活性炭改性氫氧化鎂制備及對聚丙烯的阻燃影響

陳靈智，王曉紅，張彥青，郭格格

（衡水學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系，河北衡水053000）

聚丙烯（PP）因優(yōu)異的電絕緣性、耐化學(xué)腐蝕性，應(yīng)用范圍極廣。但由于PP屬于易燃材料，在空氣中遇火容易引起火災(zāi)，并且在燃燒過程中有大量的熔滴。鹵系阻燃劑因高效、廉價(jià)曾被人們廣泛應(yīng)用，但因燃燒過程中放出大量的煙霧和有毒氣體，對環(huán)境造成二次污染。隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，無機(jī)阻燃劑因低毒環(huán)保受到了阻燃行業(yè)的關(guān)注[1-3]。氫氧化鎂因?yàn)榉€(wěn)定性好，生產(chǎn)效率高，是當(dāng)下用量較大的無機(jī)阻燃劑之一，但缺點(diǎn)是添加量大，表面極性高，相容性較差，對材料的機(jī)械性能影響較大。研究人員通過表面改性，提高其與高分子材料的相容性能和分散性能，是目前氫氧化鎂阻燃劑行業(yè)研究的熱點(diǎn)問題[4-5]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，氫氧化鎂對PV、PP等高分子材料具有較好的阻燃抑煙性能[6-10]。

活性炭具有很高的比表面積，并且含有豐富的官能團(tuán)。本實(shí)驗(yàn)通過活性炭和十二烷基苯磺酸鈉對氫氧化鎂進(jìn)行改性，制備活性炭基氫氧化鎂阻燃劑，并將其添加到PP材料中，研究其對PP的阻燃性能影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

硫酸鎂，分析純；十二烷基苯磺酸鈉，分析純；氨水，分析純；活性炭；聚丙烯（PP）；鄰苯二甲酸二辛酯（DOP）。

ZY6155A氧指數(shù)測定儀，東莞市中諾質(zhì)檢儀器設(shè)備有限公司；D8-ADVANCE型X-射線粉末衍射儀，Bruk?er Germany。

1.2 活性炭改性氫氧化鎂阻燃劑的制備

稱取計(jì)量的硫酸鎂，用水溶解成溶液，取50.0 mL硫酸鎂水溶液，邊攪拌邊加入活性炭，超聲振蕩30 min。將十二烷基苯磺酸鈉溶于蒸餾水，將二者混合后加入3.0 mL的氨水，轉(zhuǎn)入三口燒瓶，在一定時(shí)間和溫度下進(jìn)行水浴反應(yīng)，制備活性炭基氫氧化鎂阻燃劑，烘干，備用。

1.3 阻燃PP的制備

將計(jì)量的活性炭基氫氧化鎂阻燃劑和PP混合后倒入塑料開煉機(jī)，在165℃下混煉10 min，使其均勻混合。轉(zhuǎn)入平板硫化機(jī)，進(jìn)行保壓，1 MPa的條件下2 min，2 MPa的條件下2 min，10 MPa的條件下8 min。用萬能制樣機(jī)裁取所需樣條。

1.4 樣品性能測試

1.4.1 吸油值的測定

稱量0.5 g樣品，放到表面皿中，向其滴加DOP，邊滴邊攪拌，當(dāng)樣品成團(tuán)狀，停止滴加，記錄DOP的消耗量。以單位質(zhì)量的樣品吸收DOP的體積（mL）表示吸油值X（mL/g）。吸油值越大，親油性增強(qiáng)，樣品的比表面積越高。

1.4.2 活化度的測定

用電子天平稱取改性后的氫氧化鎂m（1g），精確至0.1 mg，加至盛有150.0 mL蒸餾水的燒杯中，用玻璃棒攪拌2 min促進(jìn)其溶解與沉淀，靜置1 h，去掉上浮部分，取沉入杯底部分，抽濾置于表面皿中干燥至恒重，用分析天平稱重m（2g），則:

2 結(jié)果與討論

2.1 活性炭改性氫氧化鎂阻燃劑吸油值的測定

通過正交實(shí)驗(yàn)改變反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和活性炭的添加量，探索最佳的活性炭改性氫氧化鎂的條件。從表1吸油值數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)反應(yīng)溫度為45℃，反應(yīng)時(shí)間1.5 h，活性炭添加量為0.8 g時(shí)，活性炭改性氫氧化鎂的吸油值最大為5.5 mL/g。在同樣反應(yīng)條件下未添加活性炭改性的吸油值為1.2 mL/g，表明通過活性炭改性后氫氧化鎂的吸油值提高了4.3 mL/g，主要是由于通過活性炭表面的羧基基團(tuán)可以與氫氧化鎂的羥基結(jié)合，降低了氫氧化鎂表面極性，提高了材料的比表面積，減少了氫氧化鎂團(tuán)聚的發(fā)生，提高了氫氧化鎂與阻燃高分子材料基體的相容性能。實(shí)驗(yàn)表明，反應(yīng)溫度為45℃，反應(yīng)時(shí)間1.5 h，活性炭添加量為0.8 g時(shí)，活性炭改性氫氧化鎂吸油值最大，改性效果最好。

表1 活性炭改性氫氧化鎂阻燃劑吸油值的測定

2.2 活性炭改性氫氧化鎂活化度分析

由圖1可知，活性炭改性前氫氧化鎂的活化度為49.0%，而經(jīng)活性炭改性后的氫氧化鎂的活化度降低到22.0%。經(jīng)活性炭改性后的氫氧化鎂活化度明顯降低，主要原因是經(jīng)活性炭改性后的氫氧化鎂表現(xiàn)為較好的疏水性能，懸浮在水中的氫氧化鎂降低，活化度降低。

圖1 活性炭改性前后氫氧化鎂的活化度分析圖

2.3 活性炭改性氫氧化鎂阻燃劑的XRD表征

圖2為反應(yīng)溫度45℃，反應(yīng)時(shí)間1.5 h，活性炭添加量為0.8 g條件下制備的活性炭改性氫氧化鎂的XRD圖。從圖2可以看出，在2θ角為15～30時(shí)出現(xiàn)了明顯的饅頭峰，這是由于活性炭的加入導(dǎo)致的；其次在2θ角的18、38、50.5、58.3、60出現(xiàn)了峰值，與氫氧化鎂的特征譜圖一致。表明經(jīng)活性炭改性后仍能制備晶形較好的氫氧化鎂阻燃劑

圖2 活性炭改性氫氧化鎂阻燃劑的XRD圖

2.4 對PP的阻燃性能分析

由表2可知，在添加阻燃劑之前，PP屬于易燃材料，極限氧指數(shù)為19.6%，在空氣中就可以點(diǎn)燃。隨著添加阻燃劑含量的提高，阻燃性能逐漸增強(qiáng)，當(dāng)添加25份的活性炭改性氫氧化鎂阻燃劑時(shí)，極限氧指數(shù)明顯增大，達(dá)到28.9%。但隨著活性炭改性氫氧化鎂阻燃劑添加量的增加，極限氧指數(shù)增加緩慢。綜合性能考慮，當(dāng)添加25份的活性炭改性氫氧化鎂時(shí)阻燃效果最佳。

表2 加入不同含量阻燃劑時(shí)PP的極限氧指數(shù)

由圖3氫氧化鎂改性前后阻燃PP的極限氧指數(shù)值可知，改性后PP的極限氧指數(shù)值提高了6.4%，主要是經(jīng)過活性炭改性后，降低了氫氧化鎂的表面極性，提高了氫氧化鎂與PP基體材料的相容性，致使材料的阻燃性能提高。

圖3 氫氧化鎂改性前后阻燃PP的極限氧指數(shù)值

3 結(jié)論

通過對活性炭改性前后氫氧化鎂吸油值測試、活化度測試和XRD分析可知，當(dāng)反應(yīng)溫度為45℃，反應(yīng)時(shí)間為1.5 h，活性炭添加量為0.8 g時(shí)，制備的活性炭改性氫氧化鎂具有明顯的氫氧化鎂特征衍射峰，其吸油值達(dá)到5.5 mL/g，活化度為22.0%，并將其添加到PP基體材料中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)添加25份活性炭改性氫氧化鎂阻燃劑時(shí)，極限氧指數(shù)達(dá)到28.9%。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過活性炭改性后氫氧化鎂的表面極性降低，與高分子材料的相容性增強(qiáng)，對PP材料的阻燃性能提高。