劉樂 劉曉娟 陳建印 趙昕
(棗莊中聯水泥有限公司)
隨著我國經濟實力的不斷提高,合成材料的應用也越來越廣泛,在家電、建筑、電子設備、化工、裝修、交通等領域有著不可替代的作用,因此也給阻燃劑開辟了前所未有的市場[1-3]。我國阻燃劑的發展起步較晚,產品形式單一,目前我國所使用的阻燃劑80%以上是有機類阻燃劑,該類阻燃劑發煙量大、具有毒性、污染環境,與我國現在所倡導的綠色經濟、環保生產背道而馳,相反無機類阻燃劑則具有環保、高效、低毒的效果,但產品形式較為單一,使用最多的是氫氧化鎂和氫氧化鋁阻燃劑[4-5]。
鈣礬石是一種含水硫鋁酸鹽礦物,簡稱AFt,其化學式為3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O,AFt 中含有32 個結晶水,與正在使用的氫氧化鎂、氫氧化鋁等阻燃劑相比,其含有的結晶水更多,理應會有更加明顯的阻燃效果,因此本研究致力于將鈣礬石用于制備一種新型的阻燃劑材料[6]。
采用溶液合成的方法制備鈣礬石,其步驟為將一定質量的Ca(OH)2和Al2(SO4)3·18H2O 分別置于去離子水中充分攪拌溶解后,將Al2(SO4)3·18H2O 溶液緩緩倒入Ca(OH)2溶液中進行反應,試驗過程中保持室溫25℃左右,其化學反應方程式為:
待溶液反應完全后,對混合液進行抽濾得到AFt,將制備的AFt 試樣進行XRD 衍射和掃描電鏡分析,其圖譜如圖1 所示:
圖1 鈣礬石XRD 圖譜和SEM 照片
從圖1 中的XRD 圖譜中可以看出,其衍射峰大多為AFt 的衍射峰,只有很少一部分CaCO3的衍射峰,即溶液合成法制備的鈣礬石較純,其生成產物大多為AFt,從SEM 照片中可以看出,生成的鈣礬石結晶有的比較粗大,有的比較細小,呈針棒狀,晶體之間交錯生長,有大量的連接孔道。
鈣礬石是一種無機化合物,與普通的氫氧化鋁、氫氧化鎂阻燃劑有著相同的特性,與有機材料結合的性能較差,如果直接添加,添加量大,而且會影響復合材料的機械性能和加工性能,阻燃效率不高,所以需要對其進行改性處理,以求提高其與有機材料的結合能力。選取三種不同類型的偶聯劑,分別為硅烷偶聯劑(KH-570)、酞酸酯偶聯劑、二丙二醇甲醚DPM 偶聯劑對鈣礬石進行了改性試驗。
采用濕法改性的方法,即將鈣礬石加入適量的去離子水使之成為漿體,再將已經用無水乙醇稀釋到一定濃度的偶聯劑倒入鈣礬石漿體中,攪拌均勻,反應完全后,抽濾掉溶液即可得到改性后的鈣礬石,改性劑的用量為鈣礬石質量的1.0%。改性后的鈣礬石在無水乙醇中的分散情況如圖2 所示:
圖2 改性前后鈣礬石在無水乙醇中的分散情況
從圖2 中可以看出,鈣礬石未改性前,在無水乙醇溶液中分層明顯,完全不能分散于溶液中,全部沉淀在燒杯底部;經過偶聯劑改性后的鈣礬石,可以部分分散于無水乙醇溶液中,致使溶液變得渾濁,其中酞酸酯改性組無水乙醇溶液最為渾濁。為比較三類偶聯劑對鈣礬石改性的效果,分別取0.4g 改性后的鈣礬石溶于20g四氯化碳有機溶液中,充分攪拌均勻后,靜止溶液5min,然后倒掉上部懸浮液,稱取剩余沉淀的質量,試驗結果如表1 所示:
表1 改性鈣礬石沉淀物的質量(g)
從表1 中可以看出,鈣礬石經過酞酸酯偶聯劑改性后比較容易分散到有機溶液當中,所剩余的沉淀質量最小,經過二丙二醇甲醚DPM 改性后的鈣礬石,剩余沉淀質量較多,即不易分散到有機溶液當中。
通過上述研究,了解到酞酸酯偶聯劑可有效改性鈣礬石,使其與有機材料較好地融合,因此將經過酞酸酯偶聯劑改性的鈣礬石做了熱重分析試驗,探究改性后鈣礬石的阻燃效果,熱重分析結果如圖3 所示。
從圖3 的失重曲線中可以看出,隨著溫度的升高,鈣礬石質量不斷下降,在0~102.54℃區間,質量下降較快,后趨于平緩。根據吸熱曲線可以看出,鈣礬石在102.54℃有明顯的吸熱峰,在80~200℃區間吸熱較多,隨著溫度的升高,吸熱不明顯。
圖3 改性后鈣礬石的熱重分析圖
通過以上分析可得,經過酞酸酯偶聯劑改性后的鈣礬石,在80~200℃之間,可以快速地實現失水吸熱,達到阻燃的效果,超過200℃阻燃效果不好,即鈣礬石作為阻燃劑來使用具有很好的早期抑燃效果。
通過對鈣礬石作為阻燃劑的研究,可以得出的結論有:
⑴溶液合成法制備的鈣礬石較純,其結晶呈針棒狀,有的比較粗大,有的比較細小,晶體之間交錯生長,有大量的連接孔道。
⑵硅烷偶偶聯劑、二丙二醇甲醚DPM 偶聯劑、酞酸酯偶聯劑三類偶聯劑中,酞酸酯偶聯劑的改性效果最好,可以使鈣礬石較好地分散在有機溶液中。
⑶鈣礬石作為阻燃劑來使用具有很好的早期抑燃效果,可與其它后期抑燃效果較好的阻燃劑搭配使用,效果更佳。