棉花模板制備鋁酸鎳阻燃劑及其應(yīng)用*

陳靈智，孫會娟，劉 浩，梁秀寧

（衡水學(xué)院，河北衡水053000）

鋁酸鹽是雙金屬型化合物，結(jié)晶狀結(jié)構(gòu)，無毒、無害，清潔環(huán)保無污染。鋁酸鹽的制備方法主要有水熱合成法［1］、高溫煅燒法［2］、溶膠-凝膠法［3］、共沉淀法［4］和模板法等［5-7］。 其中，模板法是目前制備新型特殊形貌無機(jī)阻燃劑的一種新的合成方法［8］。與其他制備方法相比，模板法具有控制所要合成物質(zhì)形貌和尺寸的優(yōu)點，在合成過程中反應(yīng)條件比較溫和、能耗較少，對環(huán)境污染小，合成出的樣品有一定的長徑比，在無機(jī)化合物的研究中將會越來越受到人們的歡迎。棉花在華北地區(qū)產(chǎn)量較高，作為生物質(zhì)材料來源豐富，具有較為明顯的纖維狀結(jié)構(gòu)，可在仿生合成中用其作模板，制備特殊形貌的無機(jī)化合物。筆者采用棉花為模板合成具有較高長徑比的鋁酸鎳阻燃劑，并將其應(yīng)用到PVC中，研究其對PVC材料阻燃和抑煙性能的影響。

1 實驗部分

1.1 原料和試劑

硝酸鋁（分析純）；硝酸鎳（分析純）；PVC（SG-5）；硬脂酸（分析純）；鄰苯二甲酸二辛酯（DOP，分析純）。

1.2 鋁酸鎳制備

將1 mol/L的硝酸鋁和硝酸鎳溶液按物質(zhì)的量比為2∶1混合，加入棉花模板，在60℃超聲1 h，靜置10 h，加熱蒸發(fā)后烘干，在800℃灼燒3 h，得到粉末狀鋁酸鎳。

1.3 PVC產(chǎn)品制備

將100 g PVC與DOP、稀土復(fù)合穩(wěn)定劑、偶聯(lián)劑、硬脂酸及硬脂酸鈣以及不同量的鋁酸鎳混合均勻，在雙輥混煉機(jī)上混煉，控制混煉溫度為145℃、混煉時間為8 min。然后放入平板硫化機(jī)中硫化熱壓成型，2 MPa保壓2 min、10 MPa保壓8 min。然后取出，冷壓成型10 min。

1.4 樣品性能測試

采用D8-ADVANCE型X射線衍射儀對鋁酸鎳進(jìn)行物相分析。采用Phenom Prox電鏡能譜一體機(jī)對鋁酸鎳進(jìn)行元素分析。采用Phenom飛納臺式掃描電鏡觀察鋁酸鎳的形貌。采用HC-1型氧指數(shù)測定儀，按照GB/T 2406—1993《塑料燃燒性能試驗方法：氧指數(shù)法》要求，對用鋁酸鎳阻燃前后PVC樹脂的氧指數(shù)進(jìn)行測試。采用JCY-2型建材煙密度測試儀，按照GB/T 8627—2007《建筑材料燃燒或分解的煙密度試驗方法》要求，測定用鋁酸鎳阻燃前后PVC材料的煙密度。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD分析

圖1為鋁酸鎳XRD譜圖。由圖1看出，在2θ為31.40、37.01、44.99、59.66、65.53、83.01 °處出現(xiàn)特征峰，對應(yīng)（220）（311）（400）（511）（400）（444）晶面。通過與鋁酸鎳標(biāo)準(zhǔn)譜圖比對，表明通過棉花模板法制備的鋁酸鎳阻燃劑為純相。

圖1 鋁酸鎳XRD譜圖

2.2 EDS分析

圖2為鋁酸鎳EDS圖。從圖2看出，鋁酸鎳樣品中含有C、Ni、Al、O元素。樣品中含有C元素主要是因為棉花中含有纖維，在以棉花作為模板高溫合成鋁酸鎳時，棉花中含有的C元素沒有被完全除去，因此制備的鋁酸鎳中含有少量的C元素。樣品中含有Ni、Al、O元素是因為合成鋁酸鎳的原料是硝酸鎳和硝酸鋁，這兩種物質(zhì)經(jīng)高溫煅燒生成鋁酸鎳，與阻燃劑的組成一致。經(jīng)過分析得知，EDS分析結(jié)果與XRD結(jié)果一致。

圖2 鋁酸鎳EDS圖

2.3 SEM分析

圖3為鋁酸鎳SEM照片。從圖3看出，模板合成的鋁酸鎳具有較好的長徑比，表面有大量的孔徑結(jié)構(gòu)；對其截面進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，表面有大量的微孔，并且鋁酸鎳內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)。可能是阻燃劑在合成過程中吸附在棉花模板表面，高溫灼燒后除去模板，在其內(nèi)部形成中空結(jié)構(gòu)，而整體保留較好的長徑比以及棉花的纖維狀結(jié)構(gòu)。材料表面的小孔，可能是由于棉花模板的絮狀表面經(jīng)高溫煅燒后，在鋁酸鎳的內(nèi)外表面產(chǎn)生大量的小孔。

圖3 鋁酸鎳SEM照片

2.4 鋁酸鎳對PVC阻燃抑煙效果的影響

表1為阻燃前后PVC的氧指數(shù)和煙密度。由表1中的氧指數(shù)數(shù)據(jù)可知，不加鋁酸鎳時PVC氧指數(shù)為26.9%；加入7 g鋁酸鎳時PVC氧指數(shù)為33.4%，比空白樣氧指數(shù)提高6.5%，阻燃效果明顯；當(dāng)鋁酸鎳加入量增加到9 g時，PVC氧指數(shù)反而降低。由表1中的煙密度等級數(shù)據(jù)可知，不加鋁酸鎳時PVC煙密度等級是98.24%；加入1 g鋁酸鎳時PVC煙密度等級是93.45%，降低不太明顯；鋁酸鎳加入量達(dá)到7 g時PVC煙密度等級降低到72.54%，降低了25.7%；鋁酸鎳加入量達(dá)到9 g時，PVC煙密度等級又上升到80.02%。綜上分析得知，當(dāng)鋁酸鎳加入量為7 g時，對PVC有較好的阻燃抑煙效果。

表1 阻燃前后PVC的氧指數(shù)和煙密度

3 結(jié)論

采用棉花為模板，硝酸鎳和硝酸鋁為前軀體，合成鋁酸鎳阻燃劑。合成的鋁酸鎳經(jīng)XRD和EDS表征基本為純相，只是有少量C殘留。經(jīng)掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，制備的鋁酸鎳為中空結(jié)構(gòu)，其內(nèi)外表面有大量的孔徑結(jié)構(gòu)。通過對PVC材料的氧指數(shù)、煙密度測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋁酸鎳加入量為7 g時，PVC的阻燃抑煙效果最好，其極限氧指數(shù)為33.4%、煙密度等級為72.54%。