新型反应器制备阻燃型Mg(OH)2、LDHs纳米粉体及其应用研究

摘要

纳米材料因具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，表现出许多特有的性质，从而在催化、阻隔、阻燃、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等方面具有广阔的应用前景。但是由于纳米颗粒具有奇特的活性，很容易产生团聚，使得纳米材料的纳米效应不能充分发挥，而且多数纳米材料还只停留在实验室的少量合成阶段，因此限制了其在工业生产和日常生活中的应用。目前市场上用的阻燃剂仍然以卤族元素为主，对环境安全和环保带来较大隐患。本文主要针对以上问题根据相关原理设计并制备了两种新型反应器来探索大量合成无机纳米粉体新工艺，并将制备的无机纳米粉体通过原位聚合和填充改性的方法制备聚合物基无机纳米复合材料来对其进行应用，并对相关性能进行检测，具体如下：　　（1）在研制复合剪切力反应器制备油酸根原位改性针状氢氧化镁（OA-MH）纳米粉体过程中，通过特殊结构的反应器将机械力，流体力，气体力组成复合剪切力，油酸钠作为包覆改性剂，来共同控制晶体的成核与生长，并首次将二次流的剪切力作用引入到制备无机纳米材料的研究中。机械剪切力、流体剪切力、气体力，不但防止了颗粒的团聚而且将大颗粒剪碎变小，使颗粒的粒径趋于均一化。特殊的多反应室结构和反应室间的挡板以及挡板的小孔结构，在搅拌器高速搅拌下，使得流体呈“散开-上流-聚集”自下而上循环反应模式，不仅相对延长了流体在反应室内的有效反应的路径，从而限制了流体流出的速度，而且在机械力产生的机械力化学和流体力产生的流体力化学的作用下使得剪切充分、反应充分、包覆充分。气体的通入不仅可以冲击粒子防止粒子团聚，而且在表面活性剂或类表面活性剂存在下通过复合剪切力的作用，形成很薄的且较稳定的液膜，提供较稳定的纳米环境，加上低温条件，因此颗粒主要在一维方向生长，最终形貌呈针状。　　（2）在研制两级反应器制备片状复合金属氢氧化物（LDHs）纳米颗粒时，在LaMer模型的基础上，首次将与质量传递有关的surface renewal模型与eddy cell模型引入到制备无机纳米材料的研究中。在制备纳米颗粒的反应过程中，分散轮、分散槽主要实现介观尺度水平的分布手段，使成核离子快速均匀微观混合，在该阶段主要进行晶体的成核；搅拌轮主要实现分子尺度水平的传质手段，使晶核同步增长， 在该阶段主要进行晶体的生长；分散轮、分散槽、搅拌轮在空间上至上而下垂直排列并通过传动杆链接，使晶体成核与生长有效分开，并形成至上而下的反应模式，突破了传统反应器只具有分散功能或只具有搅拌功能，不能均相成核和同步均匀生长的弊端。气体从底部通入在液体外部形成的大量宏观气体涡流和在液体内部形成的大量微观涡流进一步促进了质量传递水平，因此所得颗粒的尺寸较小，分布较窄。　　（3）在原位本体聚合制备ZnMgAl-CO3 LDHs/PMMA纳米复合材料时，采用超声与机械搅拌相结合的方法来促进ZnMgAl-CO3 LDHs胶体粒子均匀分散于无水乙醇中，通过使用油酸分子对胶体粒子外表面进行表面化学改性后，ZnMgAl-CO3 LDHs粉体能均匀地分散在MMA单体中，从而在自由基聚合过程中能制备出纳米粒子分散性较好的纳米复合材料。在ZnMgAl-CO3 LDHs添加量仅为2％（质量分数）的条件下，OA-ZnMgAl-CO3 LDHs/PMMA纳米复合材料的热稳定性明显高于ZnMgAl-CO3 LDHs/PMMA纳米复合材料纯PMMA。这种热稳定性的提高主要取决于纳米粒子的较好的分散性以及纳米粒子与聚合物基体材料之间较强的黏附力。　　（4）在填充改性 EVA过程中，采用双螺杆挤出机挤出造粒和采用注塑机成型的方法来制备标准样条并对相关性能进行检测。当纳米级MH含量在4%时，粘度出现一个突变，反而比MH含量2%的聚合物熔体还要低，并且黏度在整个剪切速率范围都低于其它填充量的粘度，表明MH含量在4%聚合物流动性为最佳填充量，而且MH的含量在4%时，拉伸强度也最好，说明加工性能较好的聚合物复合材料可明显改善聚合物的力学性能。ZnMgAl-CO3 LDHs/MH复配在16%-20%填充量范围内聚合物的燃烧性能达到UL-94（1.5mm）V-2级别是因为ZnMgAl-CO3 LDHs纳米粒子具有催化成炭的作用，而且两种粒子相互充当彼此的稀释剂，使粒子间不易团聚，充分显现纳米粒子的协同特性。

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第一章 绪论

1.1 规模化制备纳米粒子的反应器及原理

1.2 氢氧化镁阻燃体系及应用技术

1.3 LDHs阻燃体系及应用技术

1.4 本研究课题的意义和研究内容

第二章 复合剪切力反应器制备针状OA-MH纳米粉体

2.1试剂与仪器

2.2 实验方法

2.3 结果与讨论

2.4小结

第三章 两级反应器制备MgAl-CO3 LDHs纳米粉工艺研究

3.1 试剂与仪器

3.2 实验方法

3.3 结果与讨论

3.4 小结

第四章 Zn2+原位掺杂对MgAl-CO3 LDHs晶体结构、形貌与热稳定性的影响

4.1 试剂与仪器

4.2 实验方法

4.3 结果与讨论

4.4小结

第五章 原位聚合法制备ZnMgAl-CO3 LDHs/PMMA纳米复合材料

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 小结

第六章 Mg(OH)2、LDHs 填充改性EVA

6.1引言

6.2主要原材料及仪器设备

6.3实验部分

6.4 燃烧标准

6.5 结果与讨论

6.6 小结

结语

参考文献

附录

致谢