阻燃鎂鹽材料顆粒尺寸影響熱分解特性研究

廉武強

(渭南市公安消防支隊 防火處工程驗收科，陜西 渭南 714000)

阻燃鎂鹽材料顆粒尺寸影響熱分解特性研究

廉武強

(渭南市公安消防支隊 防火處工程驗收科，陜西 渭南 714000)

通過化學溶液法制備鎂鹽阻燃材料，在不同反應溫度、氨水濃度以及反應物摩爾比下獲得阻燃鎂鹽材料，研究不同反應條件對阻燃鎂鹽材料顆粒尺寸的影響，再采用微機差熱天平對樣品進行差熱和熱重分析，最終得到阻燃鎂鹽材料顆粒尺寸對熱分解特性影響的研究結(jié)果，其為探索其他阻燃劑的制備和應用提供有益參考。

阻燃；鎂鹽材料；顆粒尺寸；熱分解

隨著高分子聚合物材料的應用愈來愈廣泛，對阻燃材料的阻燃性能提出了更高的要求，無機阻燃級鎂鹽材料由于具有多重阻燃作用，同時又具有消煙、無毒等優(yōu)點，逐漸受到了人們的重視[1-8]。我國是鎂資源大國，西部鹽湖鎂資源尤為豐富，主要以水氯鎂石(MgCl2·6H2O)形式存在，目前水氯鎂石的生產(chǎn)量很大，堆積如山，并以非常廉價的形式出口到國外，經(jīng)濟效益并不顯著。此外，我國還有較豐富的水鎂石礦物儲量，水鎂石原礦售價現(xiàn)為100～200元/噸，加工成微米級的細粉市場售價約為3 500元/噸，而進口的表面處理過的活性氫氧化鎂價格竟高達15 000～20 000元/噸。

盡管鎂鹽材料作為無機阻燃劑，具有極大的發(fā)展?jié)摿?，但同時也存在許多亟待解決問題。各國的科學家、學者等各界人士為了制備出性能優(yōu)異的阻燃鎂鹽材料，對各種制備方法在不同的條件下做了許多研究，以便找出不同條件對鎂鹽材料制備的影響，目前已發(fā)現(xiàn)鎂鹽材料制備的主要影響因素有：投料方式、反應時間、反應溫度、氯化鎂的初始濃度、溶劑、陳化時間、原料摩爾比等[9-15]。但是，目前制備鎂鹽材料的粒徑與阻燃性能之間的研究少有報道。本論文通過對阻燃鎂鹽材料制備過程及其影響因素進行研究，綜合分析樣品粒徑與熱分解結(jié)果，最終確定制備條件，為阻燃鎂鹽材料的實際應用和工業(yè)化生產(chǎn)提供有益的參考。

1 實驗

1.1 制備過程

在本實驗中所用藥品有六水合氯化鎂(MgCl2·6H2O，分析純，國藥集團化學試劑有限公司)和氨水(NH3·H2O，分析純，國藥集團化學試劑有限公司)兩種。根據(jù)文獻投料方式對沉降鎂鹽材料的影響[9]，采用氨水向氯化鎂溶液中滴加的方式。然后分別研究反應溫度、氨水濃度、反應物摩爾比對樣品顆粒尺寸和熱分解特性的影響，具體實驗方案見表1～表3。

表1 不同反應溫度下制備阻燃鎂鹽材料

表2 不同氨水濃度下制備阻燃鎂鹽材料

表3 不同氯化鎂與氨水摩爾比制備阻燃鎂鹽材料

1.2 顆粒尺寸分析

采用丹東市百特儀器有限公司BT-2003型激光粒度分布儀對所制備的樣品進行顆粒尺寸研究。

1.3 熱分解特性分析

采用北京恒久科學儀器廠HCT-1型微機差熱天平對所制備的樣品進行熱分解特性研究，根據(jù)所測試樣品的物化性質(zhì)，選擇溫度范圍為25～550 ℃，升溫速率為20 ℃/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 粒度分布研究

(1)改變反應溫度對阻燃鎂鹽材料粒徑的影響

從圖1中可以看出，隨著反應溫度的逐漸升高，所制備的阻燃鎂鹽材料的粒徑先減小到一個最小值再增大，即50 ℃時達到最小值2.98 μm。因此，后續(xù)實驗都選擇在50 ℃進行。此外，從圖1中能夠看出，當反應溫度高于50 ℃以后，隨著反應溫度升高，發(fā)生團聚現(xiàn)象，最終使樣品粒徑增大。

圖1 不同反應溫度下制備阻燃鎂鹽材料粒徑隨溫度變化曲線圖

圖2 不同氨水濃度下制備阻燃鎂鹽材料粒徑隨氨水濃度變化曲線圖

(2)改變氨水濃度對阻燃鎂鹽材料粒徑的影響

從圖2中可以看出，當改變氨水的濃度時，對所得的阻燃鎂鹽材料粒徑也有影響。隨著氨水濃度的增大，所得樣品的粒徑先增大到一個最大值然后在減小。粒徑最小樣品為2號樣品，即在氨水濃度為2 mol/L時粒徑最小(2.98 μm)。

(3)改變摩爾比對阻燃鎂鹽材料粒徑的影響

從圖3中可以看出隨氯化鎂與氨水摩爾比的增加，粒徑先減小后增大，即在氯化鎂和氨水摩爾比為1∶4(2號樣品)粒徑最小(2.98 μm)。

注：其中m/n為氯化鎂與氨水的摩爾比

由于鎂鹽材料為無機物，極性強，在有機物中的相容性和分散性都很差，因此需要將阻燃鎂鹽材料制成納米級，即需要使阻燃鎂鹽材料粒徑非常小，這樣才能在添加足量的阻燃鎂鹽材料后材料的機械力學性能仍然滿足使用要求。通過對反應溫度、氨水濃度、反應物摩爾比3個因素進行研究，得出阻燃鎂鹽材料在粒徑方面達到最佳的制備條件為反應溫度50 ℃C、氨水濃度2 mol/L、氨水與氯化鎂摩爾比4∶1。

2.2 熱分解特性研究

從圖4、圖6和圖8中的DTA曲線可以看出，12個樣品均在410 ℃左右出現(xiàn)一個吸熱峰，且這些吸熱峰都是從340 ℃左右開始，到480 ℃左右結(jié)束，這說明鎂鹽材料分解為氧化鎂和水的反應為吸熱反應。鎂鹽材料的這種性質(zhì)，作為阻燃劑時可起到吸熱作用，并延緩被阻燃材料的溫升速度，增加材料點燃所需時間，最終起到阻燃的作用。

圖4 不同反應溫度下制備阻燃鎂鹽材料DTA曲線圖

圖5 不同反應溫度下制備阻燃鎂鹽材料TG曲線圖

圖6 不同氨水濃度下制備阻燃鎂鹽材料DTA曲線圖

圖7 不同氨水濃度下制備阻燃鎂鹽材料TG曲線圖

圖8 不同氯化鎂與氨水比制備阻燃鎂鹽材料DTA曲線圖

從圖4、圖6和圖8中還可以發(fā)現(xiàn)，350 ℃～450 ℃區(qū)間為鎂鹽材料的主要吸熱溫度區(qū)間，其對應著鎂鹽材料熱失重的溫度區(qū)間(見圖5、圖7和圖9所示)。通過實驗數(shù)據(jù)計算得到1～12號樣品失重率分別為31.1%、30%、28.9%、28.9%、27.8%、27.8%、31%、31.1%、27.8%、27.8%、28.9%、24.4%，其接近理論失重率31.03%，所以確定失重主要是由于分解出的水以氣態(tài)形式蒸發(fā)造成的。

圖9 不同氯化鎂與氨水比制備阻燃鎂鹽材料TG曲線圖

此外，從所有樣品的DTA曲線中，能夠發(fā)現(xiàn)2號樣品的吸熱峰值最大(-69 μV)同時吸熱峰面積也最大，說明其在所有樣品中吸熱能力最強。綜合前面粒徑分析結(jié)果，具有最小顆粒尺寸的2號樣品具有最好的吸熱效果，作為阻燃劑具有最好的阻燃效果。

目前，制備得到的鎂鹽阻燃材料全是白色粉末，外觀沒有差別。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，得出所有樣品的吸熱峰值，失重率以及對應的粒徑，列于表4。

表4 樣品吸熱峰值，失重率以及對應的粒徑統(tǒng)計表

3 結(jié)論

本論文采用氨水向氯化鎂溶液中滴加的方式制備鎂鹽阻燃材料，通過改變反應溫度、氨水濃度和反應物摩爾比制備阻燃鎂鹽材料，制備出的樣品采用激光粒度分布儀和微機差熱天平進行粒度分析和熱特性分析，研究了各個制備條件對阻燃鎂鹽材料粒徑和熱分解效果的影響，得出以下結(jié)論：

(1)當反應溫度在50 ℃、氨水與氯化鎂摩爾比為4∶1、氨水濃度為2 mol/L時，制得的阻燃鎂鹽材料粒徑最?。?/p>

(2)當反應溫度在50 ℃、氨水與氯化鎂摩爾比為4∶1、氨水濃度為2 mol/L時，制得的阻燃鎂鹽材料失重率最大，吸熱最多；

(3)基于目前的實驗數(shù)據(jù)，粒徑最小的阻燃鎂鹽材料樣品吸熱效果最好。

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(責任編輯：吳萍 英文審校：劉紅江)

Effectsofparticlediametersofmagnesiumsaltflameretardantsonthethermaldecomposition

LIAN Wu-qiang

(Weinan Municipal Fire Brigade,Weinan Shanxi,714000)

The effects of the reaction temperature,ammonia concentration and molar ratio on the particle diameters of magnesium salt flame retardants prepared by chemical solution methods under different conditions and characterized by laser particle size analyzer have been systematically investigated with thermogravimetric analysis and differential thermal analysis.The optimization parameters for preparing the magnesium salt flame retardant with the minimum particle diameters and good thermal decomposition performance are obtained,which may be helpful for guiding the preparation of high-performance magnesium salt flame retardants and providing a beneficial reference.

flame retardants;magnesium salt;particle diameter;thermal decomposition

2014-03-10

廉武強(1979-)，男，陜西蒲城人，工程師，主要研究方向：建筑防火，E-mail:57314115@qq.com。

2095-1248(2014)03-0082-04

TU545

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.03.016