镁基功能材料的制备及其对膨胀阻燃聚丙烯体系的协效性能研究

发布时间：2019-04-22 21:36

【摘要】：我国卤水资源中蕴含大量的镁资源,但综合利用效率较低,尤其是海水制盐苦卤,其产品多为六水氯化镁和七水硫酸镁,附加值较低,且产能过剩。为此,本文以六水氯化镁和七水硫酸镁为主要原料,利用水热法制备了两类镁基功能材料,分别为硅镁复合氧化物和碱式硫酸镁晶须；利用红外光谱(FTIR)、X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)表征了两类镁基功能材料的晶体结构、微观形貌。采用熔融共混法将两类镁基功能材料添加到膨胀阻燃聚丙烯体系中,利用智能氧指测定数仪、垂直燃烧测试仪、锥形量热仪、热重分析仪、扫描电镜等研究了两类镁基功能材料的协效作用。得出结果如下：(1)以六水氯化镁、泡花碱、氢氧化钠为主要原料,利用水热法合成了一系列硅镁复合氧化物(M3S、MS、MS2、MS3),利用EDTA络合滴定和重量法测定其Mg/Si摩尔比分别为2.73:1、1.25：1、1：1.93、1：2.95。FT-IR和XRD结果表明,MS3、MS2、MS均为无定形结构；M3S既含有无定形结构,又含有晶体结构,晶体结构的衍射峰与氢氧化镁的衍射峰相同。(2)将M3S、MS、MS2、MS3添加到膨胀阻燃聚丙烯体系中,发现四种硅镁复合氧化物均能提高膨胀阻燃聚丙烯的氧指数,说明硅镁复合氧化物均具有协效作用,其中高镁含量的M3S的协效作用最显著。(3)M3S可增强膨胀阻燃聚丙烯体系的阻燃性能、抑烟性能、热稳定性,降低释热性能、火灾危害性。添加量为1%时,氧指数提高10.3%,热释放速率降低13.6%,释热总量降低9.6%,生烟速率降低了13%,烟释放总量降低3.4%,火灾发展指数降低32.1%,初始分解温度提高7.2%,积分程序分解温度提高16.0%；M3S能够增加炭层的致密性,减少孔洞和缝隙。添加M3S能够提高聚丙烯复合材料的拉伸强度,但降低冲击强度。(4)以七水硫酸镁和氢氧化钠为主要原料,利用水热法一步合成了碱式硫酸镁晶须,研究了温度、时间对晶体形貌结构的影响,发现较优的反应条件为160℃、8h：通过改变原料的添加量,改变了反应体系的Mg2+/OH摩尔比,研究了适合晶须生长的Mg2+/OH摩尔比,发现无搅拌时,Mg2+/OH-≥5.4时,产物为分散性良好的晶须,XRD结果表明其为5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O;研究了SO42-/Mg2+对碱式硫酸镁晶须生长的影响,结果表明SO42-/Mg2+≥1时,更有利于晶须的分散和生长；研究了搅拌对晶须形貌结构的影响,发现当搅拌速度为200 r/min,Mg2+/OH-=1.5、SO42-/Mg2+=1、混合溶液中硫酸镁溶液浓度为1.5 mol/L水热温度160℃,水热时间8h,产物为晶须(5Mg(OH)2·MgSO4·3H2O),形貌良好,团聚现象轻微,长度20μm,直径0.5μm,产率为90%。(5)MHSH对膨胀阻燃聚丙烯体系具有显著的协效作用,可增强阻燃性能、抑烟性能、热稳定性,降低释热性能、火灾危害性。,当添加1%的MHSH时,氧指数提高10.6%,热释放速率降低9.5%,释热总量降低8.7%,生烟速率降低了11.5%,烟释放总量降低8.8%,火灾发展指数降低23%,初始分解温度提高4.6%,积分程序分解温度提高11.8%;MHSH能够有效促进膨胀阻燃体系成炭反应,增加炭层的致密,提高炭层保护性。添加MHSH能够提高聚丙烯复合材料的拉伸性能和弯曲性能,同时不降低复合材料的冲击性能。(6)选取传统的多聚磷酸铵(APP)和季戊四醇(PER)为膨胀阻燃剂,以协效效率(SE)为指标,对比分析了无定形硅镁复合氧化物MS3.MS2.MS对APP/PER体系的协效作用,结果表明,MS3、MS2、MS的协效效率分别为1.39、1.32、1.15,说明MS3对APP/PER体系的协效效率最高,而且三种无定形硅镁复合氧化物均可使复合材料的UL-94等级均可从NR提高至V-0。(7)对比分析了只含非晶结构的硅镁复合氧化物MS3、包含非晶和晶体结构的硅镁复合氧化物M3S、只含晶体结构的碱式硫酸镁晶须MHSH三种镁基功能材料对膨胀阻燃聚丙烯体系的阻燃性能、热稳定性、炭层形貌的影响,发现三种基功能材料均可增强复合材料的阻燃性能和炭层致密性；当添加量为2%时,MS3的协效效率最大为1.41,当添加量为1%时,M3S和MHSH的协效效率最大,分别为1.79和1.85,说明MHSH的协效作用最大,M3S次之,MS3最小；当添加量为3%时,MS3协效作用最大,M3S次之,MHSH则无协效作用。(8)利用高速混合机制备了APP/PER、APP/PER/MS3、APP/PER/M3S、 APP/PER/MHSH办效膨胀反应体系,然后利用热重分析、扫描电镜、能谱分析表征了三种镁基功能材料对APP/PER体系成炭反应的影响,发现M3S、MS3、 MHSH三种镁基功能材料均能显著增加750℃时的残炭量,即反应产量,从32.0%分别增加到53.97%、59.61%、45.23%；能谱分析结果表明,350℃时,APP/PER体系中有N存在,而添加三种镁基功能材料后,N元素消失,说明三种镁基功能材料能够显著促进APP/PER体系的酯化反应和膨胀发泡过程。
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【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB34;TQ325.14

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