几种有机无机复合阻燃剂的制备及其性能的研究

摘要

层状氢氧化物(layered double hydroxides，缩写LDHs)是一类阴离子型层状材料，具有紧密的氢氧化物层和可交换的层间阴离子。它们在受热分解时吸热并释放出H2O、CO2等不助燃物质，并且可使可燃材料碳化产生疏松的碳化层，阻隔热量和氧气的进入，因此可以阻止或延缓燃烧过程的发生。近年来LDHs被用作阻燃剂。LDHs具有无机阻燃剂的无毒、消烟、无污染的优点，又具有更加宽的分解温度范围，而且价格便宜，是一种很有前途的阻燃剂。
　　 本论文首先报道了以镁铝层状氢氧化物为基础合成的一系列无机有机复合的层状氢氧化物。与已有的其他人的工作不同，合成工作中镁源来自于氢氧化镁，沉淀剂为氨水。这样可以使副产物为附加值更高的铵盐，增加过程的经济性。采用共沉淀法，分别将苯甲酸根(BA)、对甲基苯磺酸根(PTS)、硬脂酸根(SA)等有机阴离子引入到层间，用XRD、IR、TG以及SEM等对产物进行了结构表征。结果表明：以上几种有机阴离子都能成功插入到层间，产物的结晶性良好。另外，因为钙与镁铝有阻燃的协效性，本论文也探索了镁铝LDHs的钙掺杂。
　　 为进一步提高阻燃剂与高分子材料的相容性，实验用硬脂酸对苯甲酸根和对甲苯磺酸根插层的LDHs进行了表面改性。对产品进行表面改性有两个方面的好处：第一，提高阻燃剂与有机高分子材料的相容性；第二，改性后的产品比较松软，颗粒较细，分散性良好，可以避免球磨这个步骤，这就意味在未来的工业化生产中可以大大的降低成本，并且颗粒的细化对相容性又有很大的帮助。
　　 本实验用双螺杆挤出机和注射成型机使合成的阻燃剂与聚丙烯(PP)混合加工成形。方法是，按重量比将40份层状氢氧化物阻燃剂加入到100份PP中，制得样条，然后对样条进行阻燃和力学性能测试。通过熔融指数的测定，得出阻燃剂加入后对塑料流动性的影响。研究发现，与纯PP相比，苯甲酸和硬脂酸插层的LDHs阻燃剂对PP的阻燃性提高不大.然而，对甲苯磺酸插层的LDH阻燃剂加入后，阻燃性提高非常明显，仅仅40份的加入量，氧指数就提高了2.8个点。掺钙的三元LDHs体系的阻燃效果是最好的，其中，钙镁比为2:1的样品阻燃效果好于1:1和1:2的样品，40份添加量时氧指数就提高了4.3个点左右，添加100份时，氧指数上升了6.9个点。因此，三元LDHs是一类比较有前景的阻燃剂。实验也同时比较了合成的阻燃剂与氢氧化镁和氢氧化铝两者的效果，总体来讲，前者明显优于后者。力学测试结果表明：随着阻燃剂的加入，材料的力学性能都有所下降，但断裂伸长率下降幅度比添加氢氧化镁和氢氧化铝的要小。
　　 最后，也简单的讨论了一些成本的核算问题。结果表明，我们的阻燃剂除了具有很大性能优势外，在价格上市场竞争力也很大，而且副产品铵盐可以用做化肥，增加了过程的盈利性能力。