镁铝水滑石的制备与性能研究*

童孟良，舒均杰，王罗强（湖南化工职业技术学院化工系，湖南株洲412004）

镁铝水滑石的制备与性能研究*

童孟良，舒均杰，王罗强
（湖南化工职业技术学院化工系，湖南株洲412004）

采用盐碱共沉淀法制备镁铝水滑石，采用XRD、FT-IR和粒度分析等手段对合成样品进行分析和表征，利用静态热老化法和静态热稳定性实验研究了镁铝水滑石稳定剂在聚氯乙烯（PVC）中的热老化性能和热稳定性能。实验结果表明：镁铝水滑石是良好的PVC热稳定剂和热老化剂，热稳定剂实验的最佳配方比为m（PVC）∶m（硬脂酸）∶m（镁铝水滑石）=100∶2∶1.2；热老化实验的最佳配方为 m（PVC）∶m［邻苯二甲酸二辛酯（DOP）］∶m（硬脂酸）∶m（镁铝水滑石）=100∶70∶2∶2。

共沉淀法；镁铝水滑石；表征；热老化性能；热稳定性能

水滑石具有特殊的结构和组成，受热分解时易吸收大量热，可降低材料表面的温度，使塑料的热分解能力和燃烧率大大降低；分解释放出的二氧化碳和水能稀释、阻隔可燃性气体；分解产物是碱性多孔物质，比表面大，能吸附酸性气体，同时其与塑料燃烧时表面的炭化产物结合生成保护膜，因而具有阻燃抑烟双重功能，研究表明水滑石可作为阻燃剂应用于高分子材料领域，而且水滑石本身无毒，具有较强的对HCl的吸收能力，可替代含铅的化合物作为聚乙烯、聚氯乙烯、各种树脂等聚合物的热稳定剂。刘鑫等［1］研制了性能与日本产的稀土复合热稳定剂相当的无毒水滑石-稀土-锌复合热稳定剂RZL1；张莉等［2］研究发现，水滑石类产品与有机锡或铅锌共同作为复合热稳定剂，可提高聚氯乙烯（PVC）的热稳定性；刘庆艳等［3］研究了复合水滑石热稳定剂对PVC热稳定性能的影响。笔者采用盐碱共沉淀法合成镁铝水滑石（Mg-Al-HTLc），对产物进行X射线衍射（XRD）、红外光谱（FT-IR）、比表面积（BET）、粒度分析等一系列的表征测试，将镁铝水滑石样品作为PVC助剂进行了静态热稳定性实验和热老化实验。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

仪器：RS-232精密电子天平；DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器；DZF-6050真空干燥箱；410-B热老化试验箱。

试剂：硝酸铝、硝酸镁、氢氧化钠、无水碳酸钠，均为AR。

1.2 镁铝水滑石的制备

制备镁铝水滑石的盐碱共沉淀法实验流程如图1所示。

图1 共沉淀法实验流程图

称取一定量的氢氧化钠和无水碳酸钠固体，添加少量去离子水，充分搅拌，使其完全溶解，然后再添加水到一定的容量，配制成指定浓度的碱溶液。

称取一定量的镁盐和铝盐固体，添加少量去离子水，充分搅拌，使其完全溶解，然后再添加水到一定的容量，配制成指定浓度的盐溶液。

一定温度下，在恒定pH（通过控制碱液的滴加速度）下，缓慢将盐溶液和碱溶液滴加到三口烧瓶中，边滴加边充分搅拌，反应一定时间后生成白色悬浊液；将生成的悬浊液在恒温下晶化，晶化完毕后的产品自然冷却，滤掉上层清液进行抽滤，并用去离子水洗涤沉淀至中性；再经过抽滤，烘干后取样研磨，得到水滑石粉末。

1.3 镁铝水滑石的物理表征测试

1.3.1 X射线衍射（XRD）

样品的XRD测试在D500 X射线粉末衍射仪上完成［Cu靶，波长为1.540 6 nm，电压为40 kV，电流为30 mA，扫描速度为8（°）/min，扫描范围2θ为5～80°］。

1.3.2 红外光谱检测（FT-IR）

样品的红外光谱测定，所用仪器为AVATAR-360傅里叶变换红外光谱仪，采用KBr压片（2%样品），测定范围为400～4 000 cm-1。

1.3.3 粒度与比表面测定

比表面积（BET）测定在TriStar3000型比表面积分析仪上进行，同时联合激光粒度仪对合成的样品进行分析和表征。

1.4 镁铝水滑石添加作为PVC助剂的性能测试

镁铝水滑石对PVC热稳定性的影响采用静态热稳定性实验（刚果红法）：将PVC、硬脂酸和镁铝类水滑石按一定的比例混合均匀，根据标准ISO 182-1—1990［4］，将片状样品剪成边长约为1 mm的小颗粒，装入试管中，使装入高度约 5 cm，浸入180℃的油浴中，使样品的表面与油面在同一水平线上。记录从试管插入油浴到试纸颜色稍变成蓝色所需的时间，此即热稳定时间，单位用min表示。每个样品测量3次取平均值。

镁铝水滑石对PVC热老化性能的影响采用静态热老化实验：将PVC、邻苯二甲酸二辛酯（DOP）、硬脂酸及水滑石按一定比例称量，在双辊开炼机上于混炼后压制成片，放入180℃的热老化测试箱中进行静态热老化实验，观测比较颜色变化，每隔10 min取出样片并记录变色情况［5］。

2 结果及讨论

2.1 产品的表征

对盐碱共沉淀法制备的镁铝水滑石［n（Mg）/ n（Al）=3∶1，恒定pH为9～10，70℃条件下反应，晶化24 h］进行XRD、FT-IR、粒度及BET表征测试，测试结果与讨论如下。

2.1.1 X射线衍射（XRD）分析

镁铝水滑石的X射线衍射分析结果如图2所示。从图2可知，样品的衍射峰与标准图谱基本吻合，镁铝水滑石的特征峰非常明显且尖锐，说明形成了Mg-Al-HTLc；XRD谱图基线低且平稳、衍射峰的峰形尖而窄且对称，表明用盐碱共沉淀法可以得到结晶度高的水滑石样品。

图2 镁铝水滑石的X射线衍射图

2.1.2 红外光谱（FT-IR）分析

ν（OH）的伸缩振动出现在3 200～3 650 cm-1范围内，峰形尖锐且无其他吸收峰干扰，易于识别。单体O—H基在3 500～3 650 cm-1范围有吸收峰，若化合物产生缔合现象，O—H基伸缩振动吸收峰会向低波数方向位移，通常会在3 460 cm-1左右出现强的吸收峰。ν（C—O—C）的伸缩振动多出现在1 350～1 550 cm-1范围内，而金属键M—O的振动峰常出现在400～600 cm-1范围内［6］。

图3为镁铝水滑石的红外光谱（FT-IR）分析图。从图3可看出，3 480 cm-1附近是对应于水滑石片层羟基或物理吸附水分子的ν（OH）伸缩振动的宽峰，ν（OH）对称收缩值小于自由羟基（3 650 cm-1），说明水滑石片层和层间的羟基都以氢键缔合相连。镁铝水滑石红外谱图中存在1 381 cm-1附近的吸收峰，由此可以表明有CO32-插层存在，同时CO32-的吸收峰向低波数方向位移较大，说明层间插入的CO32-是非自由的，和层间水分子存在着强氢键作用。图3在432 cm-1出现一个强吸收带，是与水滑石层板上阳离子和氧原子之间的化学键相关的振动峰，此振动峰是水滑石骨架结构的特征峰，表明对应镁铝水滑石为层状骨架结构。

图3 镁铝型水滑石的FT-IR分析

2.1.3 粒度及比表面积分析

图4是对镁铝水滑石样品的粒度分析结果。从图4可见，样品的粒度范围较窄，颗粒粒径呈正态分布，显示出盐碱共沉淀法制备的水滑石颗粒粒度均匀、分散性好。

另外，采用吸附仪对样品进行了比表面分析，通过测试可知，样品颗粒的比表面积达45.38 m2/g，孔体积达0.28 cm3/g。

2.2 镁铝水滑石的添加对PVC性能的影响

2.2.1 镁铝水滑石稳定剂的用量对PVC热稳定性的影响

确定塑料配方（PVC为1 g、硬脂酸为0.02 g），只改变镁铝水滑石的含量，分析不同镁铝水滑石加入量下体系的热稳定性能变化（刚果红法），确定镁铝水滑石稳定剂添加至PVC塑料的最佳用量。具体实验结果见表1。

表1 不同镁铝水滑石用量下的热稳定性

由表1的测试结果可以看出，镁铝水滑石质量分数在0～1.2%的范围内，PVC的变色时间随着水滑石添加量的增加而增大，体系的热稳定性能也显著提高，这是由于PVC的初期热降解以脱除氯化氢为主，产生的氯化氢对降解起促进作用，而镁铝水滑石能吸收、反应消耗氯化氢，从而提高PVC的热稳定性。水滑石均匀分散的颗粒也能起到气体阻隔的作用，抑制热降解气体的扩散，随着均匀分散于其中的镁铝水滑石颗粒的增加，体系的热稳定性迅速增加。当质量分数超过1.2%时，刚果红试纸的变色时间反而缩短，这是由于镁铝水滑石粒子的含量过高便产生团聚，而粒子对聚合物的热稳定性作用强烈依赖于其在聚合物中的分散度。因此，镁铝水滑石稳定剂添加到PVC塑料中的最佳配方比为m（PVC）∶m（硬脂酸）∶m（Mg-Al-HTLc）=100∶2∶1.2。

2.2.2 镁铝水滑石稳定剂的用量对PVC塑料热老化性能的影响

确定塑料配方中各种助剂的加入量（PVC为5 g、DOP为3.5 g、硬脂酸为0.1 g），只改变镁铝水滑石的含量，通过分析塑料老化的程度，以此确定镁铝水滑石对PVC抗老化的最佳加入量。表2是恒温热老化实验结果。从表2可看出，不添加镁铝水滑石的PVC粉末，在20 min左右就开始变棕黑，热稳定性极差。采用镁铝水滑石改性PVC稳定体系，经静态热老化实验后试样的颜色不同。镁铝水滑石的含量

表2 含镁铝类水滑石的PVC样片的热稳定性

越高，体系初期的热稳定性越好，老化程度也越浅。根据表2数据分析可确定，热老化实验配方的最佳比例为：m（PVC）∶m（DOP）∶m（硬脂酸）∶m（Mg-Al-HTLc）=100∶70∶2∶2。

3 结论

1）通过盐碱共沉淀法成功制备了镁铝水滑石。XRD衍射和红外分析证实了样品化学组成为Mg-Al-HTLc。2）Mg-Al-HTLc是良好的PVC热稳定剂和热老化剂，镁铝水滑石稳定剂添加至PVC塑料的最佳配方比为：m（PVC）∶m（硬脂酸）∶m（Mg-Al-HTLc）=100∶2∶1.2；镁铝水滑石热老化实验配方的最佳比例为：m（PVC）∶m（DOP）∶m（硬脂酸）∶m（Mg-Al-HTLc）=100∶70∶2∶2。

［1］ 刘鑫，舒万艮，桂客，等.水滑石-稀土-锌复合热稳定剂 RZL1的研制［J］.塑料助剂，2005，49（1）：17-19.

［2］ 张莉，乔辉，高翔，等.镁铝水滑石及其复合体系对PVC热稳定性能的调控［J］.中国塑料，2005（5）：79-83.

［3］ 刘庆艳，杨占红，易师.复合水滑石热稳定剂对PVC热稳定性能的影响［J］.中国有色金属学报，2010，20（2）：363-370.

［4］ ISO 182-1—1990 塑料基于氯乙烯共聚物、均聚物的化合物及产物在高温下析出氯化氢和其他酸性产物的趋势测定第1部分：刚果红［S］.

［5］ ISO 305—1990 Plastics：determination of thermal stability of poly（vinyl chloride），related chlorine-containing homopolymers and copolymers and their compounds-discoloration method［S］.

［6］ Wade L G Jr.有机化学［M］.万有志，译.5版.北京：化学工业出版社，2006.

Preparation and performance study on Mg-Al-hydrotalcite

Tong Mengliang，Shu Junjie，Wang Luoqiang
（Department of Chemical Engineering，Hunan Chemical Vocational and Technical College，Zhuzhou 412004，China）

Mg-Al-hydrotalcite was prepared by saline-alkaline co-precipitation method.The synthesized samples were analyzed and characterized by XRD，FT-IR，and particle size analysis.The effects of Mg-Al-hydrotalcite stabilizer on the static thermal aging property and static thermal stability of PVC were investigated by static thermal aging test and static thermal stability test.Results showed that Mg-Al-hydrotalcite was a good thermal stabilizer and a good thermal aging stabilizer for PVC. The best proportion of thermal stability test among PVC，stearic acid，and Mg-Al-hydrotalcite was 100∶2∶1.2（mass ratio）. The best proportion of thermal aging test for PVC，DOP，stearic acid，and Mg-Al-hydrotalcite was 100∶70∶2∶2（mass ratio）.

co-precipitation method；Mg-Al-hydrotalcite;characterization；thermal aging property；thermal stability

TQ132.2

A

1006-4990（2014）04-0022-03

2013-10-29

童孟良（1971— ），男，硕士，教授，从事化工工艺教学和化工新材料研究工作，已发表论文32篇。

湖南省科技计划项目（2013SK3182）。

联系方式：13973327103@163.com