無機(jī)阻燃劑氫氧化鋁表面改性的研究講解

1、論文導(dǎo)讀：國內(nèi)對(duì)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(jī)阻 燃劑在有機(jī)高聚物中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。阻 燃劑，無機(jī)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(jī)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(jì)各個(gè)領(lǐng)域和人民日常生活的各個(gè) 方面。由于生產(chǎn)和應(yīng)用的有機(jī)高聚物絕大多數(shù)是易燃或 可燃的，且燃燒時(shí)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(diǎn)。因 此，有機(jī)高聚物的阻燃成為

2、當(dāng)今社會(huì)研究的重要課題， 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(diǎn)。氫氧化鋁（ATH）作為無機(jī)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(diǎn)。由于氫氧化鋁無味、無毒、 低腐蝕，原料來源廣，價(jià)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(jī)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(jī)綠色環(huán)保型阻燃劑。 然而，氫氧化鋁為非增強(qiáng)性無機(jī)阻 燃劑，因其與有機(jī)高聚物相容性差，在高填充量的復(fù)合 材料斷

3、面常會(huì)形成由于彌散度和親和性不好而引起的 “夾生”現(xiàn)象1，成為有機(jī)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(jī)械性能下降，嚴(yán) 重影響制品的力學(xué)性能3。所以，對(duì)氫氧化鋁進(jìn)行表面 處理，改善其在有機(jī)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(kuò)大其應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。目前， 國內(nèi)對(duì)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(yàn)，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(duì)氫氧化鋁表面進(jìn)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

4、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 選用一種表面活性劑與偶聯(lián)劑按一定比例復(fù)配 成表面改性劑，對(duì)氫氧化鋁進(jìn)行表面處理，該方法具有 簡(jiǎn)單、無廢物排放、不污染環(huán)境、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。為 了研究表面改性氫氧化鋁用于有機(jī)高聚物時(shí)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(yàn)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(jī)阻燃劑在有機(jī)高聚物中的應(yīng)用提供科學(xué) 依據(jù)。2實(shí)驗(yàn)部分2.1實(shí)驗(yàn)用主要原 料氫氧化鋁（化學(xué)品級(jí)，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

5、酸（如皋市雙馬化工有限公司）、有機(jī)溶 劑（開封市東方有機(jī)溶劑廠）、高密度聚乙烯 （HDPE）（齊魯石化股份公司）。2.2實(shí)驗(yàn)用儀器及設(shè)備 捏合釜（牡丹江市第二機(jī)械廠）；FG型干燥機(jī)（常州先 鋒干燥設(shè)備有限公司）；SK-160B型雙輥煉膠機(jī)（常州市 雙豐機(jī)械廠）；25T型 平板硫化機(jī)（江都試驗(yàn)機(jī)械廠）；JTM型粉碎機(jī)（浙江豐 利粉碎設(shè)備有限公司）；HC-2型氧指數(shù)測(cè)試儀（上海精 密儀器儀表有限公司）；XJJ-5J型簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)（北 京金盛鑫檢測(cè)儀器有限公司 ）；XQ-250型拉力試驗(yàn)機(jī)（濰坊市新銘橡膠廠）；CH-10 型高速混合機(jī)（常州市科龍干燥機(jī)械設(shè)備有限公司）； ZHY-W型萬能制樣機(jī)（

6、西安明克斯檢測(cè)設(shè)備有限公司）； 塑料煙密度測(cè)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(dòng)化儀表有限公司）。2.3實(shí)驗(yàn)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（1105）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(shí)驗(yàn)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(jìn)行混煉、壓片和制樣 后，測(cè)試樣品的燃燒性能、

7、發(fā)煙性能和力學(xué)性能。圖2應(yīng)用于HDPE的實(shí)驗(yàn)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雙輥煉膠工藝條件 輥溫（） 輥 距（ mm） 塑煉時(shí)間（min）前輥 后輥 塑化 下片 HDPE 加氫氧化鋁165170 155160 0.2 1.5 2.0 3 8 表2平板制樣工藝條件 熱壓成型 冷卻 溫度（） 時(shí)間（min） 壓力 （MPa） 壓力 （MPa） 壓力 （MPa）上板 下板 預(yù)熱 加壓170 170 5 5 5 5 75 2.3.3 性能測(cè)試（1） 水平燃燒試驗(yàn)：參照GB2408-80標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試。4（2） 氧指數(shù)測(cè)試試驗(yàn)：參照 GB2

8、406-80標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試。（3） 沖擊試 驗(yàn)：參照G B1043.1-2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試。（4） 拉伸 試驗(yàn)：參照GB1040.2-2006標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)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(qiáng)的無機(jī)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(jī)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(duì)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裕?改善了與HDPE的相溶性，提高了填充體系的分散性和物 理機(jī)械性能。論文參考，阻燃劑。但改性劑的用

9、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(fèi)，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(huì)降低無機(jī)顆粒與樹 脂的粘接強(qiáng)度，導(dǎo)致復(fù)合材料的物理機(jī)械性能 下降。表面改性劑的最佳用量與無機(jī)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(duì)三種規(guī)格的氫氧化鋁進(jìn)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(cè)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(qiáng)度與表面改性劑 用量的關(guān)系曲線從圖

10、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(shí)的沖擊強(qiáng) 度也越高。各種規(guī)格氫氧化鋁填充體系最高沖擊強(qiáng)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(qiáng) 度及表面改性劑最佳用量 氫氧化鋁規(guī)格 缺口沖擊 強(qiáng)度最高值 （Kg.cm/cm2） 表面改性劑最佳用量 （%）平均粒徑0.6um 26.3 2.83.3平均粒徑8um 24.3 1.82.3 平均粒徑20um 1 8.0 1.32.0 表面改性劑實(shí)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(gè)別改性劑會(huì)從氫氧化鋁顆粒表面脫

11、落進(jìn)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(duì)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提高，復(fù)合體系的 阻燃性能有逐漸變差的趨勢(shì)，當(dāng)填充量達(dá)到120份時(shí)，體 系具有不延燃性，在150份時(shí)樣條 離火自熄。但在氫氧化鋁填充份數(shù)小于80份時(shí)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(shí)，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(shí)，由于無機(jī)顆粒的存在，HDPE的熔融滴落困難， 阻止了熱量

12、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(shí)，其阻燃作用就會(huì)占主導(dǎo)地位，表現(xiàn) 出了復(fù)合材料的自熄性。從實(shí)驗(yàn)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(shí)則無熔融滴落。圖5改性氫氧化鋁填充 量對(duì)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(shí)，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(huì)大大地 降低其力學(xué)性能。論文參考，阻燃劑。這是由于無機(jī)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，