無機阻燃劑氫氧化鋁表面改性的研究

1、論文導(dǎo)讀：國內(nèi)對氫氧化鋁表面改性處理已經(jīng)做了大量研究工作。鑒于上述情況本文選用一種表面活性劑與偶聯(lián)劑按一定比例復(fù)配成表面改性劑。為氫氧化鋁無機阻燃劑在有機高聚物中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。阻燃劑，無機阻燃劑氫氧化鋁表面改性的研究。關(guān)鍵詞：氫氧化鋁，阻燃劑，表面改性1前言20世紀(jì)50年代后，有機高聚物迅猛發(fā)展，三大合成材料愈來愈多地應(yīng)用于國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域和人民日常生活的各個方面。由于生產(chǎn)和應(yīng)用的有機高聚物絕大多數(shù)是易燃或可燃的，且燃燒時釋放大量熱量，產(chǎn)生大量有毒和腐蝕性氣體及煙塵，給逃難、救生和消防等工作帶來巨大困難，形成當(dāng)代火災(zāi)與過去火災(zāi)不同的特點。因此，有機高聚物的阻燃成為當(dāng)今社會研究的重要課題，

2、而尋求無毒、無二次污染的綠色環(huán)保型阻燃材料便成了目前國內(nèi)外研究的熱點。氫氧化鋁（ATH）作為無機阻燃劑中最主要的一種，它除了具有阻燃、消煙和阻熔滴等功能1，還可提高高分子材料的尺寸穩(wěn)定性和改善印刷性能等優(yōu)點。由于氫氧化鋁無味、無毒、低腐蝕，原料來源廣，價格低廉，目前其消耗量在所有阻燃劑中穩(wěn)居首位，占阻燃劑總耗量的約45%，占無機阻燃劑總耗量的70%2。因此，氫氧化鋁的以其優(yōu)良的阻燃、抑煙和無毒等特性越來越受到人們的關(guān)注，是一種應(yīng)用前景廣闊的無機綠色環(huán)保型阻燃劑。然而，氫氧化鋁為非增強性無機阻燃劑，因其與有機高聚物相容性差，在高填充量的復(fù)合材料斷面常會形成由于彌散度和親和性不好而引起的“夾生”現(xiàn)

3、象1，成為有機高聚物復(fù)合材料性能的薄弱環(huán)節(jié)，引起復(fù)合材料物理機械性能下降，嚴(yán)重影響制品的力學(xué)性能3。所以，對氫氧化鋁進行表面處理，改善其在有機高聚物中的分散性和相容性，成為提高氫氧化鋁使用性能和擴大其應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。目前，國內(nèi)對氫氧化鋁表面改性處理已經(jīng)做了大量研究工作，并取得了較好的經(jīng)驗，其中主要以用偶聯(lián)劑（如硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑等）和分散劑（脂肪酸及其鹽類）對氫氧化鋁表面進行改性處理為主。盡管用偶聯(lián)劑處理能得到較好的結(jié)果，但因偶聯(lián)劑成本高、處理工序繁雜、環(huán)境惡劣等原因，不能得到很好的推廣應(yīng)用；而用分散劑脂肪酸及其鹽類處理，雖然成本較低，但處理效果不太滿意。鑒于上述情況本文選用一種表面活性

4、劑與偶聯(lián)劑按一定比例復(fù)配成表面改性劑，對氫氧化鋁進行表面處理，該方法具有簡單、無廢物排放、不污染環(huán)境、成本較低等優(yōu)點。為了研究表面改性氫氧化鋁用于有機高聚物時的阻燃性、抑煙性與力學(xué)性能的影響，本文以表面改性氫氧化鋁用于高密度聚乙烯（HDPE）為例，試驗其燃燒性能、力學(xué)性能和發(fā)煙性能，探索較為合理的配方和工藝，為氫氧化鋁無機阻燃劑在有機高聚物中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。2實驗部分2.1實驗用主要原料氫氧化鋁（化學(xué)品級，中國鋁業(yè)中州分公司）；表面活性劑（鶴壁市興達(dá)化工廠）、偶聯(lián)劑（南京曙光化工總廠）、硬脂酸（如皋市雙馬化工有限公司）、有機溶劑（開封市東方有機溶劑廠）、高密度聚乙烯（HDPE）（齊魯石化股

5、份公司）。2.2實驗用儀器及設(shè)備捏合釜（牡丹江市第二機械廠）；FG型干燥機（常州先鋒干燥設(shè)備有限公司）；SK-160B型雙輥煉膠機（常州市雙豐機械廠）；25T型平板硫化機（江都試驗機械廠）；JTM型粉碎機（浙江豐利粉碎設(shè)備有限公司）；HC-2型氧指數(shù)測試儀（上海精密儀器儀表有限公司）；XJJ-5J型簡支梁沖擊試驗機（北京金盛鑫檢測儀器有限公司）；XQ-250型拉力試驗機（濰坊市新銘橡膠廠）；CH-10型高速混合機（常州市科龍干燥機械設(shè)備有限公司）；ZHY-W型萬能制樣機（西安明克斯檢測設(shè)備有限公司）；塑料煙密度測試儀（蘇州宇諾質(zhì)檢儀器設(shè)備有限公司）；CDR差熱分析儀（上海自動化儀表有限公司）。

6、2.3實驗方法2.3.1氫氧化鋁的改性方法將氫氧化鋁粉末與復(fù)配好的表面改性劑按一定比例依次加入捏合釜，溫度控制在5080，充分?jǐn)嚢杈鶆?3h，隨后過濾分離、洗滌，最后在（110±5）下干燥后粉碎，制得表面改性氫氧化鋁阻燃劑5。氫氧化鋁阻燃劑表面改性工藝流程圖如圖1所示。圖1氫氧化鋁表面改性工藝流程圖2.3.2表面改性氫氧化鋁用于HDPE的實驗按不同比例準(zhǔn)確稱取HDPE與表面改性氫氧化鋁以下圖所示工藝流程進行混煉、壓片和制樣后，測試樣品的燃燒性能、發(fā)煙性能和力學(xué)性能。圖2應(yīng)用于HDPE的實驗工藝流程HDPE/表面改性氫氧化鋁復(fù)合材料制備工藝條件如表1和表2所示：表1雙輥煉膠

7、工藝條件 輥溫（） 輥距（mm） 塑煉時間（min）前輥 后輥 塑化 下片 HDPE加氫氧化鋁165170 155160 0.2 1.52.0 38 表2平板制樣工藝條件 熱壓成型 冷卻溫度（） 時間（min） 壓力 （MPa）壓力 （MPa） 壓力 （MPa）上板 下板 預(yù)熱 加壓170170 5 5 5 5 75 2.3.3性能測試（1） 水平燃燒試驗：參照GB2408-80標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試方法進行測試。4（2） 氧指數(shù)測試試驗：參照GB2406-80標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試方法進行測試。（3） 沖擊試驗：參照GB1043.1-2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試方法進行測試。（4） 拉伸試驗：參照GB1040.2

8、-2006標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試方法進行測試。3結(jié)果與討論3.1表面改性劑最佳用量的確定以及氫氧化鋁最佳粒度的選擇氫氧化鋁是極性很強的無機填充劑，它填充于聚烯烴高分子材料中，由于相溶性很差，導(dǎo)致填充體系物理機械性能的大幅度下降，用既有親水基又有親油基的表面改性劑對氫氧化鋁顆粒表面處理之后，降低了氫氧化鋁的表面極性，由親水性變?yōu)槭杷?，改善了與HDPE的相溶性，提高了填充體系的分散性和物理機械性能。論文參考，阻燃劑。但改性劑的用量有一最佳值，表面改性劑用量太少，氫氧化鋁表面不能完全被改性劑包覆；用量太多，不但造成改性劑的浪費，而且因在樹脂與氫氧化鋁顆粒之間有多余的低分子物（表面改性劑）存在，會降低無機顆

9、粒與樹脂的粘接強度，導(dǎo)致復(fù)合材料的物理機械性能下降。表面改性劑的最佳用量與無機顆粒的表面積大小有關(guān)，顆粒的表面積越大，表面改性劑的用量就越大。采用不同量表面改性劑分別對三種規(guī)格的氫氧化鋁進行表面處理，然后與HDPE填充復(fù)合（表面改性氫氧化鋁用量都為150份），測定這一系列填充體系的力學(xué)性能，從而可確定表面改性劑的最佳用量，其結(jié)果如圖3所示。圖3復(fù)合材料缺口沖擊強度與表面改性劑用量的關(guān)系曲線從圖3可見，氫氧化鋁粒度越小，表面改性劑的最佳用量越大，此時的沖擊強度也越高。各種規(guī)格氫氧化鋁填充體系最高沖擊強度及表面改性劑最佳用量如表3所示。論文參考，阻燃劑。表3各種規(guī)格氫氧化鋁填充體系最高沖擊強度及表

10、面改性劑最佳用量 氫氧化鋁規(guī)格 缺口沖擊強度最高值 （Kg.cm/cm2） 表面改性劑最佳用量 （%）平均粒徑0.6um26.3 2.83.3平均粒徑8um 24.3 1.82.3平均粒徑20um 18.0 1.32.0 表面改性劑實際用量應(yīng)略高于理論用量，其原因：表面處理過程中有損失；在表面改性氫氧化鋁使用過程中，由于受剪切和熱的作用，個別改性劑會從氫氧化鋁顆粒表面脫落進入高分子材料相中而起不到作用。3.2改性氫氧化鋁填充HDPE的阻燃性能用平均粒徑8um的改性氫氧化鋁填充HDPE，其燃燒性能如圖4所示。圖4改性氫氧化鋁填充量對HDPE復(fù)合體系水平燃燒速度影響曲線可見隨著改性氫氧化鋁填充量的

11、提高，復(fù)合體系的阻燃性能有逐漸變差的趨勢，當(dāng)填充量達(dá)到120份時，體系具有不延燃性，在150份時樣條離火自熄。但在氫氧化鋁填充份數(shù)小于80份時填充體系的水平燃燒速度反而比純HDPE的大，且在填充份數(shù)為60份時，燃燒速度有一最大值，這一現(xiàn)象可以用“蠟燭燈芯”原理加以解釋。當(dāng)氫氧化鋁填充量少時，由于無機顆粒的存在，HDPE的熔融滴落困難，阻止了熱量的損失。而氫氧化鋁雖有分解吸熱的作用，但因填充量少，其阻燃效果不足以抵消“燈芯”的助燃效果，造成燃燒速度加快。當(dāng)氫氧化鋁的填充量逐漸增多時，其阻燃作用就會占主導(dǎo)地位，表現(xiàn)出了復(fù)合材料的自熄性。從實驗結(jié)果看，氫氧化鋁的阻止熔滴的功能是顯著的如圖5所示，少量

12、填充改性氫氧化鋁就使熔融滴落速度大幅度下降，當(dāng)填充量在120份以上時則無熔融滴落。圖5改性氫氧化鋁填充量對HDPE復(fù)合體系熔體滴落速度影響曲線圖6為改性氫氧化鋁/HDPE復(fù)合體系的氧指數(shù)與填充份數(shù)的關(guān)系曲線，增加氫氧化鋁填充量氧指數(shù)隨著增加，當(dāng)填充份數(shù)達(dá)到150份以上時，體系的氧指數(shù)超過28，根據(jù)阻燃材料劃分法，可將其化為高難燃材料的范圍之列。論文參考，阻燃劑。圖6HDPE填充體系氧指數(shù)隨改性氫氧化鋁填充量的變化曲線3.3改性ATH/HDPE復(fù)合體系的力學(xué)性能3.3.1抗沖擊性能未改性氫氧化鋁阻燃填充劑添加于HDPE中，會大大地降低其力學(xué)性能。論文參考，阻燃劑。這是由于無機填料顆粒與樹脂兩相的粘接性能很差，在界面處形成應(yīng)力集中