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层状氢氧化物(layered double hydroxides,缩写LDHs)具有结合紧密的氢氧化物层和处于层间的可自由交换的阴离子。它是一类近年来引起人们关注的新型材料,在离子交换、水处理、复合材料、催化材料、电化学等方面得到广泛的研究和应用。层状氢氧化物因为在受热分解时吸热并释放出水、C02等不燃物,并促使可燃材料碳化,近年来被用作阻燃剂。镁铝层状氢氧化物阻燃剂兼具氢氧化镁和氢氧化铝的无卤、消烟、无毒的优点,又具有更宽的分解温度范围,而且价格便宜,是一种很有希望的新型无机阻燃剂。由于无机阻燃剂与聚合物相容性存在问题,利用层状氢氧化物的阴离子交换性,将有机的阴离子引入无机阻燃剂层间,期望能改善无机阻燃剂与聚合物的相容性。
本文首先以镁铝层状氢氧化物为基础,采用共沉淀法,分别将硬脂酸钠、苯甲酸、对羟基苯甲酸、对甲基苯磺酸钠的有机阴离子引入到层间,合成了一系列的层状氢氧化物。并用XRD、IR对产物进行了表征,结果表明,以上有机物的阴离子已经成功插入到层间,产物的结晶性良好。
大量合成的产物团聚严重,必须利用球磨机进行粉碎。正交试验确定了最佳的球磨参数:时间30min、球料比4:1、转速30Hz,,粉末的平均粒径在35 um左右。
在与聚合物混合加工的过程中,如果粉末含水过多,会使聚合物产生起泡现象,严重影响制品的机械性能,因此在加工之前,要对粉末进行充分脱水。本实验选择分别在130℃、150℃、170℃对对羟基苯甲酸进行脱水。最终得出,在170℃下干燥6.5h,产品中的物理吸附水和部分层间水基本脱除干净,对羟基苯甲酸粉末失重率为17.50%。其余几种合成产物均在170℃进行了脱水。
阻燃剂与聚合物的加工采用的是双辊混炼机和平板硫化机。将实验室合成的几种层状氢氧化物按100g、125g、150g的加入量分别与100g EVA-28(乙烯-醋酸乙烯酯共聚物)在双辊混炼机上共混,然后在平板硫化机上制成板材,冷却后按照不同的国标制得样条。对样条进行阻燃和力学性能测试。通过氧指数、水平燃烧、垂直燃烧实验来衡量产物的阻燃性能,通过测试样品的拉伸强度和断裂伸长率来衡量产物对聚合物力学性能的影响。
与空白EVA-28相比,苯甲酸、对羟基苯甲酸的加入对其阻燃性提高不大,这两种阻燃剂随添加量的增加,阻燃效果也没有太大提高;硬脂酸加入后可提高EVA-28的阻燃性,但是阻燃效果随着添加量的增加提高不多;对甲基苯磺酸对EVA-28阻燃性的提高较明显,在125g添加量时,阻燃效果最好。
力学测试结果表明,随着阻燃剂的加入量增加,材料拉伸强度增加,但断裂伸长率明显下降。其中硬脂酸的断裂伸长率下降最多,即对材料力学性能影响最大,苯甲酸相对来说对聚合物力学性能影响最小。与氢氧化铝、氢氧化镁相比较,本实验合成的阻燃剂力学测试效果要好,对聚合物力学性能影响相对较小。
本实验室合成的阻燃剂阻燃效果虽然不如氢氧化铝、氢氧化镁好,但与空白EVA.28相比,已使聚合物具有一定的阻燃性;与氢氧化铝、氢氧化镁在相同添加量时相比较,对材料的力学性能影响较小。