氢氧化镁阻燃剂的表面改性及其在EVA树脂中的优化应用

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电线电缆在现代社会用途广泛,大到航空航天、工业生产和交通运输,小到家庭照明,其使用场合具有复杂多样化的特点。电线电缆由金属线芯和包覆在外层的聚烯烃类树脂组成,这类基体树脂主要以聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)为主。这样的基体树脂同大多数聚合物一样存在遇到明火易燃烧、释放热量大和发烟量大等问题,且有些会释放有毒气体,其应用领域也因此受到了限制。为扩大聚烯烃材料应用领域,通常添加阻燃剂对聚烯烃电缆料进行阻燃改性来赋予其良好的阻燃性能。无机阻燃剂氢氧化镁因具有成本低、绿色环保和抑烟效果优异等优势而成为聚烯烃电缆料最为常用的阻燃剂之一。然而氢氧化镁阻燃剂(MH)表面具有较高的表面能和较强的亲水性,容易在亲油性的聚合物内团聚,且其与基体间的相容性差,直接应用效果不理想。尤其是EVA材质的电线电缆行业要求MH质量分数达60%以上才能满足其阻燃需求,这一填充量的使用导致EVA树脂的力学性能和加工性能下降。因此为解决这一问题,本研究采用表面改性方法对MH进行表面改性,缓解填充高量MH的EVA树脂力学性能和加工性能劣化的趋势。本文主要研究内容如下:(1)以油酸(OA)和十二烷基三甲氧基硅烷偶联剂(KBM3103)为改性剂,通过干法改性工艺制备OA与KBM3103有机硅烷偶联剂复配改性氢氧化镁阻燃剂(ZF-83-D)。水接触角结果显示,ZF-83-D的水接触角为55.67°,亲水性有一定下降。将MH、5wt%乙烯基三乙氧基硅烷偶联剂(A151)和MH、ZF-83-D分别填充到EVA树脂中制备填充MH的EVA树脂和填充改性MH的EVA树脂。分散性评价实验、扫描电镜图像和动态机械热分析表明,改性后的MH可以有效地提升MH在EVA树脂中的分散性并改善其与基体的相容性。MH填充量达到质量分数60%时,对比填充MH的EVA树脂,填充改性MH的EVA树脂的综合性能均得到了提升。在保持较好阻燃性能的前提下,填充5wt%A151和MH的EVA树脂(氧指数35.6%)及填充ZF-83-D的EVA树脂(氧指数37.0%)的平衡扭矩分别减少0.3N·m和0.7N·m,拉伸强度分别提升 20.89%和 24.06%。(2)以MH、去离子水和甲苯-2,4-二异氰酸酯为原料,通过原位聚合方法,合成以聚脲树脂为壁材,MH为芯材的改性氢氧化镁阻燃剂(SPUA-MH)。傅里叶变换红外光谱仪测试结果、扫描电镜结果、能量色散X射线谱仪结果和透射电镜结果表明:采用原位聚合法成功制备SPUA-MH,其水接触角为93.05°,表面由亲水性变为疏水性。X射线光电子能谱仪测试结果显示SPUA-MH表面的聚脲树脂与MH表面羟基以氨基甲酸酯键结合。球磨SPUA-MH实验发现SPUA-MH表面聚脲树脂保持情况良好,说明聚脲与MH表面羟基形成的氨基甲酸酯键较为稳定,因此在后续加工过程中机械力对改性MH影响作用较小。(3)将SPUA-MH填充到EVA树脂中制备填充SPUA-MH的EVA树脂。分散性评价实验、扫描电镜结果和动态机械热分析结果表明:当SPUA-MH的MH含量和MH相同时,SPUA-MH在EVA树脂中的分散性及与EVA树脂的相容性更好。MH填充量达到质量分数60%时,对比填充MH的EVA树脂,填充SPUA-MH的EVA树脂的综合性能都得到了提升。在保持了较佳阻燃性能的前提下,填充SPUA-MH的EVA树脂(氧指数38.0%)的平衡扭矩为13.1N·m,减少2.6N·m;第三分解阶段的最大热失重温度为484.55℃,提高了 14.66℃,热分解后的残余质量分数增加1.66wt%;拉伸强度为8.07MPa,提高50.56%。
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