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氢氧化镁因其分解温度高、抑烟能力强、阻燃效果佳、分解后不产生有毒有腐蚀性的物质,近二十年来受到越来越多的青睐;而水滑石由于其规则的层状结构,使其具有优异的抑烟性能和补强作用,在阻燃聚合物复合材料领域有着重要的应用前景。氢氧化镁作为阻燃剂,目前的发展方向主要是粒子的超细化和形貌特殊化,对于阻燃用水滑石,在传统镁铝水滑石的基础上,人们正在研究掺入一些抑烟性能较强的铁、铈等元素,在保持原有性能的基础上提高其抑烟和阻燃作用。本文优化了超细氢氧化镁(SMDH)的合成工艺,研究了单分散纳米氢氧化镁(NMDH)、MgFe二元类水滑石(MgFe-LDH)、MgFeCe三元类水滑石(MgFeCe-LDH)的制备方法并对其结晶机理进行了探讨,最后选用室温硫化硅橡胶为基体,研究了所得四种无机填料在不同添加量下对RTV复合材料机械性能、阻燃性能等的影响。具体结果如下:
(1)以水氯镁石为原料,氨水为沉淀剂,采用响应曲面分析法(RSM),选择反应温度、镁离子浓度、氨水浓度三个因素为主要考察对象,研究了各因子与响应面之间、因子与因子之间的相互关系,把响应值与各因素进行回归拟合得到了回归方程,并对模型进行了实验验证;以中心实验所得产物为考察对象,对产品的结构、形貌和粒度分布进行了分析和表征。研究表明:反应温度和镁离子浓度对氢氧化镁的收率有着极其显著的影响,经实验验证,证明了方程的预测值与实验值之间有较好的拟合度;通过粒度分析、SEM、XRD等表征手段,中心实验所得产物的D(50)在0.67μm左右,实验重复性较好,产物形态为无规则片状结构,粒度分布均匀,且纯度较高。
(2)常压下合成氢氧化镁料浆,在不加入任何改性剂的条件下,把反应后的料浆进行水热处理,并用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和激光粒度仪表征所得产品的形貌、结构及粒度分布状态。主要考察了水热反应时间和水热反应温度对氢氧化镁产品的影响。结果表明:在120℃水热4h条件下的过滤速率是未经水热条件下过滤速率的8倍,200℃水热4h条件下的过滤速率是未经水热条件下过滤速率的13倍;200℃,水热反应6h时所得的粒度分布已达到最佳分布状态;随着反应时间和水热温度的增加,晶体的生长方向有所改变,所得产物团聚现象不再明显,形貌也由无规则片状结构转化为规则的六角片状结构,氢氧化镁薄片的边界越来越清晰,厚度也逐渐增加。
(3)采用水热法合成了MgFe-LDH,通过X射线衍射(XRD)、红外光谱(FT-IR)、热重(TG-DTG)和元素分析(ICP)等方式对所得产物组成和结构特征进行了分析,并对其形成机理进行了探讨。研究表明:在反应终点Ph值为8.5,水热温度大于160℃时可形成X值在0.4-0.5之间的MgFe-LDH;随着铁含量的变化,MgFe-IDH层板电荷密度有相同的变化趋势,(003)晶面间距和晶胞参数c,以及(110)晶面间距和晶胞参数a呈先减小后增大的趋势;根据反应盐溶液中Ph值的变化及所得产物的XRD测试结果显示了不同氢氧化物以及类水滑石先后的析出过程,不同阶段反应产物的结构分析表明,MgFe-LDH的行程过程经历为沉淀、诱导沉淀、复合和晶化缩合等不同反应阶段。
(4)采用水热法合成了MgFeCe-LDH,考察了铁铈摩尔比对水滑石组成和晶体结构、热稳定性等的影响。用EDS、XRD、FT-IR、TEM等方法对合成的产物进行了表征。研究结果表明:合成了宽约10nm,长约150nm的棒状含铈MgFe-LDH,当原料液中Fe/Ce摩尔比大于1.5时,合成的水滑石具有良好的水滑石结构且结晶度较高;当Fe/Ce摩尔比等于1/4时所得产物的衍射峰变宽且弥散,虽然形成有水滑石结构,但是结晶度不高。随着反应盐溶液中铁含量的减少和铈含量的增加,产物中的铁含量和铈含量有相同的变化趋势;所得晶体(003)晶面间距和晶胞参数c,以及(110)晶面间距和晶胞参数a呈增大的趋势;红外分析和热重分析表明,随着反应盐溶液中铁含量的减少和铈含量的增加,产物的稳定性逐渐增强。
(5)选用脱醇型单组份室温硫化硅橡胶为基体,研究了添加不同份数的超细氢氧化镁(SMDH)、纳米氢氧化镁(NMDH)、镁铁水滑石(MgFe-LDH)和镁铁铈水滑石(MgFeCe-LDH)对RTV机械性能、阻燃性能、抑烟性能等性能的影响。拉伸强度研究结果表明各填料添加量均为60份时,RTV/SMDH的拉伸强度最大,超过3MP;断裂伸长率研究结果表明添加60份的RTV/MgFe-LDH复合材料的断裂伸长率超过700%,接近同样添加份数下NMDH的两倍,MgFe-LDH适合与RTV复合制备弹性体复合材料;撕裂强度研究结果表明RTV复合材料的撕裂强度随着添加份数的增加而逐渐增加。极限氧指数研究表明,随着添加份数的增加,复合材料的阻燃性能都有所提高;其中SMDH对复合材料的阻燃性能影响最为明显,当各填料均添加60份时RTV/SMDH已具有优良的阻燃性能,RTV/LDH复合材料稍具有阻燃性能。烟密度分析表明,在相同添加份数下,各复合材料的烟密度降低均较为明显,可大大提高室温硫化硅橡胶在火灾中的安全性。