CN103772801B - 一种聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物／氢氧化镁-碳纳米管复合阻燃材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物／氢氧化镁-碳纳米管复合阻燃材料的制备方法和应用，由下述组分经过熔融共混热压成型制成，将100重量份聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物和1-10重量份基于碳纳米管基体的单分散氢氧化镁纳米粒子置于密炼机中，熔融混炼、热压成型、冷却固化。采用碳纳米管为载体，降低氢氧化镁粒径，使其实现纳米级分散。提高氢氧化镁与聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物接触面积，提高聚合物阻燃性能。

Description

一种聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物／氢氧化镁-碳纳米管复合阻燃材料的制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料领域，更具体的说，涉及一种基于碳纳米管载体的单分散氢氧化镁纳米粒子在聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中的应用，特别是以聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物为基体，利用碳纳米管负载的单分散氢氧化镁纳米粒子，制备聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物复合材料。
背景技术
随着我国经济建设速度的不断加快，各种大型工业设施、高层商业建筑、地下建筑和居民住宅数量逐渐增多，聚合物材料的使用总量也越来越大。聚合物材料被广泛应用于人们生产和生活的各个领域，其产品涵盖了建筑、家具、电子、电器、纺织品、交通运输工具等众多领域。但是这些聚合物材料大都由碳、氢等元素组成，暴露于外部热源后，很容易分解产生可燃性挥发物，从而引发火灾。伴随着聚合物材料的燃烧，会释放大量的热并产生大量有毒有害的烟气。聚合物燃烧过程的热效应和烟效应会对人身生命安全以及环境造成极大的危害。为了降低聚合物的阻燃性能，往往需要添加阻燃剂。
目前广泛应用的阻燃剂有卤系、磷系、膨胀石墨和无机阻燃剂，其中以卤系和磷系阻燃剂使用量最大。这两种阻燃剂虽有较为明显阻燃效果，但是他们在发挥阻燃作用的同时也会产生大量有毒有害烟气，如卤化氢等，对人体、设备和环境造成巨大伤害。第八届世界阻燃剂会议就指出：今后阻燃剂的发展方向集中为高效、低毒、低烟的阻燃剂。
无机阻燃剂(主要指氢氧化镁和氢氧化铝)，以其优异的阻燃和抑烟性能，以及无毒无害等优点，越来越受到用户的青睐，特别是被世界称为新型、绿色、环境友好的氢氧化镁阻燃剂，由于其独特的性能被广泛应用于橡胶、塑料等高分子材料中。氢氧化镁作为阻燃剂在340-490℃发生脱水反应，生成氧化镁和水。释放出的结晶水可覆盖火焰，稀释可燃性气体，而且在与火焰接触的塑料表面形成一绝热层，阻止可燃性气体的流动，防止火焰的蔓延。同时，氢氧化镁分解过程吸收大量热量，降低材料表面火焰的实际温度，其冷却效应可保护高分子材料小被快速地热分解，同时减少了易燃副产品的生成。另外分解产生的氧化镁是良好的耐火材料，能提高材料抵抗火焰的能力。在有机物表面形成了一个由碳化产物和氧化镁组成的玻璃状的烧焦层，使燃烧速度减慢。玻璃状的烧焦层还通过截住吸收燃烧产物减少了烟气密度。因此氢氧化镁具有极佳的消烟性能。氢氧化镁的热分解温度较高，基本上能满足许多塑料、橡胶的混炼加工成型，因此作为阻燃剂具有广阔的前景。
但是要使氢氧化镁发挥较高的阻燃效果，需要大量添加。无机粉体的大量加入势必会影响材料的性能。因此诸多关于氢氧化镁粒子处理的方法被研究。降低氢氧化镁的粒径是最常用的方法，但随着其粒径的逐渐降低，表面能显著增大，造成粒子团聚严重，反而会影响氢氧化镁的阻燃效果。使用偶联剂或表面活性剂等对氢氧化镁表面修饰，可以从一定程度上降低其团聚性，但是小分子碳链偶联剂或表面活性剂热稳定性差，会对氢氧化镁的热稳定性造成裂化的影响，降低其阻燃效果。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，获得性能优异的阻燃材料，以聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物为基体，采用熔融共混的方法制备聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物／氢氧化镁-碳纳米管(MH-CNTs)纳米复合材料，基于碳纳米管为载体实现降低氢氧化镁粒径和提高其分散性，提高聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的阻燃性能。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现：
由下述组分经过熔融共混热压成型制成，将100重量份聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物和1-10重量份基于碳纳米管基体的单分散氢氧化镁纳米粒子置于密炼机中，熔融混炼、热压成型、冷却固化。
所述基于碳纳米管载体的单分散氢氧化镁纳米粒子按照下述步骤进行：
称取1-10重量份的碳纳米管，加入到含有100重量份的镁盐的乙醇溶液中，充分搅拌分散后加入0.1-10重量份的表面活性剂，超声分散后在分散好的悬浮液中加入50-100重量份氨水。将该混合液转移至水热釜中恒温反应(可选择最低110℃，优选110-180℃；可选择至少6h，优选6-24h)，待反应结束后进行后续处理，得到以碳纳米管载体的单分散氢氧化镁纳米粒子。
上述进行的后续处理可以采用以下方法：将产物悬浮液用布氏漏斗抽滤，再使用乙醇反复洗涤，真空干燥，得到以碳纳米管载体的单分散氢氧化镁纳米粒子。
所述碳纳米管为羧基化多壁碳纳米管；
所述镁盐为氯化镁、硫酸镁、硝酸镁中的一种；
所述的表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十六烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠中的一种；
具体来说可以采用如下方案：
称取0.2g碳纳米管和10g氯化镁加入到200mL乙醇中，充分搅拌后加入0.3g十二烷基苯磺酸钠超声分散，在分散好的悬浮液中加入0.6mL氨水。将该混合液转移至水热釜中，120℃下恒温反应8h。待反应结束后，将产物悬浮液用布氏漏斗抽滤，再使用乙醇反复洗涤，真空干燥，得到以碳纳米管为载体的单分散氢氧化镁纳米粒子，记为MH-CNTs。
为了表征MH-CNTs中MH的晶体结构，采用Perkin-Elmer的PHI-1600型X射线衍射仪对MH-CNTs进行XRD分析。采用CuKα靶材，X射线波长λ=0.15406nm，电压为45kV，电流为180mA，扫描范围为2θ=5-80°，步长为0.02°。附图1为MH，CNTs以及MH-CNTs的XRD图谱。从图中可以看出MH晶体在2θ=18.5°、37.9°、50.8°、58.6°、62.1°、68.2°和71.9°处分别出现了较强的衍射峰，这些对应的是氢氧化镁晶体的(001)、(101)、(102)、(110)、(111)、(103)和(201)晶面的衍射峰。而碳纳米管的XRD谱线上，在2θ=26°附近出现了一个强峰，这是碳纳米管的特征XRD峰，对应的是碳纳米管的(002)晶面衍射峰。而在MH-CNTs的XRD谱线上同时出现了CNTs和MH的特征衍射峰。由于MH-CNTs经过了大量乙醇的洗涤，以除去可能对检测有干扰的杂质。由此可以说明，MH晶体以成功接于CNTs表面。
将MH-CNTs分散于乙醇中，超声分散后滴于铜网上制成TEM观察的试样，然后用Hitachi的H-800场发射透射电子显微镜观察MH-CNTs的形貌，如图所示。从图中可以看出，MH的粒径约为20nm，且以纳米级别均匀分布于CNTs表面，产物中无明显杂质。获得的MH粒径较小，且分散性较好。
一种聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物／氢氧化镁-碳纳米管复合阻燃材料的制备方法，其特征在于，按照下述步骤进行：
(1)将100重量份聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物和1-10重量份基于碳纳米管基体的单分散氢氧化镁纳米粒子置于密炼机中，升温至120-180℃，在30-100r／min的条件下混炼15-30min至混炼均匀；
(2)将(1)得到的混炼后的聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物复合材料放入平板硫化机中，以120-180℃，5-15MPa压力模压10-15min，制备成150×150×3mm的试样备用。
所述聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的醋酸乙烯酯链节含量为28％。
本发明的技术方案经过熔融混炼和热压成型制备的聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物／氢氧化镁-碳纳米管复合阻燃材料，较纯聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物，力学性能下降不明显，阻燃性能得到大幅提高，解决了聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物无卤阻燃体系裂化其力学性能的弊端。
附图说明
图1是MH、CNTs和MH-CNTs的XRD图谱
图2是MH-CNTs的TEM照片
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案：
实施例中使用的基于碳纳米管载体的单分散氢氧化镁纳米粒子的制备采用如下方案：称取0.2g碳纳米管和10g氯化镁加入到200mL乙醇中，充分搅拌后加入0.3g十二烷基苯磺酸钠超声分散，在分散好的悬浮液中加入0.6mL氨水。将该混合液转移至水热釜中，120℃下恒温反应8h。待反应结束后，将产物悬浮液用布氏漏斗抽滤，再使用乙醇反复洗涤，真空干燥，得到以碳纳米管为载体的单分散氢氧化镁纳米粒子，记为MH-CNTs。
实施例1
(1)将100g聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物和5g基于碳纳米管基体的单分散氢氧化镁纳米粒子置于密炼机中，升温至170℃，在60r／min的条件下混炼20min至混炼均匀；
(2)将(1)得到的混炼后的聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物复合材料放入平板硫化机中，以150℃，10MPa压力模压12min，制备成150×150×3mm的试样备用。
实施例2
(1)将100g聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物和2g基于碳纳米管基体的单分散氢氧化镁纳米粒子置于密炼机中，升温至130℃，在30r／min的条件下混炼18min至混炼均匀；
(2)将(1)得到的混炼后的聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物复合材料放入平板硫化机中，以140℃，5MPa压力模压12min，制备成150×150×3mm的试样备用。
实施例3
(1)将100g聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物和8g基于碳纳米管基体的单分散氢氧化镁纳米粒子置于密炼机中，升温至140℃，在35r／min的条件下混炼15min至混炼均匀；
(2)将(1)得到的混炼后的聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物复合材料放入平板硫化机中，以120℃，12MPa压力模压10min，制备成150×150×3mm的试样备用。
实施例4
(1)将100g聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物和10g基于碳纳米管基体的单分散氢氧化镁纳米粒子置于密炼机中，升温至180℃，在100r／min的条件下混炼30min至混炼均匀；
(2)将(1)得到的混炼后的聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物复合材料放入平板硫化机中，以110℃，15MPa压力模压15min，制备成150×150×3mm的试样备用。
对比例
(1)将100g聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物置于密炼机中，升温至150℃，在50r/min的条件下混炼20min至混炼均匀；
(2)将(1)得到的混炼后的聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物放入平板硫化机中，以120℃，10MPa压力模压15min，制备成150×150×3mm的试样备用。
本发明得到的聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物／氢氧化镁-碳纳米管复合阻燃材料可采用以下方式进行机械和阻燃性能评价：
用制样机制成5B型哑铃状样条(遵循标准GB／T1040-2006)，以200mm／min的速度在万能材料试验机上做力学性能测试。使用极限氧指数测定仪测定试样的极限氧指数。使用锥形量热仪测定试样的最大放热速率和引燃时间。
不同氢氧化镁-碳纳米管含量的聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的力学性能和阻燃性能
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物／氢氧化镁-碳纳米管复合阻燃材料的制备方法，其特征在于，按照下述步骤进行：
(1)将100重量份聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物和1-10重量份基于碳纳米管基体的单分散氢氧化镁纳米粒子置于密炼机中，升温至120-180℃，在30-100r／min的条件下混炼15-30min至混炼均匀；
(2)将(1)得到的混炼后的聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物复合材料放入平板硫化机中，以120-180℃，5-15MPa压力模压10-15min，制备成150×150×3mm的试样备用；
其中所述的基于碳纳米管基体的单分散氢氧化镁纳米粒子按照下述步骤进行：称取1-10重量份的碳纳米管，加入到含有100重量份的镁盐的乙醇溶液中，充分搅拌分散后加入0.1-10重量份的表面活性剂，超声分散后在分散好的悬浮液中加入50-100重量份氨水，将该混合液转移至水热釜中恒温反应，待反应结束后进行后续处理，得到基于碳纳米管基体的单分散氢氧化镁纳米粒子；所述聚乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的醋酸乙烯酯链节含量为28％。
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