的用量达一定值时，拉伸强度达最大值，继续增加处理剂用量，力学性能和阻燃性能都略有降低，因为偶联剂用量过高，会降低复合材料中MH的比例，影响阻燃效果。
将两种偶联剂加以比较，则硅烷偶联剂改样的效果较好。
综合考虑阻燃和力学性能，3%的硅烷偶联剂包覆量处理的氢氧化镁效果较好，再增加偶联剂量，力学性能没有更明显改善。
2.2 偶联剂用量与无机氢氧化镁粉体形态间关系
由于无机氢氧化镁粉体表面能较高，极易团聚，对不同偶联剂含量改性前后的粉体进行了观察，其结果如图1和图2所示，从图中看出当改性剂含量较少时，对其表面处理后，表面的改性剂达到单分子层覆盖，降低表面能，有助于提高粉体的分散性。
改性剂用量过大时，在的表面形成的多层物理吸附使部分极性基团朝外，粒子之间搭桥导致絮凝，使得稳定性变差，改性效果变差。
2.3 硅烷偶联剂改性MH用量与PP/MH复合材料力学性能和阻燃性能关系
将硅烷偶联剂KH-550改性后的氢氧化镁与PP按不同的质量比共混制备复合材料样条，测其阻燃性和力学性能，从图中看出，随着MH/PP复合材料中改性氢氧化镁质量比增加，极限氧指数增大，拉伸强度、断裂伸长率减小。
这是由于氢氧化镁与PP间存在一定的界面差异，随着其用量的增加势必会降低体系的机械力学性能。
当MH与PP的质量比为1.8时，材料的极限氧指数上升明显而力学性能下降幅度不大，这样既保持了较好的阻燃效果，对其力学性能的影响也较小。
3 结论
研究了两种不同改性剂对氢氧化镁的表面处理，实验发现，硅烷偶联剂KH550比酞酸酯偶联剂NDE-31改性剂效果好。
采用3%的改性剂用量处理的MH能有效地阻燃PP，而当改性后MH与PP质量比达1.8且能使体系的机械力学性能各项参数控制在正常的应用范围内。
【参考文献】
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