活性炭改性氢氧化镁制备及对聚丙烯的阻燃影响

陈灵智，王晓红，张彦青，郭格格

（衡水学院应用化学系，河北衡水053000）

聚丙烯（PP）因优异的电绝缘性、耐化学腐蚀性，应用范围极广。但由于PP属于易燃材料，在空气中遇火容易引起火灾，并且在燃烧过程中有大量的熔滴。卤系阻燃剂因高效、廉价曾被人们广泛应用，但因燃烧过程中放出大量的烟雾和有毒气体，对环境造成二次污染。随着人们环保意识的增强，无机阻燃剂因低毒环保受到了阻燃行业的关注[1-3]。氢氧化镁因为稳定性好，生产效率高，是当下用量较大的无机阻燃剂之一，但缺点是添加量大，表面极性高，相容性较差，对材料的机械性能影响较大。研究人员通过表面改性，提高其与高分子材料的相容性能和分散性能，是目前氢氧化镁阻燃剂行业研究的热点问题[4-5]。进一步研究发现，氢氧化镁对PV、PP等高分子材料具有较好的阻燃抑烟性能[6-10]。

活性炭具有很高的比表面积，并且含有丰富的官能团。本实验通过活性炭和十二烷基苯磺酸钠对氢氧化镁进行改性，制备活性炭基氢氧化镁阻燃剂，并将其添加到PP材料中，研究其对PP的阻燃性能影响。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

硫酸镁，分析纯；十二烷基苯磺酸钠，分析纯；氨水，分析纯；活性炭；聚丙烯（PP）；邻苯二甲酸二辛酯（DOP）。

ZY6155A氧指数测定仪，东莞市中诺质检仪器设备有限公司；D8-ADVANCE型X-射线粉末衍射仪，Bruk⁃er Germany。

1.2 活性炭改性氢氧化镁阻燃剂的制备

称取计量的硫酸镁，用水溶解成溶液，取50.0 mL硫酸镁水溶液，边搅拌边加入活性炭，超声振荡30 min。将十二烷基苯磺酸钠溶于蒸馏水，将二者混合后加入3.0 mL的氨水，转入三口烧瓶，在一定时间和温度下进行水浴反应，制备活性炭基氢氧化镁阻燃剂，烘干，备用。

1.3 阻燃PP的制备

将计量的活性炭基氢氧化镁阻燃剂和PP混合后倒入塑料开炼机，在165℃下混炼10 min，使其均匀混合。转入平板硫化机，进行保压，1 MPa的条件下2 min，2 MPa的条件下2 min，10 MPa的条件下8 min。用万能制样机裁取所需样条。

1.4 样品性能测试

1.4.1 吸油值的测定

称量0.5 g样品，放到表面皿中，向其滴加DOP，边滴边搅拌，当样品成团状，停止滴加，记录DOP的消耗量。以单位质量的样品吸收DOP的体积（mL）表示吸油值X（mL/g）。吸油值越大，亲油性增强，样品的比表面积越高。

1.4.2 活化度的测定

用电子天平称取改性后的氢氧化镁m（1g），精确至0.1 mg，加至盛有150.0 mL蒸馏水的烧杯中，用玻璃棒搅拌2 min促进其溶解与沉淀，静置1 h，去掉上浮部分，取沉入杯底部分，抽滤置于表面皿中干燥至恒重，用分析天平称重m（2g），则:

2 结果与讨论

2.1 活性炭改性氢氧化镁阻燃剂吸油值的测定

通过正交实验改变反应温度、反应时间和活性炭的添加量，探索最佳的活性炭改性氢氧化镁的条件。从表1吸油值数据可以看出，当反应温度为45℃，反应时间1.5 h，活性炭添加量为0.8 g时，活性炭改性氢氧化镁的吸油值最大为5.5 mL/g。在同样反应条件下未添加活性炭改性的吸油值为1.2 mL/g，表明通过活性炭改性后氢氧化镁的吸油值提高了4.3 mL/g，主要是由于通过活性炭表面的羧基基团可以与氢氧化镁的羟基结合，降低了氢氧化镁表面极性，提高了材料的比表面积，减少了氢氧化镁团聚的发生，提高了氢氧化镁与阻燃高分子材料基体的相容性能。实验表明，反应温度为45℃，反应时间1.5 h，活性炭添加量为0.8 g时，活性炭改性氢氧化镁吸油值最大，改性效果最好。

表1 活性炭改性氢氧化镁阻燃剂吸油值的测定

2.2 活性炭改性氢氧化镁活化度分析

由图1可知，活性炭改性前氢氧化镁的活化度为49.0%，而经活性炭改性后的氢氧化镁的活化度降低到22.0%。经活性炭改性后的氢氧化镁活化度明显降低，主要原因是经活性炭改性后的氢氧化镁表现为较好的疏水性能，悬浮在水中的氢氧化镁降低，活化度降低。

图1 活性炭改性前后氢氧化镁的活化度分析图

2.3 活性炭改性氢氧化镁阻燃剂的XRD表征

图2为反应温度45℃，反应时间1.5 h，活性炭添加量为0.8 g条件下制备的活性炭改性氢氧化镁的XRD图。从图2可以看出，在2θ角为15～30时出现了明显的馒头峰，这是由于活性炭的加入导致的；其次在2θ角的18、38、50.5、58.3、60出现了峰值，与氢氧化镁的特征谱图一致。表明经活性炭改性后仍能制备晶形较好的氢氧化镁阻燃剂

图2 活性炭改性氢氧化镁阻燃剂的XRD图

2.4 对PP的阻燃性能分析

由表2可知，在添加阻燃剂之前，PP属于易燃材料，极限氧指数为19.6%，在空气中就可以点燃。随着添加阻燃剂含量的提高，阻燃性能逐渐增强，当添加25份的活性炭改性氢氧化镁阻燃剂时，极限氧指数明显增大，达到28.9%。但随着活性炭改性氢氧化镁阻燃剂添加量的增加，极限氧指数增加缓慢。综合性能考虑，当添加25份的活性炭改性氢氧化镁时阻燃效果最佳。

表2 加入不同含量阻燃剂时PP的极限氧指数

由图3氢氧化镁改性前后阻燃PP的极限氧指数值可知，改性后PP的极限氧指数值提高了6.4%，主要是经过活性炭改性后，降低了氢氧化镁的表面极性，提高了氢氧化镁与PP基体材料的相容性，致使材料的阻燃性能提高。

图3 氢氧化镁改性前后阻燃PP的极限氧指数值

3 结论

通过对活性炭改性前后氢氧化镁吸油值测试、活化度测试和XRD分析可知，当反应温度为45℃，反应时间为1.5 h，活性炭添加量为0.8 g时，制备的活性炭改性氢氧化镁具有明显的氢氧化镁特征衍射峰，其吸油值达到5.5 mL/g，活化度为22.0%，并将其添加到PP基体材料中发现，当添加25份活性炭改性氢氧化镁阻燃剂时，极限氧指数达到28.9%。实验表明，经过活性炭改性后氢氧化镁的表面极性降低，与高分子材料的相容性增强，对PP材料的阻燃性能提高。