阻燃镁盐材料颗粒尺寸影响热分解特性研究

廉武强

(渭南市公安消防支队 防火处工程验收科，陕西 渭南 714000)

阻燃镁盐材料颗粒尺寸影响热分解特性研究

廉武强

(渭南市公安消防支队 防火处工程验收科，陕西 渭南 714000)

通过化学溶液法制备镁盐阻燃材料，在不同反应温度、氨水浓度以及反应物摩尔比下获得阻燃镁盐材料，研究不同反应条件对阻燃镁盐材料颗粒尺寸的影响，再采用微机差热天平对样品进行差热和热重分析，最终得到阻燃镁盐材料颗粒尺寸对热分解特性影响的研究结果，其为探索其他阻燃剂的制备和应用提供有益参考。

阻燃；镁盐材料；颗粒尺寸；热分解

随着高分子聚合物材料的应用愈来愈广泛，对阻燃材料的阻燃性能提出了更高的要求，无机阻燃级镁盐材料由于具有多重阻燃作用，同时又具有消烟、无毒等优点，逐渐受到了人们的重视[1-8]。我国是镁资源大国，西部盐湖镁资源尤为丰富，主要以水氯镁石(MgCl2·6H2O)形式存在，目前水氯镁石的生产量很大，堆积如山，并以非常廉价的形式出口到国外，经济效益并不显著。此外，我国还有较丰富的水镁石矿物储量，水镁石原矿售价现为100～200元/吨，加工成微米级的细粉市场售价约为3 500元/吨，而进口的表面处理过的活性氢氧化镁价格竟高达15 000～20 000元/吨。

尽管镁盐材料作为无机阻燃剂，具有极大的发展潜力，但同时也存在许多亟待解决问题。各国的科学家、学者等各界人士为了制备出性能优异的阻燃镁盐材料，对各种制备方法在不同的条件下做了许多研究，以便找出不同条件对镁盐材料制备的影响，目前已发现镁盐材料制备的主要影响因素有：投料方式、反应时间、反应温度、氯化镁的初始浓度、溶剂、陈化时间、原料摩尔比等[9-15]。但是，目前制备镁盐材料的粒径与阻燃性能之间的研究少有报道。本论文通过对阻燃镁盐材料制备过程及其影响因素进行研究，综合分析样品粒径与热分解结果，最终确定制备条件，为阻燃镁盐材料的实际应用和工业化生产提供有益的参考。

1 实验

1.1 制备过程

在本实验中所用药品有六水合氯化镁(MgCl2·6H2O，分析纯，国药集团化学试剂有限公司)和氨水(NH3·H2O，分析纯，国药集团化学试剂有限公司)两种。根据文献投料方式对沉降镁盐材料的影响[9]，采用氨水向氯化镁溶液中滴加的方式。然后分别研究反应温度、氨水浓度、反应物摩尔比对样品颗粒尺寸和热分解特性的影响，具体实验方案见表1～表3。

表1 不同反应温度下制备阻燃镁盐材料

表2 不同氨水浓度下制备阻燃镁盐材料

表3 不同氯化镁与氨水摩尔比制备阻燃镁盐材料

1.2 颗粒尺寸分析

采用丹东市百特仪器有限公司BT-2003型激光粒度分布仪对所制备的样品进行颗粒尺寸研究。

1.3 热分解特性分析

采用北京恒久科学仪器厂HCT-1型微机差热天平对所制备的样品进行热分解特性研究，根据所测试样品的物化性质，选择温度范围为25～550 ℃，升温速率为20 ℃/min。

2 结果与分析

2.1 粒度分布研究

(1)改变反应温度对阻燃镁盐材料粒径的影响

从图1中可以看出，随着反应温度的逐渐升高，所制备的阻燃镁盐材料的粒径先减小到一个最小值再增大，即50 ℃时达到最小值2.98 μm。因此，后续实验都选择在50 ℃进行。此外，从图1中能够看出，当反应温度高于50 ℃以后，随着反应温度升高，发生团聚现象，最终使样品粒径增大。

图1 不同反应温度下制备阻燃镁盐材料粒径随温度变化曲线图

图2 不同氨水浓度下制备阻燃镁盐材料粒径随氨水浓度变化曲线图

(2)改变氨水浓度对阻燃镁盐材料粒径的影响

从图2中可以看出，当改变氨水的浓度时，对所得的阻燃镁盐材料粒径也有影响。随着氨水浓度的增大，所得样品的粒径先增大到一个最大值然后在减小。粒径最小样品为2号样品，即在氨水浓度为2 mol/L时粒径最小(2.98 μm)。

(3)改变摩尔比对阻燃镁盐材料粒径的影响

从图3中可以看出随氯化镁与氨水摩尔比的增加，粒径先减小后增大，即在氯化镁和氨水摩尔比为1∶4(2号样品)粒径最小(2.98 μm)。

注：其中m/n为氯化镁与氨水的摩尔比

由于镁盐材料为无机物，极性强，在有机物中的相容性和分散性都很差，因此需要将阻燃镁盐材料制成纳米级，即需要使阻燃镁盐材料粒径非常小，这样才能在添加足量的阻燃镁盐材料后材料的机械力学性能仍然满足使用要求。通过对反应温度、氨水浓度、反应物摩尔比3个因素进行研究，得出阻燃镁盐材料在粒径方面达到最佳的制备条件为反应温度50 ℃C、氨水浓度2 mol/L、氨水与氯化镁摩尔比4∶1。

2.2 热分解特性研究

从图4、图6和图8中的DTA曲线可以看出，12个样品均在410 ℃左右出现一个吸热峰，且这些吸热峰都是从340 ℃左右开始，到480 ℃左右结束，这说明镁盐材料分解为氧化镁和水的反应为吸热反应。镁盐材料的这种性质，作为阻燃剂时可起到吸热作用，并延缓被阻燃材料的温升速度，增加材料点燃所需时间，最终起到阻燃的作用。

图4 不同反应温度下制备阻燃镁盐材料DTA曲线图

图5 不同反应温度下制备阻燃镁盐材料TG曲线图

图6 不同氨水浓度下制备阻燃镁盐材料DTA曲线图

图7 不同氨水浓度下制备阻燃镁盐材料TG曲线图

图8 不同氯化镁与氨水比制备阻燃镁盐材料DTA曲线图

从图4、图6和图8中还可以发现，350 ℃～450 ℃区间为镁盐材料的主要吸热温度区间，其对应着镁盐材料热失重的温度区间(见图5、图7和图9所示)。通过实验数据计算得到1～12号样品失重率分别为31.1%、30%、28.9%、28.9%、27.8%、27.8%、31%、31.1%、27.8%、27.8%、28.9%、24.4%，其接近理论失重率31.03%，所以确定失重主要是由于分解出的水以气态形式蒸发造成的。

图9 不同氯化镁与氨水比制备阻燃镁盐材料TG曲线图

此外，从所有样品的DTA曲线中，能够发现2号样品的吸热峰值最大(-69 μV)同时吸热峰面积也最大，说明其在所有样品中吸热能力最强。综合前面粒径分析结果，具有最小颗粒尺寸的2号样品具有最好的吸热效果，作为阻燃剂具有最好的阻燃效果。

目前，制备得到的镁盐阻燃材料全是白色粉末，外观没有差别。根据实验数据，得出所有样品的吸热峰值，失重率以及对应的粒径，列于表4。

表4 样品吸热峰值，失重率以及对应的粒径统计表

3 结论

本论文采用氨水向氯化镁溶液中滴加的方式制备镁盐阻燃材料，通过改变反应温度、氨水浓度和反应物摩尔比制备阻燃镁盐材料，制备出的样品采用激光粒度分布仪和微机差热天平进行粒度分析和热特性分析，研究了各个制备条件对阻燃镁盐材料粒径和热分解效果的影响，得出以下结论：

(1)当反应温度在50 ℃、氨水与氯化镁摩尔比为4∶1、氨水浓度为2 mol/L时，制得的阻燃镁盐材料粒径最小；

(2)当反应温度在50 ℃、氨水与氯化镁摩尔比为4∶1、氨水浓度为2 mol/L时，制得的阻燃镁盐材料失重率最大，吸热最多；

(3)基于目前的实验数据，粒径最小的阻燃镁盐材料样品吸热效果最好。

[1]任相敏，张诗海.应大力发展的新型无机阻燃剂-镁盐材料[J].化工中间体，2003，3(14)：15-18.

[2]Zhang X,Li D,Xie Hua,et al.Thermal properties study of magnesium salt flame retardants prepared by different alkali sources[J].Applied Mechanics and Materials,2014,556-562:326-329.

[3]张峻珩，陈瑶，吴璧耀.PP镁盐晶须复合材料阻燃性能的研究[J].武汉工程大学学报，2011，29(2)：57-59.

[4]Zhang X,Li D,Xie Hua,et al.Study of chemical control synthesis on aluminum salt flame retardants powders[J].Advanced Materials Research,2014,915-916:515-518.

[5]郭如新.镁质阻燃剂的现状与前景[J].塑料助剂，2011，(2)：1-6.

[6]Zhang X,Li D,Xie Hua,et al.Study on thermal decomposition characteristics of magnesium salt flame retardants[J].Advanced Materials Research,2014,915-916:1058-1061.

[7]常志宏，郭奋，俞江华，王国全，陈建峰.镁盐晶须增强阻燃LDPE/EVA/ATH复合材料的研究[J].高分子材料科学与工程，2006，22(5)：217-20.

[8]Zhang X,Li D,Xie Hua,et al.Study on thermogravimetric and differential thermal characteristics of aluminum salt flame retardants[J].Applied Mechanics and Materials,2014,556-562:322-325.

[9]李艳丽，黄旭仁，姜伟.投料方式对沉降氢氧化镁的影响[J].青岛大学学报(工程技术版)，2008，23(1)：45-56.

[10]张波，王晶，徐秀琳，高宏.不同合成条件对片状氢氧化镁阻燃材料微观形貌影响[J].有色矿冶，2005，21(增刊)：68-70.

[11]郝建文，杨保俊，宋彬，柴多里，胡章文.阻燃型氢氧化镁制备及其影响因素探讨[J].轻金属，2007，11(5)：34-64.

[12]李志强，吴庆流，向兰，魏飞.温度对氢氧化镁阻燃剂制备影响的研究[J].海湖盐与化工，2004，33(5)：1-4.

[13]杨朋，侯翠红，赵慧灵，张宝林.氢氧化镁阻燃剂的制备工艺研究[J].河南化工，2010，27(8)：68-70.

[14]吴湘锋，胡国胜，杨云锋，王标兵.乙醚对制备超细氢氧化镁的影响[J].化工进展，2008，27(1)：131-134.

[15]孙静，高濂.氯化镁介质中氧化铝表面的相互作用力[J].无机学报，2002，17(1)：86-90.

(责任编辑：吴萍 英文审校：刘红江)

Effectsofparticlediametersofmagnesiumsaltflameretardantsonthethermaldecomposition

LIAN Wu-qiang

(Weinan Municipal Fire Brigade,Weinan Shanxi,714000)

The effects of the reaction temperature,ammonia concentration and molar ratio on the particle diameters of magnesium salt flame retardants prepared by chemical solution methods under different conditions and characterized by laser particle size analyzer have been systematically investigated with thermogravimetric analysis and differential thermal analysis.The optimization parameters for preparing the magnesium salt flame retardant with the minimum particle diameters and good thermal decomposition performance are obtained,which may be helpful for guiding the preparation of high-performance magnesium salt flame retardants and providing a beneficial reference.

flame retardants;magnesium salt;particle diameter;thermal decomposition

2014-03-10

廉武强(1979-)，男，陕西蒲城人，工程师，主要研究方向：建筑防火，E-mail:57314115@qq.com。

2095-1248(2014)03-0082-04

TU545

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.03.016