硅烷偶联剂改性氢氧化镁阻燃剂

硅烷偶联剂改性氢氧化镁阻燃剂

氢氧化镁阻燃剂具有抑烟、绿色和环保等优势，但是由于其较低的阻燃效率，应用在高分子基材中往往需要较大的填充量，又因为氢氧化镁作为无机粉体具有亲水疏油，极性大的特点，不利于无机/有机材料的界面复合，较高的填充量会导致添加有氢氧化镁的高分子复合材料力学性能大幅下降。为了改善氢氧化镁与高分子基材之间无机/有机界面相容性的问题，本章选用3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（A-174）对氢氧化镁进行干法改性，该种硅烷偶联剂可以与醋酸乙烯、丙烯酸或甲基丙烯酸单体共聚，常用于电线电缆行业，在提高复合材料界面相容性的同时，还可以改善电缆料防静电性能[47-48]。

本章对影响干法工艺改性氢氧化镁效果的因素，既改性剂用量、改性温度、改性时间和搅拌速度进行了研究。采用单因素实验方法，通过对改性粉体活化指数的测定，确定了硅烷偶联剂A-174改性氢氧化镁效果的最佳工艺条件，并通过SEM、热重分析和红外光谱等表征手段探讨了硅烷偶联剂A-174改性氢氧化镁的改性机理及改性效果。

1.1 实验

1.1.1 试剂及仪器

Magnifin H-5型氢氧化镁（美国雅宝公司）

3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（湖北武大有机硅新材料有限公司）

邻苯二甲酸二辛酯DOP（国药集团化学试剂有限公司）

DHG-9140A型电热恒温鼓风干燥箱（上海一恒科技有限公司）

FA2004型电子天平（上海上天精密仪器有限公司）

Y100L2-4高速搅拌机（张家港锦丰万科机械厂）

DJ-1定时电动搅拌器（金坛市大地自动化仪器厂）

JSM-5610LV/INCA扫描电子显微镜（日本电子株式会社）

STA449F3同步热分析仪（德国耐驰）

Nexus傅立叶变换红外光谱仪（美国热电-尼高力公司）

1.1.2 改性方法

首先，将氢氧化镁粉体放入干燥箱中，在120℃下干燥5小时以排除原料中吸附的水分，将干燥后的氢氧化镁冷却至室温备用。称取1kg已干燥的氢氧化镁粉末加至高速搅拌机中，在1000rpm的搅拌速度下预热至实验设计温度，当温度升至指定温度时，提高高速搅拌机搅拌速度至某设定值，并使用医用注射器向粉体中加入一定量硅烷偶联剂A-174。在改性进

行一定时间后，停止加热与搅拌，取出已改性粉体并冷却至室温。改性工艺流程如图2.1，改性工艺条件如表2.1。

图2.1 A-174干法改性氢氧化镁工艺流程图

表2.1 A-174干法改性氢氧化镁的工艺条件

2.2 表征方法

1.2.1 活化指数

取一200ml烧杯，加入100ml蒸馏水，称取3g左右已改性氢氧化镁粉末置于烧杯中，使用电动搅拌器连续搅拌1min后静置10min，收集漂浮于水面的剩余粉体，然后将其放置在烘箱中，于110℃下烘干4h，冷却至室温并称重。由式（2-1）可计算出试样的活化指数：A=m1m2×100% 式（2-1）

式中：A为样品活化指数；m1为漂浮于水面的粉体质量；m2为样品总质量。

没有经过表面改性的氢氧化镁裸粉会在蒸馏水中会自然沉降，活化指数为0%。经过硅烷偶联剂改性的氢氧化镁表面具有疏水性，改性粉体会漂浮于水面，活化指数A＞0%；当氢氧化镁粉体表面被偶联剂完全包覆时，A=100%。因此，活化指数数值的变化可以在一定程度上直观反映出表面化学改性的效果。

1.2.2 吸油率

称取1g左右改性后的氢氧化镁粉体置于洁净的表面皿上，用25ml滴定管缓慢向其滴加

DOP，在滴加过程中使用玻璃棒不断搅拌，直至粉体试样全部混合成团为止，记录所消耗的DOP体积，由式（2-2）计算试样的吸油率，单位为ml/100g。

Q=Vm×100 式（2-2）

式中：Q为试样的吸油率；V为所消耗的DOP体积；m为样品的质量。

未改性的氢氧化镁由于具有较高的表面能，粉体之间通常会发生团聚现象，且分散度低，颗粒间空隙较大，对DOP的无效吸收比较严重。改性后的氢氧化镁粉体团聚现象缓解，堆积密度升高，吸油率会相对减小，降低了氢氧化镁添加对高分子材料综合性能的影响。因此吸油率是控制粉体改性质量的重要指标之一。

1.2.3 扫描电子显微镜

采用扫描电子显微镜可以观察试样的形貌、尺寸、粒径分布以及颗粒分散性等性质，具有可靠性和直观性。本次试验中，使用真空干燥箱将待测粉体进行干燥处理，再将干燥好的粉体经超声波分散后粘于导电胶上，进行喷金处理后便可直接观察粉体形貌尺寸。

1.2.4 热重分析

氢氧化镁粉体经过硅烷偶联剂表面改性后，会表现出不同的热分解行为，因为表面有机化程度的差异会导致无机粉体在受热分解过程中分解行为的不同，所以，通过研究其热重分析曲线，可以对粉体表面的有机化情况进行分析。本次实验在氮气氛围中进行，温度范围为30 ~ 1050℃，升温速率为5℃/min。

1.2.5 傅立叶变换红外光谱

傅立叶红外光谱分析主要用于研究表面改性机理，依据测试样品特征吸收峰的位置和形状变化，对比分析改性剂的各类官能团在氢氧化镁表面改性过程中作用。采用KBr压片，波数范围为4000~500cm-1。