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摘要

本文旨在深入分析山西省所產(chǎn)氫氧化鎂作為聚丙烯阻燃添加劑的性能表現(xiàn)。通過對(duì)氫氧化鎂的基本特性研究，以及在聚丙烯材料中添加不同含量氫氧化鎂后的阻燃性能、力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性等多方面進(jìn)行測試與分析，探討其應(yīng)用的可行性與優(yōu)勢，同時(shí)針對(duì)存在的問題提出相應(yīng)的改進(jìn)方向，為山西省產(chǎn)氫氧化鎂在聚丙烯阻燃領(lǐng)域的進(jìn)一步開發(fā)與應(yīng)用提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

一、引言

聚丙烯（PP）作為一種性能優(yōu)良的熱塑性塑料，具有密度小、強(qiáng)度高、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在汽車、電子、包裝等諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。然而，聚丙烯的易燃性限制了其在某些對(duì)防火安全要求較高場景下的使用。因此，開發(fā)高效的阻燃添加劑對(duì)聚丙烯進(jìn)行改性至關(guān)重要。氫氧化鎂作為一種環(huán)境友好型無機(jī)阻燃劑，具有無毒、抑煙、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，逐漸受到關(guān)注。山西省富含豐富的鎂資源，其產(chǎn)出的氫氧化鎂在成本與原料供應(yīng)上具有一定優(yōu)勢，研究其在聚丙烯阻燃中的應(yīng)用性能具有重要意義。

二、氫氧化鎂的基本特性

（一）化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)

氫氧化鎂是一種白色粉末狀固體，其化學(xué)式為 Mg(OH)?，屬于六方晶系，晶體結(jié)構(gòu)呈層狀。這種層狀結(jié)構(gòu)使得氫氧化鎂在受熱時(shí)，層間結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，釋放出結(jié)晶水，從而起到吸熱降溫、稀釋可燃?xì)怏w濃度等阻燃作用。

（二）熱穩(wěn)定性

山西省產(chǎn)氫氧化鎂在常溫下性質(zhì)穩(wěn)定，在加熱過程中，約在 300℃以上開始分解，分解反應(yīng)為：Mg(OH)? → MgO + H?O↑。這一特性使其在聚丙烯加工溫度范圍內(nèi)（通常在 200℃左右）能夠保持較好的穩(wěn)定性，而在聚丙烯燃燒時(shí)的溫度條件下分解發(fā)揮阻燃功效。

三、實(shí)驗(yàn)部分

（一）原材料與試劑

1. 聚丙烯：選用常見的均聚聚丙烯（PPH），熔體流動(dòng)速率（MFR）為 2 - 3g/10min，以保證其基本的加工性能。

2. 氫氧化鎂：來自山西省某氫氧化鎂生產(chǎn)企業(yè)，純度≥98%，平均粒徑通過激光粒度分析儀測得為 D50 = 1 - 2μm。

（二）樣品制備

采用熔融共混法制備聚丙烯/氫氧化鎂復(fù)合材料。設(shè)置不同的氫氧化鎂添加量，分別為 10%、20%、30%、40%、50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），將聚丙烯與氫氧化鎂在高速混合機(jī)中預(yù)混合均勻，然后通過雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行熔融共混、造粒，最后利用注塑機(jī)制備標(biāo)準(zhǔn)試樣用于后續(xù)性能測試。

（三）性能測試方法

1. 阻燃性能測試：按照垂直燃燒法（UL - 94 標(biāo)準(zhǔn)），使用專業(yè)的垂直燃燒測試儀，觀察樣品在點(diǎn)燃后的燃燒時(shí)間、燃燒速度、滴落物情況以及是否能夠自熄等，評(píng)估其阻燃等級(jí)。

2. 力學(xué)性能測試：通過材料試驗(yàn)機(jī)，對(duì)試樣進(jìn)行拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度測試。拉伸強(qiáng)度測試按照 GB/T 1040 - 2006 標(biāo)準(zhǔn)，彎曲強(qiáng)度測試按照 GB/T 9341 - 2008 標(biāo)準(zhǔn)，沖擊強(qiáng)度測試采用懸臂梁沖擊試驗(yàn)方法，依據(jù) GB/T 1843 - 2008 標(biāo)準(zhǔn)，每組試樣至少測試 5 個(gè)樣品取平均值。

3. 熱穩(wěn)定性分析：借助熱重分析儀（TGA），在氮?dú)夥諊拢?10℃/min 的升溫速率從 30℃升至 600℃，記錄樣品的熱失重曲線，分析其熱分解溫度、最大熱失重速率等參數(shù)，以表征材料的熱穩(wěn)定性。

四、結(jié)果與討論

（一）阻燃性能

1. 垂直燃燒測試結(jié)果

隨著氫氧化鎂添加量的增加，聚丙烯復(fù)合材料的阻燃性能顯著提升。當(dāng)添加量為 10%時(shí)，樣品燃燒速度較快，仍有較多熔滴，阻燃等級(jí)僅為 HB 級(jí)；添加到 20%時(shí)，燃燒時(shí)間明顯縮短，熔滴減少，達(dá)到 V - 2 級(jí)；當(dāng)添加量達(dá)到 30%及以上時(shí)，樣品能夠?qū)崿F(xiàn)離火自熄，且基本無熔滴，阻燃等級(jí)提升至 V - 0 級(jí)。這表明氫氧化鎂在一定添加量下能夠有效抑制聚丙烯的燃燒，其阻燃機(jī)理主要體現(xiàn)在受熱分解時(shí)吸收大量熱量，降低材料表面溫度，同時(shí)釋放的水蒸氣稀釋了可燃?xì)怏w濃度，并在材料表面形成一層氧化鎂保護(hù)層，阻止氧氣與基材進(jìn)一步接觸。

 

2. 阻燃協(xié)同效應(yīng)探討

在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氫氧化鎂與少量其他阻燃劑（如磷系阻燃劑）復(fù)配使用時(shí)，能夠進(jìn)一步提高阻燃效果。例如，在氫氧化鎂添加量為 30%的基礎(chǔ)上，加入 2%的某磷系阻燃劑，復(fù)合材料的極限氧指數(shù)（LOI）相比單獨(dú)使用氫氧化鎂時(shí)提高了約 1.5 - 2.0，說明山西省產(chǎn)氫氧化鎂與其他阻燃劑存在一定的協(xié)同阻燃作用，這為開發(fā)高效復(fù)合阻燃體系提供了思路。

（二）力學(xué)性能

1. 拉伸強(qiáng)度

隨著氫氧化鎂含量的增加，聚丙烯復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)先下降后趨于平穩(wěn)的趨勢。在添加量為 10%時(shí)，拉伸強(qiáng)度較純聚丙烯下降了約 10%，這是因?yàn)闅溲趸V粒子作為剛性填料，分散在聚丙烯基體中，破壞了聚丙烯分子鏈的規(guī)整性，導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而使拉伸強(qiáng)度降低。當(dāng)添加量超過 30%后，下降幅度逐漸減緩，可能是由于氫氧化鎂粒子之間形成了一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，起到了一定的承載作用，緩解了因大量填料加入導(dǎo)致的強(qiáng)度下降。

2. 彎曲強(qiáng)度

彎曲強(qiáng)度的變化規(guī)律與拉伸強(qiáng)度類似，隨著氫氧化鎂添加量的增多而降低。在添加量為 50%時(shí)，彎曲強(qiáng)度僅為純聚丙烯的 60%左右。這說明氫氧化鎂的加入對(duì)聚丙烯的剛性影響較大，在提高阻燃性能的同時(shí)，犧牲了部分力學(xué)性能，在實(shí)際應(yīng)用中需要綜合考慮兩者的平衡。

3. 沖擊強(qiáng)度

沖擊強(qiáng)度對(duì)氫氧化鎂添加量較為敏感，隨著添加量的增加，沖擊強(qiáng)度大幅下降。當(dāng)添加量為 10%時(shí)，沖擊強(qiáng)度降低了約 30%，當(dāng)添加量達(dá)到 50%時(shí)，沖擊強(qiáng)度僅為純聚丙烯的 20% - 30%。這是由于氫氧化鎂粒子與聚丙烯基體的界面結(jié)合力較弱，在受到?jīng)_擊載荷時(shí)，容易引發(fā)裂紋并迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致材料韌性變差。

（三）熱穩(wěn)定性

1. 熱重分析結(jié)果

從熱重曲線可以看出，純聚丙烯在 300℃左右開始快速熱分解，而添加氫氧化鎂后的復(fù)合材料初始熱分解溫度略有提前，但隨著氫氧化鎂添加量的增加，復(fù)合材料在高溫區(qū)的熱穩(wěn)定性增強(qiáng)。例如，當(dāng)氫氧化鎂添加量為 50%時(shí)，在 400℃時(shí)的熱失重率相比純聚丙烯降低了約 15%，這是因?yàn)闅溲趸V在受熱分解過程中吸收熱量，同時(shí)分解產(chǎn)物氧化鎂能夠在一定程度上阻隔熱量傳遞，提高了材料的熱穩(wěn)定性。

2. 加工過程中的熱穩(wěn)定性

在實(shí)際的熔融共混加工過程中，發(fā)現(xiàn)山西省產(chǎn)氫氧化鎂在聚丙烯體系中的分散性對(duì)復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性也有影響。當(dāng)氫氧化鎂分散均勻時(shí)，能夠在聚丙烯基體中形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，有利于提高熱穩(wěn)定性；反之，若出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致局部過熱，加速材料的熱分解，因此在加工過程中需要優(yōu)化工藝參數(shù)，改善氫氧化鎂的分散性。

五、結(jié)論

（一）阻燃性能方面

山西省產(chǎn)氫氧化鎂能夠顯著提高聚丙烯的阻燃性能，隨著添加量的增加，阻燃等級(jí)逐步提升，在一定添加量下可實(shí)現(xiàn) V - 0 級(jí)阻燃效果，且與部分其他阻燃劑復(fù)配時(shí)存在協(xié)同阻燃作用，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用潛力。

（二）力學(xué)性能方面

氫氧化鎂的加入會(huì)導(dǎo)致聚丙烯復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度不同程度下降，尤其是沖擊強(qiáng)度下降明顯。在追求良好阻燃性能的同時(shí)，需要通過優(yōu)化氫氧化鎂的表面處理、粒徑控制以及與其他增強(qiáng)填料復(fù)配等方式來盡量彌補(bǔ)力學(xué)性能的損失。

（三）熱穩(wěn)定性方面

雖然氫氧化鎂的加入使聚丙烯復(fù)合材料初始熱分解溫度略有提前，但在一定程度上增強(qiáng)了高溫區(qū)的熱穩(wěn)定性，其自身受熱分解的吸熱特性以及對(duì)熱量傳遞的阻隔作用對(duì)整體熱穩(wěn)定性有積極影響。不過，加工過程中需關(guān)注其分散性對(duì)熱穩(wěn)定性的影響。

綜上所述，山西省產(chǎn)氫氧化鎂作為聚丙烯阻燃添加劑具有諸多優(yōu)勢，盡管目前在力學(xué)性能等方面存在一些挑戰(zhàn)，但通過進(jìn)一步的研究與技術(shù)改進(jìn)，有望實(shí)現(xiàn)在聚丙烯阻燃領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，推動(dòng)山西省相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

六、展望

未來針對(duì)山西省產(chǎn)氫氧化鎂用于聚丙烯阻燃添加劑的研究可從以下幾個(gè)方向展開：一是研發(fā)更有效的氫氧化鎂表面改性劑，提高其與聚丙烯基體的相容性和分散性，從而提升復(fù)合材料的力學(xué)