超细氢氧化镁粉体表面改性

会计学1超细氢氧化镁粉体表面改性引言

近年来，由聚合物材料着火所引起的重大火灾呈上升趋势，聚合物材料的阻燃越来越引起人们的重视，阻燃剂的发展与应用显得十分重要。氢氧化镁系无机添加型阻燃剂，是具有填充、阻燃和抑烟三重功能的化学助剂，并且产生的烟雾无毒、无腐蚀性。其阻燃机理可以从反应方程式看出（Mg(OH)2=MgO+H2O↑），添加了氢氧化镁阻燃剂的聚合物在受热分解时释放出水分，同时吸收大量潜热，降低了材料表面的火焰实际温度，使聚合物降解为低分子的速度减慢，减少了可燃气体的产生；分解过程中释放出的大量水蒸气冲淡了聚合物表面附近氧气和可燃气体的浓度，使表面燃烧较难进行；氢氧化镁有利于形成表面炭化层，阻止氧气和热量的进入；同时分解生成的氧化镁是良好的耐火材料，提高聚合物材料抵抗火焰的能力，起到隔绝空气阻止燃烧的目的。第1页/共15页

氢氧化镁缺点：一阻燃剂填充量大。研究表明，阻燃剂氢氧化镁填充量有的达到50～150份之多，随阻燃剂填充量的增大，阻燃效果得到很好的改善，但这样严重影响聚合物材料的加工性能和物理力学性能；二，由于氢氧化镁粉体表面含有大量的的酸性亲水基团-羟基，使其有较强的极性和亲水性，易形成团聚体。这样，极性的阻燃剂与非极性高分子材料之间的相容性和加工流动性变差，材料的机械力学性能下降。用适当的改性剂对氢氧化镁进行表面改性处理。表面改性处理即通过各种表面改性剂与颗粒表面化学反应和表面包覆处理改变颗粒的表面状态，提高表面活性，使表面产生新的物理、化学功能，从而改善或改变粉体的分散性、和高分子材料的相容性等等。阻燃剂氢氧化镁表面改性最常用的改性剂主要有两类：一类是硅烷偶联剂，另一类是钛酸酯偶联剂。第2页/共15页实验部分1.1主要原料及仪器设备

1主要原料：超细氢氧化镁粉体,平均粒径500nm，北京化工大学超重力实验室；硅烷偶联剂KH172,广州君叶偶联剂有限公司产品。

2仪器设备：电动搅拌机,D90-2F，杭州仪表电机厂；扫描电子显微镜（SEM）,QUANTA200，荷兰FEI公司；X射线能量色散谱（EDS）,6650，OXFORD公司；傅立叶变换红外光谱仪（FTIR）,Magna750，美国Nicolet公司。第3页/共15页1.2改性方法用去离子水将超细氢氧化镁配成5%～7%（质量分数）的浆料，调节搅拌机到一定转速，搅拌，混匀。称取一定量的硅烷偶联剂，用酒精稀释，在超声槽中分散5min，然后倒入氢氧化镁浆液中，在一定温度下改性一定时间。取出样品，抽滤、洗涤、干燥，得改性产品。1.3表征方法1.3.1活化指数的测定称取5g待测粉末样品，研细，称重。然后加入到盛有100mL蒸馏水的烧杯中，搅拌，静置12h。将沉降于烧杯底部的样品过滤，抽干，干燥，称重。用原样品的质量减去沉降于烧杯底部的样品质量，即可得到飘浮部分的质量。由下式可计算出活化指数：

H=m-m1/m

式中：H为粉末样品活化指数；m为粉末样品的总质量；m1为沉降于烧杯底部样品的质量。第4页/共15页

没有改性的氢氧化镁表面是极性的，在水中自然沉降H为0；改性后的氢氧化镁表面是非极性的，具有很强的疏水性，在水中由于具有比较大的表面张力而在水面上漂浮不沉，H>0；改性完全时，粉末全部漂浮在水面上，H为100%，粉末表面完全疏水。因此，H由0到100%的变化，可反映出活化程度由浅至深的过程，从而得知改性效果的情况。1.3.2能量色散谱分析将改性前后的粉末样品在电镜样品台上压实，经喷碳处理后做能谱扫描，测量样品中元素的含量，观察样品中元素的分布情况。能谱扫描时间为100s，死时间小于30%。1.3.3红外光谱分析将改性前后的粉末样品在105℃下烘干5h，分别用KBr压片，进行红外光谱测试。测试条件：检测器TDGS，分辨率4cm-1，波数范围4000～700cm-1。第5页/共15页2结果与讨论

2.1硅烷偶联剂的用量对活化指数的影响

在温度为40℃、转速4000r/min、搅拌时间60min的条件下，研究硅烷偶联剂的不同用量（相对于氢氧化镁干粉的质量分数）对活化指数的影响，结果见图1。第6页/共15页2.2改性温度对活化指数的影响在硅烷偶联剂用量7%、转速4000r/min、搅拌时间60min的条件下，研究不同改性温度对改性效果的影响，结果见图2。第7页/共15页2.3改性时间对活化指数的影响

在硅烷偶联剂用量7%、转速4000r/min、改性温度40℃的条件下，研究不同搅拌时间对改性效果的影响，结果见图3。第8页/共15页2.4改性前后粉体能量色散谱(EDS)扫描结果

图4和图5为改性前后Mg(OH)2

粉体的EDS图。可以看出，改性后氢氧化镁的EDS图上显示有硅元素的存在，而改性前没有。第9页/共15页

从图6和图7分别为改性后Mg(OH)2

粉体中Si元素和Mg元素面扫描结果。可以看出，元素面扫描结果显示硅的分布比较均匀。由此表明，这种湿法改性使氢氧化镁粉体表面结合了硅烷偶联剂。第10页/共15页2.5红外光谱分析结果图8为改性前后Mg(OH)2

的红外光谱图。可以看出，氢氧化镁经硅烷偶联剂改性后，在1122cm-1和1043cm-1处出现了Si-O氧键的特征吸收峰；在2921cm-1和2852cm-1处出现了甲基和亚甲基的特征吸收峰。可以推断，硅烷偶联剂和氢氧化镁粉体表面发生了化学键合，形成了化学键。第11页/共15页2.6硅烷偶联剂改性氢氧化镁机理分析硅烷偶联剂KH172的分子式为CH2=CH-Si（-O-CH2CH2-OCH3）3，简写为R-Si-3。R代表与聚合物有亲和力的有机官能团乙烯基，X代表能够水解且与改性剂粉体表面起反应的烷氧基。在一定温度，并且高速搅拌的条件下，有机硅烷发生水解形成硅醇，然后与氢氧化镁粉体粒子表面上的羟基起反应并最终生成化学键。该反应过程可以用以下反应式表示：

第12页/共15页Si-X官能团也有可能与填料表面直接反应，生成一个硅氧键和副产物HX，即：由此可以看出，具有极性表面的氢氧化镁粉体通过改性，表面结合了非极性的有机官能团，其表面由亲水性转变为憎水性。这样，作为阻燃剂的超细氢氧化镁和聚合物材料混合时，其相容性和加工性能将得到很好的改善。第1