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层状镁铝氢氧化物的设计合成与阻燃性研究

李鑫  
【摘要】: 层状镁铝氢氧化物是由金属离子填充的氧八面体结构构成的层状化合物。由于其组成和结构特点使其具有优异的抑烟性和阻燃性,这类化合物在阻燃聚合物复合材料领域有重要的应用价值和前景。层状镁铝氢氧化物在聚合物中应用时仍未解决的几个关键问题包括:自身具有亲水性,极性与聚合物基体相差较大引起复合时分散不均;阻燃效率低,为使复合材料达到相关的阻燃测试标准,填充量需要60wt%以上,这常常引起基体材料综合性能的降低。本文以层状水镁石为切入点,研究其超细和表面改性工艺,在此基础上,通过改性水镁石与晶须的复配增强作用、层状结构中元素的调变增强作用及镁铝氢氧化物的层状结构设计等进一步提高阻燃性或降低填充量,并改善复合材料的力学性能。具体内容如下: 1.水镁石机械力化学法超细改性及其阻燃性能研究。以325目水镁石为原料,利用行星式球磨技术对其进行了超细化研究,建立水镁石行星球磨粉碎动力学方程,得到最佳球磨工艺参数,同时在球磨过程中加入表面活性剂同步实现粉体的改性。通过激光粒度仪、SEM、粘度测试、活化率测试、接触角测试仪对处理前后的粉体进行了粒度、形貌及表面性质的表征。结果表明,在介质填充率50%,球磨转速520r/min,球磨时间50min,表面活性剂量占粉体质量的2%的研磨条件下,水镁石粉体D9o由32.75μm降到1.26gm,且形貌均匀,同时粉体表面呈亲油性,接触角达到131°。将处理前后的粉体应用于聚酯材料并比较聚酯复合材料的阻燃性能。在相同添加量(45wt%)条件下,超细改性前后水镁石填充聚酯复合材料热释放速率峰值分别为194.9 kW/m2、183.7 kW/m2。 2. NaAl(OH)2CO3晶须制备及其与超细改性水镁石复合阻燃性能研究。采用醇盐水热法制备NaAl(OH)2CO3晶须,探讨了反应物配比、初始pH值、反应温度、反应时间对产物形貌的影响。在初始溶液的pH=10,Na/Al摩尔比3,反应温度120℃,反应时间15h条件下,合成的NaAl(OH)2CO3晶须长度为10-20μm,长径比为20~40,外形规整,分散性好。基于复配增强作用,将制得的晶须与层状水镁石复合应用于乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)材料,比较了不同配比水镁石与NaAl(OH)2CO3对EVA材料性能的影响。复合材料LOI和UL-94阻燃测试结果表明,总添加量保持50wt%,水镁石填充EVA复合材料的氧指数为27,未能通过UL94测试,复合材料拉伸强度为11.21MPa,断裂伸长率为130%。NaAl(OH)2CO3/;水镁石配比为5:45时,复合材料氧指数为32,并通过了UL94V-0级别。复合材料拉伸强度为12.25MPa,断裂伸长率为214%,分别提高了9%、64%。 3.类水滑石(LDHs)结构的MgAlFe-CO3氢氧化物制备及阻燃性能研究。基于铁催化交联成炭作用,采用尿素水热法制备六方片状MgAlFe-CO3氢氧化物,研究了反应物浓度、尿素/(Al3++Fe3+)摩尔比、反应时间、反应温度等对产物形貌的影响。在镁、铝、铁离子总浓度为0.2M,尿素与三价离子摩尔比例为7,反应时间18h,反应温度140℃,产物的直径为2-3μm,厚度0.3μm。采用熔融共混法制备了不同配方的EVA复合材料。结果表明,元素的分子水平复合更利于发挥各自的阻燃作用,实现元素复合阻燃增强作用。将添加MgAlFe-CO3的EVA复合材料分别与添加水镁石、MgAl-CO3的EVA复合材料比较发现:其阻燃性显著提高,氧指数达到33,后两者氧指数分别为27和27.8;并且该复合材料CO释放量最低。 4.LHS结构的羟基苯甲酸锌(ZHB)制备及阻燃性能研究。基于苯甲酸与聚苯乙烯(PS)相容性和插层复合作用,水热法合成了的羟基苯甲酸锌,并采用原位聚合法成功制备PS/ZHB纳米复合材料。考察了ZHB对PS的复合效果和阻燃性能。通过XRD、TEM和FT-IR表征复合材料的结构,通过TG、CONE分析了ZHB组分对PS热稳定化作用。实验结果表明ZHB层间距为1.46nm,可形成插层—层离混合的纳米复合结构,而水镁石与MgAlFe-CO3类水滑石的层间距只有0.48nm与0.79nm。PS/ZHB纳米复合材料的TGA数据表明以10%质量失重温度为比较点,纯PS和ZHS含量为1%的ZHS/PS纳米复合材料样品的热氧降解温度分别为376℃、401℃,提高了25℃。


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