(中國礦業大學,北京/侯會麗,徐熙,鄭水林,宋兵,宋貝)當今阻燃材料的一個重要發展方向是無機阻燃材料的開發。其中金屬氫氧化物是當前應用最多的無機阻燃劑,主要包括氫氧化鋁和氫氧化鎂。
膨潤土本身是一種惰性材料,將其與氫氧化鎂結合起來,研究制備出阻燃性能好、無毒、價廉的膨潤土復合填料,具有重要的應用價值。80年代開始,插層膨潤土的研究蓬勃發展起來,大部分多核金屬陽離子插層劑都是以羥基鋁離子為基礎。之后,各種類型的插層膨潤土相繼合成。近年來,已合成出不同插層劑的膨潤土,合成技術也日益成熟。
本文利用膨潤土的結構特性,先將原礦酸鋰化預處理,然后將羥基鎂/鋁插入其層間,制得的插層產物與氫氧化鎂復合,最后對復合材料進行有機改性,制備出新型無機復合阻燃填料并將其填充阻燃EVA電纜料,對產品的力學和阻燃性能進行了表征,結果表明其力學和阻燃性能良好。
1 實驗部分
1.1 實驗原料
膨潤土取自河南信陽。氫氧化鎂由遼寧佳益五金礦產有限公司提供。原料膨潤土中位粒徑為2.2µm,陽離子交換容量CEC為70.92mmol/100g,主要化學成分SiO266.86%,Al2O315.07%,MgO3.09%。
1.2 實驗儀器
增力電動攪拌器(JJ-1,江蘇金壇市醫療儀器廠)、恒流泵(HL-2,上海滬西分析儀器有限公司)、恒溫水浴鍋(DZKW-4,北京中興偉業儀器有限公司)、電子分析天平(AL204 ,METTLER TOLEDO公司)、打散機(CDE-300E,歐科電器有限公司)、數顯控溫干燥箱(101A-0,上海圣欣科學儀器有限公司)。
1.3 樣品制備
(1)膨潤土酸鋰化預處理:稱取膨潤土20g至三口燒瓶中,加入一定量的蒸餾水,使礦漿質量濃度為1/10,勻速滴加12ml 0.05mol/L的HCl進行酸化,并同時加入LiCl進行鋰化,攪拌并離心洗滌至離心液離心液中無Cl-,烘干打散。
(2)膨潤土無機插層改性:稱取預處理后的膨潤土20g置于1000ml的三口燒瓶中,加入一定量的蒸餾水配置成設定濃度的礦漿液,攪拌均勻,調節水浴溫度和礦漿的pH值,加入一定量的插層劑和5‰硬脂酸鈉,其中插層羥基鎂/鋁所用改性劑分別為MgCl2/AlCl3溶液加NaOH溶液。反應一定時間后,離心脫水,烘干干燥,打散。
(3)填充阻燃EVA電纜料:將質量分數6%的羥基鎂/鋁插層膨潤土樣品與質量分數94%的超細氫氧化鎂復合并有機改性后填充到EVA電纜塑套材料中。
1.4 樣品表征
(1)氧指數
氧指數參照GB2406-93標準規定的方法測試。所測極限氧指數值的大小用來評定材料阻燃性能,其值越大阻燃性能越好。LOI<21%屬于易燃材料,LOI>28%為難燃材料, LOI>35%為極難燃材料。
(2)力學性能
參照GB/T 8815-2002標準規定的測試方法,在廣州試驗儀器廠生產的XL-100A型拉力試驗機上進行拉伸強度和斷裂伸長率的測定,樣條尺寸為110mm×25mm×1mm。
2 結果與討論
2.1 羥基鎂插層量對填充EVA復合材料性能的效果影響
取羥基鎂插層量為0.1、0.5、1.0、1.5、2.0 mmol/g土時,分別對填充EVA復合材料進行阻燃和力學性能測試,結果如表1和圖1所示。
表1 羥基鎂插層量對填充EVA復合材料阻燃和力學性能的影響
序號
|
羥基鎂的插層量/mmol/g土 |
拉伸強度/MPa |
斷裂伸長率/% |
氧指數/% |
1 |
0.1 |
5.27 |
156 |
38.5 |
2 |
0.5 |
5.65 |
139 |
37.1 |
3 |
1.0 |
5.30 |
200 |
37.2 |
4 |
1.5 |
5.50 |
253 |
36.4 |
5 |
2.0 |
5.60 |
213 |
36.2 |
圖1 羥基鎂插層量的影響
(a)插層量對拉伸強度與斷裂伸長率的影響; (b)插層量對氧指數的影響
由表1和圖1可以看出,樣品的拉伸強度隨著插層劑羥基鎂插入量的增加,先增大后減小再增大,在羥基鎂用量為0.5mmol/g土時達到最大值(5.65MPa),在用量1.5mmol/g土時效果較好,達到5.50MPa,在用量為2.0mmol/g土時達到5.60MPa;樣品的斷裂伸長率隨著羥基鎂插入量的增加,先略有減小后增大,在用量為1.5mmol/g土時達到最大值(253%),之后逐漸變??;氧指數隨著羥基鎂插入量的增加呈下降趨勢,在羥基鎂用量為0.1mmol/g土時為最大值(38.5%),樣品的氧指數都大于35%,為極難燃。
2.2 羥基鋁插層量對填充EVA復合材料性能的效果影響
取羥基鋁插層量為0.1、0.5、1.0、1.5、2.0 mmol/g土時,對填充EVA復合材料分別進行阻燃和力學性能測試,結果如表2和圖2所示。
表2 羥基鋁插層量對填充EVA復合材料阻燃和力學性能的影響
序號
|
羥基鋁的插層量/mmol/g土 |
拉伸強度/MPa |
斷裂伸長率/% |
氧指數/% |
1 |
0.1 |
5.71 |
211 |
35.8 |
2 |
0.5 |
5.30 |
189 |
35.4 |
3 |
1.0 |
5.04 |
191 |
35.4 |
4 |
1.5 |
5.76 |
249 |
35.1 |
5 |
2.0 |
5.70 |
316 |
35.0 |
圖2 羥基鋁插層量的影響
(a)插層量對拉伸強度與斷裂伸長率的影響; (b)插層量對氧指數的影響
由表2和圖2可以看出,樣品的拉伸強度隨著插層劑羥基鋁插入量的增加,先減小后增大,在羥基鋁用量為1.5mmol/g土時達到最大值(5.76MPa),再之后略有減小,在羥基鋁用量為0.1mmol/g土、1.5mmol/g土、2.0mmol/g土時結果較好;樣品的斷裂伸長率隨著羥基鋁用量的增加,先略有減小后不斷增大,在其用量為2.0mmol/g土時達到最大值(316%);氧指數隨著羥基鋁用量的增加呈下降趨勢,在羥基鋁用量為0.1mmol/g土時為最大值(35.8%),樣品的氧指數都大于35%,為極難燃。
3 結論
將羥基鎂和羥基鋁作為插層劑插入膨潤土層間,制得的插層膨潤土與氫氧化鎂復合所得的復合阻燃填料填充于阻燃EVA電纜料,填充材料的氧指數達到38.5%/35.8%;拉伸強度達到5.65/5.76 MPa;斷裂伸長率達到253%/316%。
(桂林非金屬礦加工與應用技術交流會,發表于中國粉體技術雜志)
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