隨著科技的發展和人們環保意識的提高,當今世界的阻燃劑研究和應用正朝無鹵化的方向發展。以氫氧化鎂為代表的無機阻燃劑,在應用時是依靠化學分解吸熱以及釋放出水而起阻燃作用的,具有無毒性、抑制發煙以及分解產物化學性質穩定等特點,因此不產生二次危害。近年來氫氧化鎂阻燃劑雖然發展迅速,但其在實際應用中存在填充量大、與高聚物之間的結合能力差等缺點,因此需要進行表面改性。重質碳酸鈣具有純度高,價格低廉,加工工藝簡單,在基材中分散性好等特點,作為填料可以提高材料的阻燃性,降低成本。
本文利用氫氧化鈣沉淀法制備出一種氫氧化鎂/重質碳酸鈣復合阻燃填料,制得的復合填料兼有良好的力學性能和阻燃性能。
1.實驗部分
1.1原料試劑儀器
實驗所用原料重質碳酸鈣由四川巨豐粉體有限公司提供,其主要物化性質見表1
表1碳酸鈣主要理化性質
名稱 |
粒度/μm |
CaO/% |
吸油值/(mL/g) |
白度 |
重質碳酸鈣 |
D50=6.34 |
55.16 |
0.35 |
96 |
實驗試劑有硫酸鎂(MgSO4,分析純)和氫氧化鈣(Ca(OH)2,分析純)。
實驗所用儀器有恒溫水浴鍋XTDM-4000(北京市永光明醫療儀器廠),電子分析天平AL204(METLER TOLEDO公司),打散機CDE-00E(歐科電氣有限公司),數顯控溫干燥箱101A-0(上海盛欣科學儀器有限公司),三口燒瓶1000mL(北京玻璃廠),鐵架臺(市售),電動攪拌器JJ-1(北京永光明醫療儀器廠),氧指數測定儀HC-2(南京市江寧縣分析儀器廠),拉力試驗機XL-100A(廣州市廣材試驗儀器有限公司),掃描電子顯微鏡S-3500N(日本日立),能譜儀S-3500N(日本日立)。
1.2實驗方案
取36g硫酸鎂配置成一定濃度的溶液,加入到三口燒瓶中,再加入一定量的碳酸鈣,在水浴鍋中均勻攪拌,按相應比例加入氫氧化鈣,在一定溫度下反應一段時間,反應結束后,將混合液進行過濾、干燥、打散從而制得復合阻燃填料。
1.3樣品表征
取一定量的復合阻燃填料填充到EVA電纜料中,測試材料的力學性能(斷裂伸長率、拉伸強度)和阻燃性能(氧指數)。
采用掃描電子顯微鏡對復合粉體的微觀形貌進行觀察,通過該掃描電鏡自帶的能譜儀分析氫氧化鎂與重質碳酸鈣上的復合情況。
2 結果與討論
2.1反應溫度對填充EVA復合材料性能的影響
圖1反應溫度對復合粉體填充性能的影響
圖 1中可以看出,樣品的拉伸強度隨著反應溫度的升高,先增加后降低,在溫度為 85℃時達到最大值(8.1MPa),再之后開始降低,85℃時時拉伸性能最好;樣品的斷裂伸長率隨著反應溫度的升高,呈先增大后減小的趨勢,在 85℃時達到最大值(66.2%);總體上來說,隨著反應溫度的升高,氧指數不斷增大。在 90℃、95℃時達到最大 30.5%,但 80℃和 85℃時也達到了 29.5%,與最大值也差別不大,所以 80℃和 85℃時氧指數也可取。綜上所述,最佳的反應溫度為 85℃。
2.2反應時間對填充EVA復合材料性能的影響
圖2反應時間對復合粉體填充性能的影響
從圖2可以看出,樣品的拉伸強度隨著反應時間的增加,先減小后增加,在溫度為 2h 時達到最大值 8.1MPa,再之后開始降低;樣品的斷裂伸長率隨著反應時間的增加,先減小,在反應時間為 1.5h 時達到最小值 53.08%,然后隨著反應時間的增加,斷裂伸長率也增加,在 2.5h 時達到最大值 79.54%;氧指數隨著反應時間的增加先呈下降增加趨勢,在時間為 1.5h 時達到最小值 27.5%,然后隨著時間的增加,氧指數有所增加,在 2h 時達到最大值 30.5%。雖然斷裂伸長率在 2.5h 時最大,但考慮到試驗過程中會有大量水分蒸發,不宜長時間水??;反應時間 2h 時,在該條件下拉伸強度和氧指數都達到了最高值;綜合分析,確定最佳反應時間為 2h。
2.3氫氧化鈣用量對填充EVA復合材料性能的影響
由圖 3可以看出,樣品的拉伸強度隨著氫氧化鈣用量的增加,呈先增加后減小的趨勢,在氫氧化鈣用量為 30g 時達到最大值(8.1MPa),在氫氧化鈣用量為 24g、36g 時,拉伸強度分別為 7.46、7.66,和最高點 8.1 相差不大;樣品的斷裂伸長率隨著氫氧化鈣用量的增加,呈先減小后不斷穩定的趨勢,在氫氧化鈣用量為 24g 時達到最大值(74.28%);氫氧化鈣用量的變化對樣品的氧指數影響不大,隨著氫氧化鈣用量的增加,氧指數先增大,在用量為 30g 時達到最高 30.5%,然后隨著用量的增加,氧指數減小。綜合考慮拉伸強度、斷裂伸長率、氧指數的大小,最終確定當硫酸鎂用量為36g時,氫氧化鈣最佳用量為24g。
圖3氫氧化鈣用量對復合粉體填充性能的影響
2.4復合阻燃填料的掃描電鏡和能譜分析
圖4中顆粒分布稀疏,團塊狀物質比較少,有一些條狀物、片狀物分布在基體表面上,推測片狀物為生成的氫氧化鎂,條狀物為碳酸鈣和新生成的硫酸鈣的混合物。
為了證實這一推測,進一步進行EDS能譜分析,圖譜采集區域在圖5中1,2,3處,采集區域能譜圖如圖5,6,7所示。
從圖5可以看出,SEM 圖片中區域1和區域2中的片狀物,主要組成為 Mg 和 O,并含有少量的 S、Ca。由于復合材料在反應過程中僅發生沉淀反應。所以復合材料中除了含有不參與反應的 CaCO3之外,還有生成的 CaSO4和 Mg(OH)2。從區域 1 和區域 2 中的元素組成可以看出,其主要成份為 Mg(OH)2,而少量的 S、Ca 來自于基體 CaCO3和生成的微溶物 CaSO4。從圖7可以看出,區域3中 Mg 的含量很少,其主要成份為 S 和 Ca,說明此區域是 CaCO3和新生成的CaSO4的混合物。從上述分析可以得出,SEM 圖片中的片狀物就是氫氧化鎂晶體,反應過程中所生成的氫氧化鎂能與氫氧化鈣達到均勻復合。
3 結論
1)利用氫氧化鈣沉淀法制備復合無機阻燃填料,最優工藝條件為:反應溫度85℃;反應時間2h;氫氧化鈣用量24g(硫酸鎂質量為36g時)。
2)通過對復合阻燃填料進行表征得知在優化工藝條件下制得的復合阻燃填料中,片狀氫氧化鎂粒子能夠與碳酸鈣顆粒均勻復合。
?歡迎進入【粉體論壇】
|