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摘要： 本研究聚焦于以廣東產(chǎn)高純氧化鎂作為添加組分來(lái)提升聚丙烯材料的阻燃性能。通過(guò)對(duì)不同含量、粒徑分布以及表面處理后的氧化鎂進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，深入探究其對(duì)聚丙烯復(fù)合材料燃燒行為、力學(xué)性能和加工流動(dòng)性的影響規(guī)律。采用極限氧指數(shù)測(cè)定、垂直燃燒測(cè)試、錐形量熱儀分析等手段評(píng)估阻燃效果，并結(jié)合掃描電子顯微鏡觀察微觀結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)特定表面改性且適量添加的高純氧化鎂能顯著提高聚丙烯的阻燃等級(jí)，同時(shí)較好地保持了材料的力學(xué)與加工性能。本研究成果為開(kāi)發(fā)高效環(huán)保的聚丙烯阻燃體系提供了理論依據(jù)與實(shí)踐指導(dǎo)。

一、引言

聚丙烯（PP）作為一種廣泛應(yīng)用的通用塑料，具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、電絕緣性和易加工性等優(yōu)點(diǎn)，在汽車(chē)、電子電器、建筑材料等諸多領(lǐng)域占據(jù)重要地位。然而，其固有的易燃性極大地限制了它在一些對(duì)消防安全要求較高場(chǎng)景中的應(yīng)用。傳統(tǒng)的鹵系阻燃劑雖能有效降低材料可燃性，但在燃燒過(guò)程中會(huì)釋放有毒氣體及煙霧，對(duì)環(huán)境和人體健康造成嚴(yán)重危害。因此，尋找環(huán)境友好型無(wú)鹵阻燃劑成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)方向。

氧化鎂（MgO）憑借其無(wú)毒、抑煙、填充成本低以及良好的熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)，逐漸引起科研人員的關(guān)注。特別是來(lái)自廣東地區(qū)的高純氧化鎂資源豐富，品質(zhì)優(yōu)良，為制備高性能聚丙烯阻燃復(fù)合材料提供了理想的原料基礎(chǔ)。本文旨在深入研究如何充分利用廣東產(chǎn)高純氧化鎂的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)科學(xué)的配方設(shè)計(jì)與工藝調(diào)控，實(shí)現(xiàn)聚丙烯阻燃性能的最大化提升，同時(shí)兼顧其他關(guān)鍵性能指標(biāo)的平衡。

二、實(shí)驗(yàn)部分

（一）原材料準(zhǔn)備

選用工業(yè)級(jí)廣東產(chǎn)高純氧化鎂粉末，經(jīng)激光粒度分析儀測(cè)得平均粒徑約為[X]微米；聚丙烯樹(shù)脂選用市售主流牌號(hào)，熔體流動(dòng)速率控制在合理范圍內(nèi)以確保良好的成型加工性；偶聯(lián)劑用于對(duì)氧化鎂進(jìn)行表面改性處理，增強(qiáng)其在聚合物基體中的分散性和相容性。

（二）試樣制備

按照預(yù)設(shè)的比例將精確稱(chēng)量的高純氧化鎂、經(jīng)過(guò)表面處理后的氧化鎂分別與聚丙烯樹(shù)脂混合均勻，然后通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)共混造粒。設(shè)定不同的擠出溫度區(qū)間和螺桿轉(zhuǎn)速參數(shù)，保證物料充分塑化和均化。最后，使用注塑機(jī)將所得粒料制成標(biāo)準(zhǔn)樣條，供后續(xù)各項(xiàng)性能測(cè)試使用。

（三）性能測(cè)試方法

1. 阻燃性能測(cè)試

- 極限氧指數(shù)（LOI）測(cè)定：依據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，采用氧指數(shù)儀測(cè)量樣品在不同氧氣濃度下的燃燒行為，以剛好維持燃燒所需的最低氧濃度作為該材料的極限氧指數(shù)值，此數(shù)值越高表明材料的阻燃性能越好。

- 垂直燃燒試驗(yàn)（UL94）：根據(jù)美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，觀察樣品在規(guī)定火焰作用下的自熄時(shí)間和滴落情況，判斷其是否符合相應(yīng)的阻燃等級(jí)要求。

- 錐形量熱儀分析（CONE）：模擬真實(shí)火災(zāi)場(chǎng)景下的熱釋放過(guò)程，獲取諸如熱釋放速率峰值（PHRR）、總放熱量（THR）、有效燃燒熱（EHC）等多項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，全面表征材料的燃燒特性及火災(zāi)危險(xiǎn)性大小。

2. 力學(xué)性能測(cè)試

利用試驗(yàn)機(jī)對(duì)拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度等常規(guī)力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，考察添加氧化鎂前后聚丙烯材料的力學(xué)承載能力和韌性變化情況。

3. 加工流動(dòng)性能測(cè)試

運(yùn)用熔體流動(dòng)速率儀測(cè)定復(fù)合材料在一定溫度下的熔體流動(dòng)速度，反映其在注塑成型過(guò)程中的充模能力和工藝適應(yīng)性。

4. 微觀形貌觀察

借助掃描電子顯微鏡（SEM），觀察斷裂面或燃燒殘?jiān)膬?nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，分析氧化鎂顆粒在聚丙烯基體中的分散狀態(tài)、界面結(jié)合情況以及炭層的形成機(jī)制等信息。

三、結(jié)果與討論

（一）氧化鎂含量對(duì)聚丙烯阻燃性能的影響

隨著高純氧化鎂添加量的增加，聚丙烯復(fù)合材料的極限氧指數(shù)呈現(xiàn)先快速上升后趨于平緩的趨勢(shì)。當(dāng)添加量達(dá)到某一臨界值時(shí)，LOI值出現(xiàn)顯著躍升，這意味著此時(shí)材料從易燃轉(zhuǎn)變?yōu)殡y燃狀態(tài)。從垂直燃燒試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，未添加氧化鎂的純PP樣條迅速燃燒殆盡且伴有大量熔滴產(chǎn)生；而加入適量氧化鎂后，樣品能夠自熄，并且熔滴現(xiàn)象明顯減少，成功通過(guò)了較高的UL94阻燃等級(jí)測(cè)試。錐形量熱儀數(shù)據(jù)顯示，隨著氧化鎂含量升高，PHRR大幅降低，THR增長(zhǎng)變緩，說(shuō)明其在抑制熱量釋放方面效果顯著。這是因?yàn)榫鶆蚍稚⒌难趸V顆粒能夠在受熱分解時(shí)吸收大量熱量，并在材料表面形成一層致密的保護(hù)層，阻隔氧氣向內(nèi)部擴(kuò)散，從而延緩甚至阻止燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。

（二）氧化鎂粒徑的影響

對(duì)比不同粒徑大小的高純氧化鎂所制備的聚丙烯復(fù)合材料發(fā)現(xiàn)，較小粒徑的氧化鎂更有利于提高材料的阻燃性能。這主要是由于小顆粒具有更大的比表面積，能更有效地捕捉自由基并參與化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)也更容易在基體中形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)屏障效應(yīng)。但值得注意的是，過(guò)細(xì)的粉體可能導(dǎo)致團(tuán)聚現(xiàn)象加重，反而影響其在聚合物中的均勻分散，進(jìn)而削弱阻燃功效。因此，選擇合適的粒徑范圍對(duì)于優(yōu)化阻燃效果至關(guān)重要。

（三）表面處理對(duì)氧化鎂作用效果的影響

未經(jīng)表面處理的原始氧化鎂由于極性強(qiáng)，容易與空氣中的水汽發(fā)生吸附，導(dǎo)致在聚丙烯中分散不佳，相容性差等問(wèn)題。經(jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑等表面改性劑處理后，不僅改善了氧化鎂與聚丙烯之間的界面親和力，使其更好地嵌入到聚合物鏈段之間，而且提高了自身的分散穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)表明，表面改性后的氧化鎂能夠在更低的添加量下實(shí)現(xiàn)相同的阻燃效果，同時(shí)還有助于提升復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能。這是因?yàn)榱己玫慕缑娼Y(jié)合減少了應(yīng)力集中點(diǎn)的產(chǎn)生，使載荷能夠更有效地傳遞給增強(qiáng)相——氧化鎂粒子，從而提高整個(gè)體系的強(qiáng)度和韌性。

（四）力學(xué)與加工性能的變化趨勢(shì)

一般而言，隨著氧化鎂填充量的增加，聚丙烯復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度會(huì)有所下降，但幅度相對(duì)較小。這是因?yàn)閯傂缘臒o(wú)機(jī)粒子引入打破了原有聚合物分子鏈間的規(guī)整排列，降低了結(jié)晶度所致。不過(guò)，通過(guò)合理的表面處理和工藝優(yōu)化可以在一定程度上彌補(bǔ)這種損失。至于沖擊強(qiáng)度，適量添加細(xì)小且分散良好的氧化鎂反而能起到增韌的作用，這可能是由于裂紋擴(kuò)展過(guò)程中遇到均勻分布的顆粒阻礙而產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)效應(yīng)消耗了更多能量。在加工流動(dòng)性方面，雖然高填充量會(huì)使熔體黏度略有增加，但仍可通過(guò)調(diào)整加工溫度和剪切速率來(lái)保證正常的生產(chǎn)效率。

四、結(jié)論

綜上所述，基于廣東產(chǎn)高純氧化鎂開(kāi)發(fā)的聚丙烯阻燃劑具有巨大的應(yīng)用潛力。通過(guò)精確控制氧化鎂的含量、粒徑以及實(shí)施有效的表面改性措施，可以顯著提升聚丙烯材料的阻燃等級(jí)，同時(shí)較好地維持其力學(xué)和加工性能。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，建議根據(jù)具體產(chǎn)品需求選擇合適的配方組成和加工工藝條件，以達(dá)到最佳的綜合性能平衡點(diǎn)。未來(lái)研究可進(jìn)一步探索多元復(fù)配協(xié)同阻燃體系，以及與其他功能助劑的結(jié)合使用，以滿足更加復(fù)雜苛刻的應(yīng)用環(huán)境要求。