氫氧化鎂阻燃劑的表面改性進展

劉家偉　王容　李盈穎　鄭冉　宋健健　趙麗

摘 要：介紹了氫氧化鎂阻燃劑的阻燃機理，闡述了近年來氫氧化鎂阻燃劑的表面改性進展，展望了氫氧化鎂阻燃劑的研究方向。

關鍵詞：氫氧化鎂；阻燃劑；表面改性

鹵系阻燃劑雖然具有較好的有機聚合物材料阻燃性能，但材料一經燃燒產生大量的有毒氣體，嚴重危害身體健康，加之北美西歐等國家已經取締鹵系阻燃劑的使用，發展新型有效的無鹵阻燃劑成為研究的熱點。新型無機阻燃劑氫氧化鎂用于材料的阻燃不產生有毒物質，具有安全環保的特點，在高分子材料中應用廣泛。本文對氫氧化鎂阻燃劑的特點進行了論述，重點對其改性研究進行了闡述。

1 氫氧化鎂阻燃劑特點

氫氧化鎂是白色粉末狀的六角形或無定性的片狀結晶，其密度為2.39g/cm3，難溶于水，18℃時的溶解度為9*10-3g/L。Mg（OH）2的起始熱分解溫度比Al（OH）3要高，接近300℃。其最大分解峰溫比Al（OH）3高約100℃，約400℃[1，2]。氫氧化鎂阻燃性能來源于其特殊的熱分解性能。氫氧化鎂受熱分解為氧化鎂和水蒸氣。總結其阻燃機理和特點如下[3，4]：

（1）氫氧化鎂熱分解產生的水蒸氣可有效稀釋氧氣濃度，阻礙燃燒；

（2）氫氧化鎂的熱容大，熱分解過程中可有效降低高分子基材所吸收的熱能，使高分子基材的熱分解有所延緩；

（3）氫氧化鎂形成的表面炭化層可以延緩燃燒，并能夠抑制分解氣體的燃燒；

（4）氫氧化鎂分解吸收大量的熱量，降低被阻燃材料的溫度，可有效延緩高聚物分解速度；

（5）氫氧化鎂熱分解產生的氧化鎂本身就是優良的耐火材料，覆蓋于高分子基材表面能夠隔絕空氣使燃燒受阻；

（6）氫氧化鎂用作阻燃劑時添加量較大才能提高高聚物的難燃性。

雖然氫氧化鎂因其獨特的熱分解特性賦予其阻燃和抑煙的特性，但氫氧化鎂用于高分子基材的阻燃仍受到一定的限制。首先，氫氧化鎂具有較高的表面能，未經改性的氫氧化鎂易于團聚，分散性能差。其次，氫氧化鎂具有很好的親水性能，而多數聚合物基體材料則是疏水的，兩者的相容性差，氫氧化鎂過量使用時影響高分子基材的加工性能和力學性能。此外，高填充氫氧化鎂導致無機阻燃劑與基體材料的界面處產生裂紋的“夾生”現象[5]。改善氫氧化鎂與高分子基材的相容性并保證基材的加工性能和力學性能的有效途徑是對氫氧化鎂進行表面改性。具有片狀特殊形貌的氫氧化鎂填充高分子基材時，除具有阻燃抑煙作用外，還具有因特殊形貌與其他阻燃劑協同增強阻燃的效果。

2 氫氧化鎂的表面改性

氫氧化鎂作為新型無鹵阻燃劑具有抗酸、阻滴、高效促基材成碳及無毒環保等特點，廣泛應用于塑料、橡膠及樹脂等領域[6]。但氫氧化鎂的表面具有很強的極性，其晶體表面的正電荷使其具有較強的親水性，與疏水性高分子基材相容性差。氫氧化鎂阻燃劑必須經過改性才能在確保高分子基材力學性能的基礎上具有一定的阻燃效果[7]。目前，表面改性是制備改性氫氧化鎂的重要方法，包括表面化學改性和表面包覆改性。

2.1 氫氧化鎂的表面化學改性

經過改性的氫氧化鎂其表面特性可以由親水性轉變為疏水性，能夠與疏水高分子基材很好地相容。采用表面活性劑或偶聯劑對氫氧化鎂改性，可通過表面改性劑或偶聯劑與氫氧化鎂表面的化學反應或化學吸附改變其表面性能，使其有更加疏水并增加與高分子基材的相容性，改善材料的阻燃性能和力學性能[8]。

袁源[9]等以N-苯基-γ-氨丙基三甲氧基硅烷為偶聯劑對超細Mg（OH）b進行了表面改性，改性后的氫氧化鎂由于其表面的硅氧烷結構使其親水性降低分散性能提高。尹燕[10]等開展了采用硅烷偶聯劑（A-1100）和鈦酸酯（TC-101）的復合型表面活性劑對氫氧化鎂晶須進行改性的研究。通過活性指數、比表面積、抑煙效果等測定，經過改性的氫氧化鎂的分散性能更好。此外，硅烷偶聯劑和鈦酸酯同時使用時具有協同增強氫氧化鎂表面性能的特點，經復合改性劑改性后氫氧化鎂的活性指數和抑煙效果更加突出，該研究為復合表面活性劑改性氫氧化鎂的研究提供了參考。賈靜嫻[11]研究了硬脂酸鋅對氫氧化鎂阻燃劑的改性效果。改性氫氧化鎂與液體石蠟的相容性較好，能夠在液體石蠟中較好地分散，這是源于經硬脂酸鋅改性的氫氧化鎂其親水性表面變為疏水性表面。白俊紅[12]以聚乙烯醇、脂肪醇聚氧乙烯醚和對乙酰氨基酚為表面改性劑，采用直接沉淀法和超重力法制備阻燃級氫氧化鎂。所制備的氫氧化鎂具有純度高、分散性好、粒徑小且分布均勻、阻燃性能好的特點。經過對比實驗研究，采用聚乙烯醇、脂肪醇聚氧乙烯醚和對乙酰氨基酚添加量分別為3.0%、5.0%和2.0%時，所制備的氫氧化鎂的自然沉降速率最大，濾餅比阻最小，分散性能最好。氫氧化鎂的表面化學改性研究應選擇合適的表面改性劑，并優化改性條件以獲得性能最優的氫氧化鎂阻燃劑。

2.2 氫氧化鎂的表面包覆改性

表面包覆改性不同于表面化學改性，采用表面包覆方法改性氫氧化鎂時包覆劑與氫氧化鎂表面不發生化學反應，改性作用來源于包覆劑物理包覆在氫氧化鎂的表面降低了氫氧化鎂的表面極性。表面活性劑可以用于包覆改性的包覆劑，此外，超分散劑和無機物等也可以用作包覆劑。楊旭宇[13]等開展了Mg（OH）2粉體的表面包覆改性研究，并證實，采用4%的超分散劑CTBN改性的氫氧化鎂性能最優。

將氫氧化鎂采用高分子化合物包覆制備微膠囊阻燃劑也是一種有效的改性方法。聚合物接枝使氫氧化鎂表面由親水轉變為疏水，避免氫氧化鎂顆粒間的團聚。此外，接枝上的高聚物與基體材料具有較好的物理相容性，提高了氫氧化鎂的分散性能也提高了高聚物材料的加工性能。李又兵[14]等將密胺樹脂包覆在氫氧化鎂表面得到的微膠囊化氫氧化鎂填充于硅橡膠時其阻燃性能明顯提高。張永兆[15]等將氫氧化鎂乳液中加入甲基丙烯酸甲酯單體和引發劑，通過氫氧化鎂表面原位聚合形成了聚甲基丙烯酸甲酯包覆層。粉體的吸油值隨著包覆量的增加而減小，接觸角也明顯變大，復合材料的氧指數有所下降。氫氧化鎂的表面包覆改性不僅可以提高氫氧化鎂的分散性能，也能夠增加氫氧化鎂阻燃劑與聚合物材料的相容性，在提高阻燃性能的基礎上保障了聚合物材料的力學性能。

3 結束語

氫氧化鎂是一種無鹵無機阻燃劑，因其特殊的阻燃抑煙作用本受關注。將氫氧化鎂直接用于高分子基材的阻燃存在無機阻燃劑與有機高分子材料不相容的缺點，通過對氫氧化鎂進行表面改性可顯著提高兩者的相容性。常用的改性方法是表面化學改性和表面包覆改性。深入探討改性工藝條件和改性機理將推動氫氧化鎂阻燃劑的發展。

參考文獻

[1]于文強，喬建江.高分散高微細阻燃型氫氧化鎂合成工藝的研究[J].華東理工大學學報（自然科學版），2016，42（4）：521-528.

[2]朱新兵.氫氧化鎂阻燃劑的表面改性和形貌控制研究[D].西寧：青海大學，2014.

[3]房萌，陳樹江，田琳，等.氫氧化鎂阻燃劑分散性的研究[J].塑料工業，2016，44（2）：133-136.

[4]高微，趙志鳳，周長海，等.氫氧化鎂/膨脹石墨復合材料的制備[J].黑龍江科技大學學報，2016，26（2）：131-133.

[5]Gui Hua， Zhang Xiaohong， Liu Yiqun， et al.Effect of dispersion of nano-magnesium hydroxide on the flammability of flame retardant ternary composites [J]. Composite Science and Technology， 2007， 67（6）：974-980.

[6]王立艷，蓋廣清.建筑保溫材料中阻燃劑的應用現狀及發展前景[J].廣州化工，2012，40（3）：12-13，16.

[7]金棟.阻燃劑氫氧化鎂表面改性技術研究進展[J].聚合物與助劑，2014（05）：30-33.

[8]王愛麗，姜虹.阻燃級氫氧化鎂的表面改性技術研究進展[J].山東化工，2013，42（3）：26-28.34.

[9]袁源，褚曉東，杜高翔，等.超細氫氧化鎂的硅烷偶聯劑表面改性[J].功能材料，2010，7（41）：1186-1189

[10]尹燕，徐艷春，張洋，等.復合型表面活性劑對氫氧化鎂改性的效果[J].沈陽化工大學學報，2014，28（3）：206-209.

[11]賈靜嫻.氫氧化鎂阻燃劑的改性效果研究[J].唐山師范學院學報，2014，（2）：39-40.

[12]白俊紅.改性超細氫氧化鎂阻燃劑的制備[D].中北大學，2014.

[13]楊旭宇，姜宏偉.超分散劑改性氫氧化鎂及其在聚烯烴中的應用[J].塑料，2007，36（6）：12-16.

[14]李又兵，史文，盛旭敏，等.密胺樹脂包覆氫氧化鎂及其阻燃硅橡膠的研究[J].化工新型材料，2015，43（3）：181-183，186.

[15]張永兆，陳軍.氫氧化鎂表面有機化及在阻燃PVC中的應用[J].塑料工業，2010，38（z1）：132-135，150.

*通訊作者：趙麗（1983-），女，講師，博士，研究方向為高分子材料。