了解超细氢氧化镁粉体的阻燃机理及其表面改性

 新闻资讯     |      2019-06-06 16:34

氢氧化镁是白色粉末状的六角形或无定性的片状结晶,是一种重要的无机化工产品,在国民经济中有着举足轻重的作用和地位。在材料加工(如阻燃、精细陶瓷、电子材料、涂料)、环境保护(如酸性废水中和、烟气脱硫、重金属脱除、燃煤固硫等)、食品加工、医疗卫生等方面都有着广泛的应用。

 

(图片来源:网络)

 

与有机阻燃剂相比,无机阻燃材料因在火场中不会产生大量有毒有害气体,便于人员的逃生而受到广泛关注。氢氧化镁具有无毒、无卤、抑烟、价廉及耐高温等特性,是一种绿色环保的无机添加型阻燃剂。其阻燃机理和特点如下:

 

(1)氢氧化镁热分解产生的水蒸气可有效稀释氧气浓度,阻碍燃烧;

(2)氢氧化镁的热容大,热分解过程中可有效降低高分子基材所吸收的热能,使高分子基材的热分解有所延缓;

(3)氢氧化镁形成的表面炭化层可以延缓燃烧,并能够抑制分解气体的燃烧;

(4)氢氧化镁分解吸收大量的热量,降低被阻燃材料的温度,可有效延缓高聚物分解速度;

(5)氢氧化镁热分解产生的氧化镁本身就是优良的耐火材料,覆盖于高分子基材表面能够隔绝空气使燃烧受阻;

(6)氢氧化镁用作阻燃剂时添加量较大才能提高高聚物的难燃性。
 

氢氧化镁的表面改性
作为添加型无机阻燃剂,需要较大的添加量才能达到高阻燃的要求,为解决大量添加时给材料力学性能带来的负面影响,目前对Mg(OH)2阻燃剂的研究主要是从超细化、表面极性的改进、低团聚性等方面取得突破来提高性价比。

 

未经处理的超细氢氧化镁颗粒表面能高,处于热力学亚稳态,极易团聚,同时其表面亲水疏油,在有机介质中难于均匀分散,与高聚物间结合力极差,易造成界面缺陷,致使高聚物的某些性能急剧降低,以至于制品无法使用。因此,要对其进行表面改性处理,在一定程度上提高憎水性能,以便改善两者间的相容性和分散性。
 

氢氧化镁的表面改性主要有表面化学改性、表面接枝改性和微胶囊化改性等方法。其中,表面化学改性是比较传统的改性方法,表面化学改性中的改性剂为偶联剂、表面活性剂和复合改性剂。表面接枝改性是将改性剂接在高分子表面上,形成大分子改性剂,进而改善高分子材料表面性质的技术,接枝后氢氧化镁的表面性质有很大改变,吸水率降低25%~70%,疏水性增强。使用微胶囊化技术可使氢氧化镁热稳定性良好,粉体与聚合物极体之间的界面黏性得到提高,而且改性材料的力学性能也有所提高。
 

偶联剂改性
偶联剂改性是偶联剂与超细粉体表面发生化学偶联反应,两组分之间除了范德华力、氢键或配位键相互作用外,还有离子键和共价键的结合。偶联剂分子必须具备两种基团:能与无机纳米粒子进行反应的极性基团和与有机物具有反应性或相容性的基团。通过偶联剂处理,高表面能的纳米粒子与低表面能的有机体有较好的亲和性。根据中心原子的不同,可将偶联剂分为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、锆酸酯偶联剂、锆铝酸盐偶联剂、铝钛复合偶联剂等。

 

 

表面活性剂改性
表面活性剂分子结构的特点是含有疏水基和亲水基。表面活性剂的类型很多,包括阴离子型、阳离子型以及非离子型等,如高级脂肪酸及其盐、醇类、胺类和酯类等,其分子的一端为长链烷基,结构与聚合物分子相近;另一端为羧基、醚基、氨基等极性基团,可与氢氧化镁粒子发生吸附或化学反应,而附着在氢氧化镁粉末表面,又因表面活性剂的烃基与高聚物有亲和性,抑制了氢氧化镁粉体的团聚现象,所以经表面活性剂表面改性的氢氧化镁在橡胶和塑料中有较好的分散性。

 

聚合物表面接枝改性
聚合物表面接枝也是常用的表面改性方法。有些无机粉体粒子表面具有可以发生自由基反应的活性点,在适当条件下,高分子聚合物活性单体可在这些活性点上反应接枝于粒子表面上,再引发聚合反应。将聚合物长链接枝在粉体表面,聚合物中含亲水基团的长链通过水化伸展在水介质中起立体屏蔽作用,这样粉体在介质中的分散稳定除了依靠静电斥力外又依靠空间位阻,效果十分明显。这种处理方法可使得接枝前团聚程度大的粉体,接枝以后团聚程度显著降低,不易再团聚,分散稳定性增加。用于氢氧化镁粉体表面改性的高分子处理剂通常有聚丙烯酸(盐)、三元共聚物等。

 

超细氢氧化镁表面改性效果的评价方法
氢氧化镁表面改性效果的评价方法可分为直接法和间接法两种。

 

直接法:改性氢氧化镁表面性能可以通过考察改性粉体填充形成的制品性能,特别是力学性能便可对改性效果作出直接评价,如以最终复合材料制品的氧指数、冲击强度、挠曲强度、拉伸强度、伸长率、热变形温度、硬度及熔体流变性等参数。但这种方法的缺点是工艺线路及过程都比较复杂。
 

间接法:是通过改性物料的一些参数来表征粉体表面改性效果,例如接触角、粘度、亲油性和平均粒径等方法,这些方法在实际生产中简便、直观地反映了粉体的改性效果。也可采用先进的分析测试手段对超细粉体表面改性机理进行分析并评判其改性效果。如利用红外光谱、差热分析(DTA)、扫描电镜(SEM)、能谱分析和俄歇能谱分析,对粉体表面改性的结构、均匀性、厚度及化学元素变化等因素进行详细的分析,用活化指数、吸附实验、沉降性质、Zeta电位等来表征超细粉体的表面改性效果。
 

结语
超细氢氧化镁的表面改性技术与其它众多学科密切相关,涉及胶体化学、有机化学、结晶学、纳米材料学、现代仪器分析与测试等诸多领域。其改性机理、改性方法及设备,改性效果表征技术等仍待进一步的研究与完善。