碱式硫酸镁晶须和氢氧化镁晶须的改性及应用研究

论文摘要

碱式硫酸镁晶须和氢氧化镁晶须是无机增韧阻燃材料,可用于塑料、陶瓷、涂料、金属、化工、航空航天等领域,在世界范围内得到越来越广泛的应用。然而在我国此类产品却仍然处于研究与开发阶段,与美日等发达国家相比有较大差距。针对这种情况,本文在前人研究的基础上,系统的研究了碱式硫酸镁晶须和氢氧化镁晶须的制备、改性及应用。以菱镁矿为原料,在700℃下煅烧3h,将煅烧后的活性氧化镁配制为4.0%的料浆,利用水热法,控制反应温度为200℃,反应时间4h,搅拌速度为400r/min,制备出碱式硫酸镁晶须。以氢氧化钠和碱式硫酸镁晶须为原料,采用水热法,控制碱式硫酸镁晶须的料浆浓度为4.0%,反应温度为180℃,反应时间4h,搅拌速度为100r/min,氢氧化钠与碱式硫酸镁晶须的摩尔比为1.4:1时,制备出氢氧化镁晶须。采用单因素条件试验方法,利用脂肪酸、钛酸酯、硅烷、铝酸酯等表面改性剂对碱式硫酸镁晶须和氢氧化镁晶须进行湿法表面改性。试验结果表明,对碱式硫酸镁晶须和氢氧化镁晶须改性效果较好的改性剂分别为硬脂酸钠和硬脂酸锌。改性后碱式硫酸镁晶须和氢氧化镁晶须的接触角、活化指数和吸油量分别能达到111.85°、99.28%、186ml/100g和126.38°、99.05%、354ml/100g,晶须的分散性和流动性也明显提高,晶须表面与硬脂酸盐之间除有物理吸附外,还形成了牢固的化学吸附。将改性后的碱式硫酸镁晶须和氢氧化镁晶须添加到聚丙烯树脂中,随着晶须添加量的增加,碱式硫酸镁晶须/聚丙烯复合材料和氢氧化镁晶须/聚丙烯复合材料的冲击强度和氧指数上升,拉伸强度和断裂伸长率下降。聚丙烯的冲击强度、拉伸强度、断裂伸长率和氧指数分别为62J/m、25.8MPa、83.5％和19.2%,当晶须的添加量为50%时,碱式硫酸镁晶须/聚丙烯复合材料的冲击强度、拉伸强度、断裂伸长率和氧指数分别为79.67J/m、20.6 MPa、9.7％和25.1%,氢氧化镁晶须/聚丙烯复合材料的冲击强度、拉伸强度、断裂伸长率和氧指数分别为75J/m、21MPa、7.2％、26.0％,复合材料的综合力学性能和阻燃性能得到提高。研究了碱式硫酸镁晶须和氢氧化镁晶须增韧阻燃聚丙烯的作用机理,结果表明,晶须与树脂接触及浸润,然后与树脂间形成新的塑性界面层,在应力作用下,塑性界面层能发生形变以缓解应力集中,使得复合材料能吸收较大能量,从而使复合材料的韧性得以增强。碱式硫酸镁晶须和氢氧化镁晶须的最终分解产物为氧化镁和水,水蒸气的产生可吸收大量的热量和冲淡氧气的浓度,其分解产物氧化镁是优质耐火材料,可覆盖于聚合物表面阻止氧气和热量的进入,故能起到阻燃作用。本项研究成果对于碱式硫酸镁晶须和氢氧化镁晶须的规模化生产及应用具有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 碱式硫酸镁晶须和氢氧化镁晶须的改性研究现状
• 1.2.1 表面改性的目的
• 1.2.2 表面改性的方法
• 1.2.3 表面改性剂的分类
• 1.2.3.1 偶联剂
• 1.2.3.2 高级脂肪酸及其盐
• 1.2.3.3 不饱和有机酸
• 1.2.3.4 硅油
• 1.2.3.5 聚烯烃低聚物
• 1.2.4 改性效果的表征评价方法
• 1.2.4.1 药剂吸附量评价
• 1.2.4.2 表面自由能评价
• 1.2.4.3 表面润湿性评价
• 1.2.4.4 分析技术评价
• 1.3 碱式硫酸镁晶须和氢氧化镁晶须的应用研究现状
• 1.3.1 碱式硫酸镁晶须和氢氧化镁晶须的特性
• 1.3.1.1 碱式硫酸镁晶须的特性
• 1.3.1.2 氢氧化镁晶须的特性
• 1.3.2 碱式硫酸镁晶须和氢氧化镁晶须的应用
• 1.3.2.1 碱式硫酸镁晶须的应用
• 1.3.2.2 氢氧化镁晶须的应用
• 1.3.3 碱式硫酸镁晶须和氢氧化镁晶须研究中存在的问题
• 1.4 研究目的、意义及主要内容
• 1.4.1 研究目的和意义
• 1.4.2 主要研究内容
• 第2章 试验材料、方法及性能测试
• 2.1 试验材料
• 2.1.1 原材料
• 2.1.1.1 菱镁矿
• 2.1.1.2 聚丙烯树脂
• 2.1.2 试剂药品
• 2.1.3 主要仪器设备
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 碱式硫酸镁晶须和氢氧化镁晶须的制备
• 2.2.2 碱式硫酸镁晶须和氢氧化镁晶须的改性
• 2.2.3 碱式硫酸镁晶须和氢氧化镁晶须的应用
• 2.3 性能测试
• 2.3.1 接触角
• 2.3.2 活化指数
• 2.3.3 吸油量
• 2.3.4 安息角
• 2.3.5 XRD
• 2.3.6 SEM
• 2.3.7 FTIR
• 2.3.8 力学性能测试
• 2.3.9 氧指数测试
• 第3章 碱式硫酸镁晶须和氢氧化镁晶须改性研究
• 3.1 碱式硫酸镁晶须和氢氧化镁晶须的制备
• 3.1.1 碱式硫酸镁晶须的制备
• 3.1.1.1 制备工艺
• 3.1.1.2 产品表征
• 3.1.2 氢氧化镁晶须的制备
• 3.1.2.1 制备工艺
• 3.1.2.2 产品表征
• 3.2 碱式硫酸镁晶须的改性
• 3.2.1 改性剂种类
• 3.2.2 改性剂用量
• 3.2.3 改性温度
• 3.2.4 改性时间
• 3.2.5 料浆浓度
• 3.2.6 搅拌速度
• 3.3 氢氧化镁晶须的改性
• 3.3.1 改性剂种类
• 3.3.2 改性剂用量
• 3.3.3 改性温度
• 3.3.4 改性时间
• 3.3.5 料浆浓度
• 3.3.6 搅拌速度
• 3.4 本章小结
• 第4章 碱式硫酸镁晶须和氢氧化镁晶须改性机理研究
• 4.1 碱式硫酸镁晶须和氢氧化镁晶须改性前后的SEM分析
• 4.2 碱式硫酸镁晶须和氢氧化镁晶须改性前后的流动性比较
• 4.3 碱式硫酸镁晶须和氢氧化镁晶须改性前后的FTIR分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 碱式硫酸镁晶须和氢氧化镁晶须应用研究
• 5.1 MOS/PP复合材料的研究
• 5.1.1 MOS/PP复合材料的SEM分析
• 5.1.2 MOS/PP复合材料的力学性能
• 5.1.2.1 MOS/PP复合材料的冲击强度
• 5.1.2.2 MOS/PP复合材料的拉伸强度
• 5.1.2.3 MOS/PP复合材料的断裂伸长率
• 5.1.3 MOS/PP复合材料的阻燃性能
• 5.2 MH/PP复合材料的研究
• 5.2.1 MH/PP复合材料SEM分析
• 5.2.2 MH/PP复合材料的力学性能
• 5.2.2.1 MH/PP复合材料的冲击强度
• 5.2.2.2 MH/PP复合材料的拉伸强度
• 5.2.2.3 MH/PP复合材料的断裂伸长率
• 5.2.3 MH/PP复合材料的阻燃性能
• 5.3 本章小结
• 第6章 碱式硫酸镁晶须和氢氧化镁晶须增韧阻燃机理研究
• 6.1 碱式硫酸镁晶须和氢氧化镁晶须的增韧机理
• 6.1.1 晶须与聚丙烯树脂的界面
• 6.1.2 复合材料微观结构分析
• 6.1.3 复合材料的微力学变形行为
• 6.2 碱式硫酸镁晶须和氢氧化镁晶须的阻燃机理
• 6.2.1 聚丙烯树脂燃烧机理
• 6.2.2 复合材料的阻燃机理
• 6.3 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 作者攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢