聚苯乙烯/氫氧化鎂復合材料的制備

郭效軍，梁小虎

（西北師范大學化學化工學院，甘肅蘭州 730070）

氫氧化鎂是無機添加型阻燃劑，具有填充、阻燃和抑煙三重功能，并且產生的煙霧無毒、無腐蝕性[1]，是一種環保型綠色阻燃劑。氫氧化鎂具有較高的分解溫度,因而廣泛運用于聚合物的加工中，但其表面含有大量的羥基酸性親水基團，具有較強的極性和親水性，易形成團聚體[2]。因此，氫氧化鎂與高分子材料之間相容性和加工流動性變差，導致材料的綜合性能下降。

隨著納米技術的發展，有不少研究[3-5]對氫氧化鎂表面進行處理，主要運用表面改性劑在氫氧化鎂表面進行化學反應和表面包裹處理，使其表面產生新的物理、化學功能[6]，從而改變或改善粉體的分散性、與高分子材料的相容性。阻燃劑氫氧化鎂表面改性最常用的改性劑主要有硅烷偶聯劑、鈦酯偶聯劑、硬脂酸[7-10]等。

聚苯乙烯具有良好的熱穩定性和機械加工流動性能，尤其它緊閉的閉孔結構能夠抗水、防潮。因此，利用聚苯乙烯的閉孔結構將氫氧化鎂包裹起來，將會很大程度改變氫氧化鎂的表面效應和親水性，進而改善與高分子材料之間相容性和加工流動性。已經有文獻[10-11]報道，采用熔融和化學接枝的方法制備出聚苯乙烯/氫氧化鎂的新型復合材料。本文采用二甲苯溶解聚苯乙烯物理包裹氫氧化鎂的方法，在室溫條件下攪拌制備聚苯乙烯/氫氧化鎂復合材料。

1 實驗部分

1.1 主要原料和儀器

1.1.1 主要原料 氫氧化鎂（上海山浦化工有限公司，分 析 純）； 聚 苯 乙 烯（Aladdin chemistry.co.Ltd，1000000）；二甲苯（天津市富宇精細化工有限公司）；聚乙二醇（上海化學試劑廠）；無水乙醇（天津市凱通化學試劑有限公司）。

1.1.2 儀器設備 D/max-2400 型粉末X 射線衍射儀（日本理學公司），室溫分析；JSM-6700F 冷場發射型掃描電鏡（日本電子光學公司），噴金分析；Equinox55 型傅里葉紅外光譜儀（德國Bruker 公司）；TGA/DSC1 型同步分析儀（METTLER TOLEDO）；BS124S 型電子天平（北京賽多利斯儀器系統有限公司）；SHB-IV 雙A循環水式多用真空泵（鄭州長城科技工貿有限公司）；DHG-90754 型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海-恒科技有限公司）；瑪瑙研缽。

1.2 樣品制備

稱取5 g Mg（OH）2，用蒸餾水和乙醇各洗滌3 次，放置于105 ℃的烘箱中干燥，然后在瑪瑙研缽中研磨備用。稱取1 g PS 和1.5 g 備用的Mg（OH）2加入50 mL帶塞燒瓶中，再加入10 mL 二甲苯，超聲30 min 后，室溫放置20 h。

稱取1 %（PS 和Mg（OH）2總質量）聚乙二醇加入燒瓶中，超聲1 h 后，用玻璃棒攪拌10 min，量取10 mL蒸餾水加入后攪拌10 min，倒出抽濾。

抽濾后放置于110 ℃的烘箱中，干燥17 h，于瑪瑙研缽中研磨30 min。用無水乙醇浮選大顆粒，抽濾后，放置于80 ℃烘箱中，干燥得到產品。

1.3 測試分析

采用掃描電子顯微鏡（SEM）測試產物形貌，用X射線衍射儀（XRD）分析晶體結構，熱重分析儀（TGDTA）測定熱穩定性，紅外光譜儀（IR）分析主要組成成分。在25 mL 試管中加入0.2 g 產品分別在乙醇、二甲苯和液體石蠟中進行分散性測試，并在二甲苯介質中通過界面的下降繪制曲線圖。

2 結果與討論

2.1 SEM分析

產品在不同放大倍數下的SEM 照片。從圖1 可以看出產品顆粒呈薄片狀，有一定團聚現象發生。這種薄皮狀結構有助于分散性的提高。

2.2 XRD 分析

圖2 分別為原料Mg（OH）2（左）和PS/Mg（OH）2復合材料（右）的XRD 圖譜。由謝樂公式可計算出原料和復合材料晶粒的大小分別為27.84 nm 和40.77 nm。晶粒明顯增大，說明PS 包裹在Mg（OH）2上。從圖中對比可以看出，Mg（OH）2的極性較弱的（001）晶面顯露非常大，而極性較強的（002）受到抑制[12]，極性發生很大程度的變化。因而具有較小的表面極性和表觀內應力[13]。

2.3 紅外圖譜分析

圖1 產物的SEM 照片Fig.1 SEM images of products

圖3 是Mg（OH）2和PS/Mg（OH）2的紅外圖譜。3 697 cm-1為羥基的特征峰；3 444 cm-1和1 505 cm-1為醇羥基的吸收峰；3 026 cm-1芳烴雙鍵峰；2 923 cm-1為亞甲基的不對稱吸收峰；1 624 cm-1是苯環的特征峰，1 427～1 490 cm-1為苯環骨架結構伸縮振動的三個附帶峰；1 078 cm-1為C-H 吸收峰；442 cm-1為Mg-O吸收峰。分析表明，PS 和Mg（OH）2基本結構沒有發生改變，也沒有形成有效地化學鍵，屬于物理包裹。

圖2 產物的XRD 譜圖Fig.2 XRD patterns of products

圖3 產物的FT-IR 譜圖Fig.3 FT-IR spectra of the products

圖4 Mg（OH）2 和PS/Mg（OH）2 在二甲苯中的沉降曲線Fig.4 Mg（OH）2 and PS / Mg（OH）2 in the settlement curve in xylene

2.4 分散性分析

圖4 為Mg（OH）2和PS/Mg（OH）2在二甲苯中的沉降曲線，類似文獻中[14]的沉降條件。可以看出，產品的分散性明顯提高。取少量產品于50 mL 燒杯中，加蒸餾水攪拌30 min 后，靜置一天。發現PS/Mg（OH）2幾乎全部懸浮在水面，表現出極強的疏水性，驗證了XRD 分析的結果。另外，產品在乙醇中放置5 d，少部分沉降，其余形成混合溶液；放置于液體石蠟中，20 min 后開始有沉降物，3 h 后大部分沉降，1 天后全部沉降。因此，PS/Mg（OH）2能夠較好的分散或相溶于有機相中。

2.5 熱重分析

圖5 產物的TG-DTA 分析譜圖Fig.5 TG-DTA curves of products

圖5 為Mg（OH）2和PS/Mg（OH）2的熱重分析圖。a中310～400 ℃為Mg（OH）2分解伴隨著強烈吸熱；b 中除310～400 ℃Mg（OH）2分解外，在400～660 ℃處PS分解并伴隨吸熱；分析表明，PS 包裹在Mg（OH）2表面。這與XRD 分析相一致。

實驗中將PS 用二甲苯靜置溶解20 h，發現有明顯的懸浮氣泡。這是由于二甲苯進入PS 空隙將原有空隙中的微小氣體釋放所致。因此，在聚苯乙烯/氫氧化鎂復合材料的制備中，二甲苯分子進入PS 空隙中，并將空隙充分擴展，Mg（OH）2在分散劑PEG 和攪拌作用下均勻分散在PS 空隙中，加入蒸餾水萃取PEG 并稀釋以增加流動性，抽濾時，由于二甲苯和水分的缺失，PS立即收縮，將Mg（OH）2包裹在其空隙中。

3 結論

室溫下PS 和Mg（OH）2在二甲苯介質中，根據PS的閉孔結構和收縮性，在脫去二甲苯時，PS 很好的將Mg（OH）2物理包裹起來形成的復合材料。制備的PS/Mg（OH）2復合材料改變了Mg（OH）2的表面極性和表面內應力，大大增加與高分子材料的相容性和分散性。

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