共沉淀法制备赤泥基水滑石及其EVA复合材料的界面特性、阻燃与力学性能研究

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基于盐酸活化后的氧化铝工业固体废弃物拜耳赤泥,采用共沉淀法制备了Mg/Al/Fe-CO3 LDHs、Zn/Al/Fe-CO3 LDHs和Mg/Al/Fe-BO3 LDHs三类水滑石;随后选取阴离子表面活性剂十二烷基磺酸钠(SDS)和硅烷偶联剂KH-550两种改性剂对Mg/Al/Fe-CO3 LDH-B进行了改性处理,并运用XRD、FT-IR、SEM、TGA和活化指数等测试方法对LDHs的结构性能、改性效果和改性剂用量等进行了表征测试。采用熔融共混的方式制备了与合成水滑石相应的EVA/LDHs复合材料,并采用极限氧指数(LOI)、锥形量热仪(CCT)、烟密度测试(SDT)、热失重-傅立叶变换红外光谱联用仪(TG-FTIR)等手段对EVA/LDHs复合材料的燃烧、抑烟以及热分解性能进行了测试分析,采用扫描电镜(SEM)、活性指数、拉伸测试等方法对其界面特性、力学性能进行了测试分析。实验结果表明:(1)XRD的测试结果证实,拜耳赤泥经过盐酸活化预处理后,添加不同比例的Mg2+和Zn2+,采用共沉淀法,通过导入碳酸根阴离子,可以成功制备出结晶度高、晶型良好的水滑石;合成的EVA/LDHs复合材料具有良好的阻燃和热稳定性能,复合材料的LOI值较EVA有显著提升,部分样品的LOI值超过了29%,热释放速率、总热释放等参数均有大幅降低,其中添加了50%Mg/Al/Fe-LDH-B的ELDH2样品的热释放速率峰值(PHRR)仅为199.2 kW/m2,总热释放(THR)仅为110.7 MJ/m2;比EVA的峰值热释放速率(1694.8 kW/m2)和总热释放(179.4MJ/m2)下降显著,而且复合材料还表现出良好的抑烟效果,同样是ELDH2样品,点火状态下,光通量在测试时间内一直大于90%;此外,TGA测试结果显示,水滑石在高温时有助于复合材料热稳定性的提高,但是在低温时加快了EVA的脱羧过程。(2)XRD和FT-IR的测试结果表明,硼酸根成功的插入水滑石层板,合成了晶型良好的硼酸根插层水滑石;阻燃测试表明EVA/BO3-LDHs复合材料具有较好的阻燃抑烟性能,其中EBLDH3复合材料的阻燃抑烟性能最佳,其LOI值为27.3%,PHRR可降低至238.4 kW/m2,光通量始终在70%以上;TGA测试说明硼酸根的插入可使得水滑石的热稳定性有所提升。(3)XRD、FT-IR、SEM和接触角测试说明SDS对水滑石插层改性和KH-550的表面改性均取得了成功,SDS阴离子插层进入了水滑石的层间,改变了水滑石的晶体结构,而KH-550表面改性只是附着在水滑石表面;多种测试手段表明KH-550的最佳用量为3%,改性后的水滑石由亲水性转变成疏水性;阻燃测试结果表明,改性后EVA/LDHs复合材料的阻燃、抑烟及热降解稳定性均得到一定的提高。力学拉伸性能结果表明,SDS插层改性能显著提升复合材料的断裂伸长率,EVA/LDH-SDS的断裂伸长率值由改性前EVA/LDH-CO3的37.5%增加到223.4%;KH-550对LDHs的表面改性既可以提高复合材料的拉伸强度,又能提高复合体系的断裂伸长率,EVA/LDHSSi-3的拉伸强度由EVA/LDH-CO3的6.3 MPa提升到9.8 MPa,断裂伸长率则提升到426.7%,有机改性可以极大的改善赤泥基水滑石在EVA基体中的分散性和相容性,从而改善复合材料的阻燃及力学性能。(4)基于盐酸活化后拜耳赤泥,采用共沉淀法制备出的水滑石以及通过改性处理后的改性水滑石均可以作为阻燃添加剂应用于EVA,复合材料良好的阻燃抑烟、热分解及力学性能,为赤泥基水滑石的合成提供了新的研究思路,拓展了赤泥基水滑石相关研究领域。
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