氢氧化镁表面化学改性及其在塑料中的应用分析

氢氧化镁表面化学改性及其在塑料中的应用分析

毛先友

广东美的制冷设备有限公司广东佛山528311

摘要：氢氧化镁具有阻燃的效果，经过表面改性填充到塑料中可以达到抑烟的作用，并且氢氧化镁具有无毒、耐腐蚀作用，价格便宜、来源广泛，是一种环保型的无机阻燃剂，越来越受到人们的关注。本文对氢氧化镁的性能特点、表面改性的各种方法以及未来发展前景进行分析介绍。

关键词：氢氧化镁；表面改性；化学；塑料；

前言

塑料、纤维和橡胶制品在燃烧时会释放出大量的有毒有害气体并放出大量的浓烟，会造成环境污染，严重的会导致人们窒息死亡。为避免这类事故的发生，阻燃剂的应用越来越广泛。目前所研究的阻燃剂包括无机阻燃剂和有机阻燃剂。如氮系阻燃剂、氯系阻燃剂、磷系阻燃剂、溴系阻燃剂、氢氧化铝、锡酸锌、氢氧化镁等。其中氢氧化镁无毒无害、来源广泛、价格低廉并且没有腐蚀性，是一种环保型阻燃剂，被广泛应用到塑料领域。与其他无机阻燃剂相比，氢氧化镁的分解温度比较高，因而聚合物的加工温度可以相对较高，可以加快塑料的挤出速度，从而减少模具塑造时间，改善阻燃性能。另外氢氧化镁还可以和其他阻燃剂进行协同阻燃[1]。本文简要介绍了氢氧化镁基本特性以及阻燃的基本原理，并对表面化学改性做了详细介绍。

1.Mg(OH)2基本特性

氢氧化镁（Mg(OH)2）一般情况下呈白色固体状的粉末，晶体结构为三角晶系。氢氧化镁的晶胞结构如图1所示：

图1Mg(OH)2晶胞结构模型

研究表明，氢氧化镁晶体具有绝缘性，因其具有热稳定性好和分解反应热而具有较好的阻燃性能。氧氢键之间的相互作用较镁氢键和镁氧键之间的相互作用较强，氧原子的2s和2p轨道与氢原子的s轨道之间的成键决定着氢氧化镁的热稳定性和阻燃性能。研究证实，氢氧化镁的晶体表面带正电荷，具有较好的亲水性，因此与具有亲油性的高分子的亲和能力较弱，一般情况下会进行二次凝聚。与此同时，氢氧化镁在高聚物中的分散性比较差，从而对高聚物的机械性能的影响比较大，例如，高聚物的冲击性能下降，难以加工。

2.Mg(OH)2阻燃机理

氢氧化镁有阻燃作用是因为其在高温下能够发生分解反应，分解成氧化镁和水，并释放出一定的能量。当达到一定的温度时，氢氧化镁开始受热分解。分解产生的水蒸发会吸收大量的热，从而降低高聚物表面的温度，使温度降到着火点以下，另外，释放的水蒸气也会稀释高聚物表面的氧气，使氧气的浓度降低，阻止燃烧[2]。与此同时，分解产生的氧化镁是非常好的耐火材料，燃烧时能够在高聚物表面形成隔绝环境的炭化层，防止热量和氧气进入，从而切断燃烧源达到阻燃的目的。

3.Mg(OH)2表面化学改性在塑料中的应用

3.1偶联剂或者表面活性剂处理法

偶联剂和表面活性剂分子的一端是亲油基团，另一端是亲水基团，同时具有亲水性和亲油性。因此，大多粒子就可以和其表面活性基团进行化学反应或者吸附，将偶联剂或者活性剂连接到粒子表面，这是最常用的表面化学改性的方法，同时操作比较简单。

近几年，实验室处理氢氧化镁的主要试剂有金属盐、钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂、高级脂肪酸等。氢氧化镁表面改性主要有湿法和干法两种。其中，干法处理的工艺过程比较简单，但是改性效果不理想；湿法虽然改性的效果理想，但是成本高，操作工艺复杂，而且存在改性剂流失的问题。处理的方法不同，阻燃的性能有所不同。刘建华、郝在晨等对氢氧化镁进行湿法改性，并将改性后的Mg(OH)2应用到乙烯-乙酸乙烯高聚物中，发现其能明显改良乙烯-乙酸乙烯高聚物的阻燃性能和力学性能。当用偶联剂对氢氧化镁的表面进行处理时，偶联剂的长长的分子链与高聚物的分子链相互交联，从而提高了高聚物的抗冲击性[3]。

但相关研究表明偶联剂的加入会使高聚物的阻燃性能和拉伸性能降低。王正洲、瞿保均等不同的改性氢氧化镁在聚乙烯中的应用的研究[4]。研究表明，加入一定量的氢氧化镁的高聚物，其力学性能明显降低。添加表面改性剂后，其阻燃性能和拉伸性能降低，但是断裂伸长率提高。偶联剂和表面活性剂与高聚物之间的连接仅仅依靠范德华力，这种作用力较弱。偶联剂的热稳定性和迁移性对阻燃体系的热性能和力学性能有一定的影响。例如，硅烷偶联剂中每个硅原子连有三个烷氧键，使材料的稳定性有所下降。因此，偶联剂使材料的力学性能和热稳定性降低，使材料加速老化，从而偶联剂和表面活性剂改性的氢氧化镁的应用范围受到限制。

3.2高聚物包覆法

目前科研工作者越来越重视运用高聚物包覆法来提高氢氧化镁和高聚物之间的相容性。按照习惯，科研工作者将这种表面化学改性的方法大致分为三类[5]：第一类，包覆剂、基体、阻燃剂直接进行共混，从而使包覆剂在阻燃剂与高聚物的表面原位增容；第二类，将溶解的聚合物包覆在阻燃剂的外表面以形成包覆层；将高聚物溶解到合适的溶剂里面，添加阻燃剂，高聚物便附着在阻燃剂的外表面，去除溶剂便形成了高聚物包覆层。这种方法与直接填充具有官能团的包覆剂以改善高聚物与阻燃剂之间的相容性的方法相比，能够使高聚物均匀的附着在阻燃剂的外表面，进行物理或者化学键合，有效减少包覆剂用量，增强阻燃效果。但是，操作的工艺相对复杂，溶剂不易回收利用，且存在一定的毒性和污染的问题，因此应用受到限制。第三类，氢氧化镁的粒子表面进行单体聚合包覆的方法；其主要的特征是单体在粒子的表面进行聚合反应，从而生成包覆作用的高聚物，因为已经接枝的高聚物对单体分子扩散的影响比较小，所以这是一种高密度接枝最理想的方法。

3.3等离子体法和高能辐射法

很多科研工作者利用等离子体法或者高能辐射法对添加氢氧化镁的高聚物进行表面化学改性，从而提高其阻燃和其他性能。这种方法可以使氢氧化镁表面的性质有所改变，产生活性部位，从而进行表面接枝改性。等离子体法主要是采用等离子体的聚合技术对氢氧化镁的表面进行化学改性。该方法能够激发活化单体，从而形成气相的自由基，吸附在固体表面，在表面形成自由基，该自由基与单体或者衍生单体在固体表面发生聚合，从而生成大分子聚合物。

3.4固相接枝包覆法

这些年，一些新的阻燃剂表面改性方法应运而生——机械力化学法。这种方法大多是运用干法研磨，工艺相对湿法来说比较简单，将高聚物、阻燃剂和引发剂直接混合研磨或者对单体进行简单的预处理在进行混合研磨，属于固相接枝包覆法。和一般的液相包覆法，例如熔融、溶液、本体、悬浮等相比，固相接枝包覆法的反应温度比较适宜，常压条件，不用回收溶剂，后期处理比较简单，高效节能且受干扰较少等的优点。另外，湿法机械研磨也有相关文献介绍，本文不再详述。

4.结语

阻燃剂的表面改性对其应用极为重要，环保无毒的无机阻燃及氢氧化镁的应用备受科研工作人员的关注。高聚物包覆法改性的氢氧化镁具有较大的发展潜力。氢氧化镁表面化学改性的研究应不断的尝试使用创新的改性手段，例如固相接枝、可控性、活性包覆法等，采取一定的手段来提高阻燃剂与高聚物之间的相容性和分散性，提高阻燃剂的抑烟作用，使氢氧化镁的应用范围更加的广泛。

参考文献:

[1]王正洲,瞿保均,范维澄,等.表面处理剂在氢氧化镁阻燃聚乙烯体系中的应用[J].功能高分子学报,2001,14(1):45-48.

[2]王爱丽，姜虹.阻燃级氢氧化镁的表面改性技术研究进展[J].山东化工,2013，42(3)：26.

[3]关瑞芳,李宁.无机阻燃剂的应用现状及其发展前景[J].合成材料老化与应用,2015，42(4)：55.