纳米氧化镁的表面改性研究
纳米氧化镁的表面改性研究王桂萍;徐哲【摘要】The surface of nano magnesium oxide was modified with stearic acid,sodium stearate,sodium dodecyl sulfate,sodium dodecyl benzene sulfonate as modifier,and the modification effects of parameters such as different modifier types,temperature were evaluated by activation index and dispersivity,and the nano magnesium oxide samples were characterised by FTIR before and after modification.The results showed that modification effects of stearic acid and sodium stearate are significant,stearic acid has the best and sodium dodecyl benzene sulfonate has the worst modification effect of all these four.The modified nano magnesium oxide surface changed to hydrophobic from hydrophilic.The optimal operation condition is as follow:at 75℃,re action time50min,dosage of modifier stearic acid 5.2%.The activation index of modified nano magnesium oxide is 95.8%,dispersivity is 89.1%.There are chemical bonds formed between stearic acid and magnesium oxide.%采用硬脂酸、硬脂酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠4种物质做为表面改性剂对纳米氧化镁进行表面改性,考察了改性剂种类、温度等参数对纳米氧化镁改性效果的影响.应用活化指数、分散性评价改性效果,应用FTIR对改性前后纳米氧化镁进行了表征.结果表明:硬脂酸、硬脂酸钠对纳米氧化镁改性效果显著,硬脂酸改性效果最好,十二烷基苯磺酸钠改性效果最差.改性后的纳米氧化镁表面由亲水性变为疏水性.改性的最优工艺条件为:温度75℃,改性时间50min,硬酯酸用量5.2%,此条件下制得的改性纳米氧化镁的活化指数95.8%,分散性为89.1%.硬脂酸与纳米氧化镁的表面形成了化学键.【期刊名称】《沈阳理工大学学报》【年(卷),期】2017(036)004【总页数】5页(P49-53)【关键词】纳米氧化镁;表面改性;硬脂酸;活化指数【作者】王桂萍;徐哲【作者单位】沈阳理工大学装备工程学院,沈阳110159;沈阳理工大学装备工程学院,沈阳110159【正文语种】中文【中图分类】O614.22;TB321纳米氧化镁由于其颗粒细微化而具有不同于本体材料的热、光、电、力学和化学等特殊功能,是重要的新材料,在催化、陶瓷、无机抗菌剂、阻燃材料等方面具有重要应用价值,前景非常广阔[1-8]。
但是由于纳米MgO粒子表面能高、凝聚力强,易团聚,且表面具有亲水疏油性,与表面能比较低的基体的亲和性差,在非极性的聚合物中难于均匀分散,二者在相互混合时不能相溶,导致界面出现空隙,存在相分离现象,降低其使用性能。
因此,研究纳米MgO表面改性方法,提高其在有机聚合物中的相容性和均匀分散性是十分有意义的。
目前见报道的对纳米氧化镁的改性方法有制备时用有机大分子做分散剂以增强产物的分散性[9-10],也有使用偶联剂对纳米氧化镁表面进行改性的报道[11-13]。
长链有机酸或阴离子表面活性剂一端的长链烃基与有机高分子链有一定的相容性,另一端的羧基等极性基团可与无机粒子表面发生化学作用或物理吸附,从而有效地覆盖无机粒子表面,达到对纳米无机粒子的表面改性。
杨雪等[14]用Span60对电气石进行表面改性;韩跃新等[15]利用硬脂酸钠对碱式硫酸镁晶须的表面改性;吉丽等[16]利用硬脂酸和油酸对硬硼钙石进行表面改性。
以上研究证明,利用这些有机物对无机粒子的表面改性是有效的。
纳米氧化镁的等电点高达12.0,它的正电性很强,故在广泛的pH值范围内均可吸附阴离子。
本文选用硬脂酸、硬脂酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠4种物质为表面改性剂对纳米氧化镁表面改性,并研究改性效果,探索最佳改性工艺。
1.1 实验原料与仪器纳米氧化镁,实验室自制;硬脂酸(CR,天津市致远化学试剂有限公司);硬脂酸钠(AR,天津市致远化学试剂有限公司);十二烷基磺酸钠(CR,天津市凯信化学工业有限公司);十二烷基苯磺酸钠(AR,天津市河东区红岩试剂厂);无水乙醇(99.7%,天津市光复科技发展有限公司);二甲苯(CR,天津市博迪化工有限公司)。
DHG-9030A烘箱(无锡博奥试验设备有限公司);SHB-Ⅲ真空泵(郑州长城科工贸有限公司);79-HW1恒温磁力搅拌器(江苏省金坛市荣华仪器有限司);红外光谱仪ANALECT DS-20(北京普析通用仪器有限公司)。
1.2 实验方法1.2.1 表面改性方法对纳米无机粒子的表面化学改性是利用有机物分子中的官能团与无机粉体表面作用,改性剂分子通过化学键的作用力或物理吸附紧密包覆在粉体表面,使粉体表面有机化而达到表面改性的目的。
在一定温度条件下,选择硬脂酸、硬脂酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠4种物质分别对纳米MgO进行改性。
将一定量的纳米氧化镁分散在蒸馏水中,不断搅拌并加热到一定温度,按照改性剂占4.8%的比例将一定量的改性剂加入无水乙醇中,加热使表面改性剂溶解,在搅拌下缓慢滴加到纳米氧化镁水分散液中,一定时间后关闭搅拌器,对改性的纳米氧化镁进行冷却,抽滤,在100℃下干燥,得到改性纳米氧化镁。
1.2.2 活化指数的测量活化指数指在实验条件下,一定量的粉体样品在水中漂浮的量的质量分数。
活化指数可以反映粉体表面改性的程度。
活化指数值在0~1之间,对于无机粉体材料,此值越大,表明有机化改性的效果越好。
测量方法:称取0.5000g改性后的纳米氧化镁粉体加入50mL蒸馏水中,用玻璃棒搅拌5min,并静止2h以上,然后将沉淀于杯底的物料过滤,烘干,称量,活化指数的计算公式如下:活化指数=×100%1.2.3 分散性的测量量取5mL水和5mL二甲苯在试管中组成“水-二甲苯”体系,将0.5000g改性后的氧化镁粉体加入“水-二甲苯”体系中,经震荡后静止2h,未改性氧化镁会沉积在水相底部,小心倒掉上部的油相,抽滤并烘干沉积在水相中的氧化镁,并称量,由此计算出分散在二甲苯中的氧化镁质量。
因为氧化镁经表面改性后,表面由亲水性转变为亲油性,能够稳定分散于有机相中,故可用分散在二甲苯中的氧化镁质量占总质量的百分数来表征氧化镁的分散性。
2.1 活化指数评价改性效果活化指数是表征改性效果的重要指标。
未改性的纳米氧化镁表面是强极性的,与水分子具有强结合力,在水中自然沉降;利用有机改性剂对纳米氧化镁改性,改性剂的极性基团可以与氧化镁的表面发生化学作用或物理吸附而在纳米氧化镁表面形成一层包覆层,包覆层中有机物的亲油基非极性长链朝外,改性后的纳米氧化镁表面呈非极性,具有较强疏水性,在水面上会漂浮不沉降。
在不同温度下,使用硬脂酸、硬脂酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠4种物质做为表面改性剂制备的改性样品的活化指数测量结果见表1。
由表1可见,改性剂种类和温度对活化指数都有影响。
硬脂酸用作改性剂制得的改性纳米氧化镁的活化指数最高,在实验条件下可以达到88%。
硬脂酸改性效果最好,硬脂酸钠次之,十二烷基磺酸钠再次之,十二烷基苯磺酸钠改性效果最差。
这是因为硬脂酸的酸性导致它更易与纳米氧化镁表面结合。
硬脂酸及其钠盐的有机链更长,对纳米氧化镁表面的修饰作用更好。
另一方面,羧基基团比磺酸基团和苯磺酸基团体积小,更易与纳米氧化镁结合,改性效果更好。
从温度来看,随温度升高,活化指数呈现出先增高、再减小的趋势,这是因为改性剂在达到最佳改性温度时,它们在氧化镁表面的吸附效果最佳,表面的有机化程度最好;当温度继续上升,会使吸附在氧化镁表面的改性剂解吸,改性的效果降低,导致活化指数下降。
2.2 分散稳定性评价改性效果按1.2.3中的方法,测量在等体积的水-二甲苯体系中,二甲苯中纳米氧化镁悬浮的量,以此表征改性纳米氧化镁的分散性。
未改性的纳米氧化镁只能分散于水中而不能分散于有机相二甲苯中。
改性纳米氧化镁表面呈疏水亲油性,使其更易于与有机溶剂结合而悬浮于其中。
在有机相中的含量越高,表明改性效果越好。
在不同温度下,制备的改性纳米氧化镁样品的分散性的测量结果见表2。
由表2可以看出,表面改性剂和温度对改性纳米氧化镁的分散性都有影响。
同一温度下,硬脂酸改性的纳米氧化镁在二甲苯中悬浮的最多,在70℃时达87.5%,改性效果最好;硬脂酸钠改性的效果次之;十二烷基苯磺酸钠的改性效果最差。
同一种改性剂制得的改性纳米氧化镁,随温度的升高悬浮量先增大再减小,70℃左右在有机相中分散稳定性最好。
这一结果与活化指数的评价结果一致。
2.3 改性工艺条件优化在单因素研究的基础上,以硬脂酸为表面改性剂,选取温度、改性剂用量、改性时间三因素为考察因素,每种因素选择四个水平,选用L16(45)正交实验表进行正交实验。
每组实验使用2.000g纳米氧化镁进行改性,考察指标为活化指数和分散稳定性,因素水平表见表3。
经正交试验得出结论:对于活化指数,实验范围内最优水平组合为温度75℃,改性时间为50min,改性剂用量0.1100g;对于分散稳定性,最优水平组合为75℃,改性时间为50min,改性剂用量0.0800g;综合分析正交实验结果得出用硬脂酸对纳米氧化镁进行表面改性的最佳工艺条件:温度75℃,改性时间50min,改性剂用量5.2%,在此条件下制得的样品的活化指数达到95.8%,分散稳定性达到89.1%。
2.4 改性前后纳米氧化镁的FTIR未改性纳米氧化镁、硬脂酸、纳米氧化镁和硬脂酸的机械混合物及在最佳工艺条件下制备的改性纳米氧化镁的红外光谱图如图1所示。
由图1可以看出,硬脂酸改性纳米氧化镁的谱图与纳米氧化镁的谱图和硬脂酸与纳米氧化镁的机械混合物的谱图有显著的区别。
纳米氧化锌的制备和表面改性
1 实验部分
1. 1 主要试剂与仪器
试剂 : ZnSO4 ・7H2 O , NaHCO3 , 硬脂酸 ,异丙醇 , 无水乙醇 ,正己烷 。以上试剂均为分析纯 。 仪器 : 79 - 1 磁力加热搅拌器 ; XD - 2 型 X 射线 衍射 仪 ; KQ3200DB 型 数 控 超 声 波 清 洗 器 ; MAG2 NA550 ( Ⅱ)型傅里叶变换红外光谱仪 ; SNB - 1 数字 式黏度计 。 [3] 1. 2 室温固相法制备纳米氧化锌 以物质的量比为 1 ∶ 1 准确称取 ZnSO4 ・7H2 O 和 NaHCO3 ,置于玛瑙研钵中 , 充分研磨 30 m in。当 研磨约 5 m in 时会出现黏稠现象并有气泡产 生 , 20 m in 后逐渐干爽 。将所得混合物洗涤 、 分离 ,并在 80 ℃ 下真空干燥数小时 , 得前驱物 ZnCO3 。 将前驱
起的吸收峰 。这些微弱的吸收峰表明 能存在着微量的 ZnCO3 。
[7]
, 产物中可
图 2 纳米氧化锌及其前驱物红外光谱图
2. 3 纳米氧化锌表面改性机理探讨和改性条件
优化 图 3 为纳米氧化锌改性前后红外光谱图 ( a 为 改性后 ; b为改性前 ) 。由图 3 可以看出 , 改性前后 纳米氧化锌在 3 300 ~3 600 cm 处均出现 OH 伸 缩振动吸收峰 ,改性后的吸收明显减弱 ; 改性后 , 在 - 1 - 1 2 800 ~3 000 cm 和 1 450 ~1 550 cm 处分别出现 了 CH2 (亚甲基 ) 和 COO 的伸缩振动吸收峰 , 游离 羧基 ( COOH ) 中 的 羰 基 伸 缩 振 动 特 征 吸 收 峰 在 处 并 未 出 现 , 结 合 在 3 300 ~ 3 600 cm 氧化锌羟基和硬脂酸的羟基吸收峰大大 减弱 ,表明硬脂酸的羧基与纳米氧化锌粉体颗粒表 [8] 面的羟基发生了酯化反应 。
复合改性剂对氢氧化镁的表面改性研究
产品性 能优 良, 在石 蜡 中分散 性 良好 , 红外 光谱显 示表 面改性 剂分子 在 氢氧化镁 表 面发 生化 学
吸 附。
( P E G) 6 0 0 0 c o mb i n a t i o n a l s u r f a c t a n t a s mo d i i f e r .Mo d i i f e d e f f e c t s w e r e e v a l u a t e d b y m e a s u r e m e n t
Z HU Xi n b i n g , CAO Ch a n g n i a n , L I Ha n x u e , LI Gu a n g h o n g , T I AN J i a x i n g
( 1 . S c h o o l o f C h e m i c a l E n g i n e e r i n g , Q i n g h a i U n i v e r s i t y , X i n i n g 8 1 0 0 1 6 , C h i n a ; 2 .S c h o o l o f F o r e i g n L a n g u a g e s , T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , T a i y u a n 0 3 ( I P _ A , C h i n a )
wa s r e s e r c h e d b y me a ns o f I R. Or t h o g o n li a t y e x p e r i me n t r e s u l t s s h o we d t ha t t h e p r o d uc t s wi t h e x c e l —
沉淀法制备纳米氢氧化镁
沉淀法制备纳米氢氧化镁的工艺探讨摘要:纳米氢氧化镁是片状结晶,具有典型的纳米片层状结构,在340℃分解而生成氧化镁。
不溶于水,溶于酸和铵盐溶液。
该产品具有纯度高、粒径小,可进行原位包覆改性等优异性能,能更均匀地分散于PA、PP、ABS、PVC等橡胶、塑料产品。
以硫酸镁和氨水为原料,在微波辐射的反应条件下,利用直接沉淀法合成纳米氢氧化镁,并分别考察了不同氨水浓度、硫酸镁溶液浓度、反应时间、微波辐射间歇对氢氧化镁颗粒粒径的影响,并通过XRD、TEM对产物的结构和形态进行表征。
关键词:氢氧化镁;直接沉淀法;纳米Abstract:Nano magnesium hydroxide is flaky crystal, with a typical slice layer structure. Magnesium oxide is generated in the decomposition of Nanomagnesium hydroxide at 340 ℃. It is insoluble in water, soluble in acidand ammonium salt solution. The product has excellent properties suchas high purity, small particle size, modified in situ coating. It can bemore evenly dispersed in the PA, PP, ABS, PVC and other rubber andplastic products. With magnesium sulfate and ammonia as rawmaterials in the microwave radiation conditions, nano magnesiumhydroxide is generated using direct precipitation method. Nanomagnesium hydroxide particle diameter size is investigated in differentconcentration of ammonia, concentration of magnesium sulfate,reaction time, microwave radiation frequency. The structure andmorphology of the as-prepared samples were examined using XRD andTEM.Keyword:Magnesium hydroxide; direct precipitation; Nano1引言1.1纳米氢氧化镁的物化性质纳米氢氧化镁是指通过特殊方法和工艺制备的粒径介于1~100nm的新型氢氧化镁。
碱式氯化镁纳米棒的制备和表征
纳米棒。通过 X射线衍射 ( R 、 X D) 扫描 电子显微镜 ( E 和选 区电子衍射 ( A D) S M) S E 对产 物进行 了分析与表征 , 考
察 了氯化镁溶液的初始浓度 、 氧化镁与氯化镁的物质 的量 比、 反应 温度 、 陈化 时间 、 陈化 温度和 溶剂等物 质的量参
数 对 产 品 形 貌 的 影 响 , 到 的 最 佳 工 艺条 件 为 : 得 氯化 镁 溶 液 的 初 始 浓 度 为 4m lL, 化 镁 与 氯 化 镁 的物 质 的 量 比 o / 氧
度 在 3~ lL范围 内 , 可 以得到 碱式 氯化镁 纳 4mo / 都
米 棒 。当氯 化镁 溶 液 初 始 浓 度 为 3 m LL时 , 的 o/ 棒
直 径较粗 , 为 40n 棒 的长度 也较 长 ; 约 0 m, 当氯化 镁
溶 液初 始浓度 为 4m lL时 , 到 的棒直径 约 为 2 0 o / 得 0
2. : 1 5 .
Ke y wor s: a i g e i d b sc ma n sum h o d ;n n rds ;p e a ai n ;m o h l g c lr e i a oo rp rt o p r oo y
碱式氯化镁是一种具有低导热性和高阻燃性的 纤维 状 晶体 。因其 良好 的机 械 、 学 和 弹性 性 能 而 声 广泛 应用 于聚合 物阻 燃 、 张填 料及 防火涂 料 中 ; 纸 它
化 镁溶 液 的初始浓 度 、 氧化 镁 与 氯 化镁 的物 质 的量 比、 反应 温度 、 陈化 时 间 、 陈化 温 度 及溶 剂 等 制 备工 艺参 数对 产 品形貌 的影 响 。
40M (OH)C1・4氯 镁1 z 1Ca: 1 验 。 制 出 的 H2 Mgo(OH)8 1 。 实 部 H g 备、三 形 5 式 0、 ‘ 2 化 分 2 3 皑 H
氧化镁气凝胶的制备工艺及应用现状
氧化镁气凝胶的制备工艺及应用现状摘要:随着高新技术的发展,SiO2气凝胶的研究拓展到Al2O3、ZrO2等氧化物气凝胶,但其耐高温性不足,抑制气凝胶在高温催化、高温热防护等领域应用。
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关键字:氧化镁;气凝胶;制备工艺;应用中图分类号: TB34 文献标志码:A氧化镁是环境友好型的弱碱,具有轻质、无毒无味、耐热耐腐蚀、吸附能力较高和缓冲性能较强等独特功能,广泛应用于环境保护[1-2]、催化吸附剂[3-4]等领域。
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目前,通过溶胶-凝胶、超临界干燥制备出高比表面积、耐高温的多孔氧化镁气凝胶,扩展其应用领域,成为近几年研究的热点。
与SiO2[5]、Al2O3[6]气凝胶合成方法相类似,MgO气凝胶可选有机镁盐和无机盐为前驱体,因促凝胶凝剂不同,反应机理和影响因素有所差异。
本文重点介绍了MgO气凝胶的制备方法、反应机理、原料种类、用量凝胶促进剂等对气凝胶的比表面积、凝胶时间的影响和改性方法,着重总结镁醇盐法、环氧化合物法的优缺点,从二元到三元复合改性进展,以望对氧化镁气凝胶的工业化应用研究有所裨益。
1镁醇盐法1.1反应机理镁醇盐法制备出具有纯度高、比表面积大、粒径分散均匀等优点的MgO气凝胶。
以有机镁盐为前驱体,经水解、缩聚反应,得到无序、连续网络骨架结构的醇凝胶,经陈化、超临界干燥等处理,得到MgO气凝胶。
水解反应是在非水溶液通过加水作为催化剂,镁醇盐R-O-Mg-O-R水解形成具有Mg-OH结构的羟基化过程。
氢氧化镁阻燃剂的表面改性及应用研究
氢氧化镁阻燃剂的表面改性及应用研究【摘要】用硅烷和钛酸酯偶联剂分别对氢氧化镁阻燃剂进行表面改性并将其加入聚丙烯中制备阻燃复合材料,研究不同表面活性剂改性的氢氧化镁阻燃剂的效果,并测试所制备的阻燃复合材料阻燃性能和力学性能。
结果表明,硅烷偶联剂表面改性后的氢氧化镁能更好改善复合材料的力学性能,显著提高聚丙烯的阻燃性能。
【关键词】氢氧化镁;阻燃剂;表面改性0 引言氢氧化镁(MH)是近年来研发的一种新型无公害阻燃剂,具有分解温度高、热稳定性好、价格便宜等优点,被广泛应用于聚合物阻燃[1-2]。
但其阻燃效率较低,且作为极性无机物,与高聚物相容性较差,在聚合物基材中分散不均[3-4],会破坏材料的力学性能。
通过对MH 的表面处理,改善其在聚合物中的分散性,提高复合材料的力学性能和阻燃性能。
本实验分别选用KH-550和NDE-31为改性剂,对氢氧化物阻燃剂粉体进行表面改性,并将改性后的MH阻燃剂加入聚丙烯(PP)中制备阻燃复合材料,研究其改性效果。
1 实验部分1.1 实验药品、仪器1.1.1 药品氢氧化镁阻燃剂由广州延瑞化工有限公司提供;无水乙醇,分析纯,购自嘉兴国药集团化学试剂有限公司;硅烷偶联剂KH-550、酞酸酯偶联剂NDE-31来自嘉兴精博化学品公司;聚丙烯(PP)购自嘉兴龙源物质有限公司;去离子水,自制。
1.1.2 仪器循环水式多用真空泵SHB-Ⅲ,郑州长城科工贸有限公司;分析天平,梅特勒一托利多仪器有限公司;平底加热磁力搅拌器ZNCL-BS,河南爱博特科技有限公司;高速剪切乳化机,无锡诺亚机械有限公司;恒温水浴锅DK-S24,上海精宏实验设备有限公司;高速混合机,JYHG-100W,深圳市嘉源科创塑料机械有限公司;注塑成型机,FTN-90B,浙江申达机器制造有限公司;双螺杆挤出造粒机,SHJ-20,南京格兰特橡塑公司;变频电机万能试验机,JH-20KN,上海简支仪器设备有限公司;氧指数测定仪,HC-2,南京市江宁区分析仪器厂。
氢氧化镁阻燃剂表面改性技术研究进展
氢氧化镁阻燃剂表面改性技术研究进展作者:赵丽盖广清王立艳毕菲肖珊珊来源:《当代化工》2015年第09期摘要:氢氧化镁具有阻燃、抑烟、填充的三大功能,是一种新型的绿色环保无机阻燃剂,具有广泛的用途。
介绍了氢氧化镁阻燃剂的特点、阻燃机理,重点阐述了氢氧化镁表面改性技术的现状,展望了氢氧化镁阻燃剂表面改性的研究方向。
关键词:氢氧化镁;阻燃剂;表面改性中图分类号:TQ 132.2 文献标识码: A 文章编号: 1671-0460(2015)09-2242-04Abstract: As new green and environment-friendly inorganic flame retardant, magnesium hydroxide has three functions including inflaming retarding, smoke abatement and filling, so it has been widely applied. In this paper, property characteristics and flame retardant mechanism of magnesium hydroxide flame retardant were introduced.The surface chemical modification methods of magnesium hydroxide were mainly expounded. And the development direction of the surface modification of magnesium hydroxide flame retardant was prospected.Key words: Magnesium hydroxide; Flame retardant; Surface modification高分子材料在生产生活中应用广泛,但易燃、防火性能差,未经阻燃或阻燃不合要求的高分子材料具有较大的安全隐患。
氢氧化镁晶须表面改性及应用研究
氢氧化镁晶须表面改性及应用研究
姜玉芝;韩跃新;印万忠
【期刊名称】《金属矿山》
【年(卷),期】2007(000)006
【摘要】为提高氢氧化镁晶须与基体材料的相容性,研究了氢氧化镁晶须的表面改性技术,结果表明:氢氧化镁晶须较适宜的改性条件是以硬脂酸钠为表面改性剂,改性剂用量2%(按晶须粉体干重计),料浆浓度5%,改性时间30 min,改性温度80 ℃,搅拌速度600 r/min.在此条件下,氢氧化镁晶须的活化指数可达到99%,接触角为108.6°.将改性后的氢氧化镁晶须添加到聚丙烯基体中制成复合材料,研究氢氧化镁晶须的增强和阻燃作用,并与水镁石粉体作添加剂进行对比,结果表明:前者氧指数提高4.7%,断裂强度提高64.71%,弯曲模量提高78.6%,断裂伸长率降低315.58个百分点.
【总页数】4页(P41-43,50)
【作者】姜玉芝;韩跃新;印万忠
【作者单位】沈阳理工大学,110168;东北大学;东北大学
【正文语种】中文
【中图分类】TD9
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氢氧化镁的表面改性及在聚丙烯中的应用研究
ns m h doiew s 5 ( t ) teoy e d xo o p sema r sw s3 . % , hl i et a cm ut n ei y rxd a % w% , h xgn i e fcm oi ti a 9 u 6 n t ea l 1 w i svrc l o b s o et i i
氢氧化镁 的用 量对 复合 材料阻燃性能和力学性能 的影 响。结果表 明 , 硅烷偶联剂表 面改性后 的氢氧化镁能更好改善复合材料 的力学 性能, 显著提高聚丙烯 的阻燃性 能 , 在用量为 6 %时 , 5 氧指数达到 3 . % , 19 垂直燃烧 特性 可达 U 4V一 L9 0级 。
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Re e r h o ur a e M o i c to f M a n su y r x d a e Re a da t s a c n S fc d f a i n o g e i m H d o i e Fl m t r n i a t pl a i n t l pr p l ne nd is Ap i to o Po y o y e c
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21 00年 3 8卷第ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ8期
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・0 13・
氢 氧 化 镁 的表 面 改性 及 在 聚 丙 烯 中的应 用研 究 冰
纳米阻燃氢氧化镁_聚氧化乙烯复合聚合物电解质
纳米阻燃氢氧化镁/聚氧化乙烯复合聚合物电解质李亚娟1,*詹晖2刘素琴1黄可龙1周运鸿2(1中南大学化学化工学院,长沙410083;2武汉大学化学与分子科学学院,武汉430072)摘要:合成了纳米氢氧化镁作为聚氧化乙烯(PEO)基聚合物电解质的增塑剂和阻燃剂,并对其进行X 射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和热重(TG)分析研究.制得的氢氧化镁为片状六方晶体,尺寸在50-80nm 之间,纳米氢氧化镁在340℃时开始热分解.对纳米氢氧化镁/PEO 复合聚合物电解质的电化学研究结果显示:纳米氢氧化镁/PEO 复合聚合物电解质的离子电导率随着添加纳米氢氧化镁的质量分数的增加先增大后减小,其在5%-10%之间时,复合聚合物电解质的离子电导率达到最大值.纳米氢氧化镁的添加使复合聚合物电解质的阳极氧化电位有一定程度的提高,纳米氢氧化镁具有改善PEO 阳极抗氧化能力的作用.关键词:锂离子电池;纳米氢氧化镁;阻燃;聚氧乙烯;聚合物电解质中图分类号:O646Nanosized Flame Retarded Hydroxide Magnesium/Poly(ethylene -oxide)Composite Polymer ElectrolyteLI Ya -Juan 1,*ZHAN Hui 2LIU Su -Qin 1HUANG Ke -Long 1ZHOU Yun -Hong 2(1College of Chemistry and Chemical Engineering,Central South University,Changsha 410083,P.R.China ;2College of Chemistry and Molecular Sciences,Wuhan University,Wuhan 430072,P.R.China )Abstract :We prepared nanosized hydroxide magnesium (Mg(OH)2)as a plasticizer and a flame -retarding additive for a poly(ethylene -oxide)(PEO)based polymer electrolyte.We characterized the prepared compound using transition electron microscopy (TEM),X -ray diffraction (XRD),and thermogravimetry (TG).The prepared hydroxide magnesium particles are hexagonal crystals with sizes of 50-80nm.The decomposition of the prepared nanosized hydroxide magnesium started at 340℃.Electrochemical measurements shows that the ionic conductivity of the Mg(OH)2/PEO composite polymer electrolytes (CPEs)increases initially and then decreases with an increase in hydroxide magnesium content.It reaches a maximum when the hydroxide magnesium mass fraction is between 5%and 10%.The anodic decomposition potential of the CPEs increases to a certain extent as the hydroxide magnesium content increases.Hydroxide magnesium has a positive influence on the electrochemical stability of PEO.Key Words :Lithium ion battery;Nanosized hydroxide magnesium;Flame -retarding;Poly(ethylene -oxide);Polymer electrolyte[Article]物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao )Acta Phys.-Chim.Sin .,2010,26(9):2387-2391目前,已经商品化的锂离子电池基本上采用有机液态电解液.而有机液态电解液沸点低,易燃烧,这就限制了锂离子电池的发展.采用不挥发的聚合物固体电解质是解决这一问题的有效途径之一.聚氧化乙烯(PEO)具有独特的分子结构和空间结构,它既能提供足够高的给电子基团密度,又具有柔性聚醚链段,因此,能够以笼囚效应有效地溶解阳离子[1],是目前研究得最广泛深入的锂离子聚合物固体电解September Received:January 15,2010;Revised:May 13,2010;Published on Web:June 23,2010.*Corresponding author.Email:yajuanlee@;Tel/Fax:+86-731-88879850.The project was supported by the National Science Foundation for Post -doctoral Scientists of China (20080440989)and Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (20090162120011).中国博士后基金(20080440989)和高等学校博士学科点专项科研基金(20090162120011)资助项目鬁Editorial office of Acta Physico -Chimica Sinica2387Acta Phys.-Chim.Sin.,2010Vol.26质体系.锂离子在PEO基聚合物电解质中的迁移过程可以认为是锂离子与氧官能团的配位与解离过程.在电场作用下,随着高弹态中分子链段的热运动,迁移离子与氧基团不断发生配位-解离.通过局部松弛和PEO的链段运动进行快速迁移.该运动主要发生在无定形相中,电导率比在晶相中高2-3个数量级[1].对于PEO聚合物电解质而言,由于锂离子的迁移主要是在聚合物的非晶区进行,而PEO易结晶,因此其室温或低于室温时的电导率比较低,大都小于10-6S·cm-1,限制了纯PEO聚合物电解质的应用.为抑制PEO结晶以提高聚合物电解质的离子电导率,目前采用的方法主要有:(1)通过与其他聚合物[2-5]或无机物[6-17]共混,以破坏PEO分子链排列的规整性,获得非晶结构,提高离子电导率;(2)通过形成无规共聚物[18]、嵌段共聚物[19]、梳形共聚物[20-22]、超枝化和星形聚合物[23-25]以及交联[26],以破坏PEO的结晶,提高离子电导率.PEO与无机颗粒特别是纳米级粉末进行复合是改善PEO基聚合物电解质性能最有效、最简单的方法.许多高比表面的颗粒如SiO2[10]、TiO2[11]、MgO[12]、Al2O3[13]、铁电材料BaTiO3和SrTiO3[14]、LiAlO2[15]、导电的碳黑[16]和AlBr3[17]等被作为填料加入聚合物基体中,制得的复合聚合物电解质(CPE)的机械性能和电化学性能方面都有明显提高.对于此类复合材料机械性能的提高,可用无机粉状材料填充高分子材料增强理论来解释.无机粉末粒子和聚合物分子链通过范德华力相互作用,形成一种三维网络结构,当聚合物分子链受到应力作用时,可以通过网络交联点将应力分散到其他分子链上,这样即使其中一根分子链断裂,其它链可以照样起作用,而不至于危及整体.加入无机填料后,CPE的电导率升高是因为:一方面填料与聚合物相互作用,尤其是纳米级的微粒能分散于聚合物分子之间,影响聚合物电解质在室温下的相组成,增大了体系的无定形相含量,提高了分子链段的蠕动能力[27];另一方面,填料作为Lewis 酸与锂盐负离子X-及PEO中的O等Lewis碱发生反应,减少Li+-X-离子对,增大了自由载流子的数目,而且也减弱了O-Li+相互作用,使锂离子更容易传输,从而增大了离子电导率.另外不论是物理改性还是化学改性PEO基聚合物电解质的主要成分还是聚醚链锻,通过理论计算PEO的氧指数(LOI)在17.5%左右.一般认为LOI≥27%的物质为阻燃性物质.据此可知PEO属于易燃物,所以提高其阻燃性也是至关重要的.因此填充的无机纳米颗粒如果具有阻燃性能,复合聚合物电解质的电化学性能和安全性能都会有很大的提高.氢氧化镁(Mg(OH)2)属于添加型无机阻燃剂,它的热分解温度高,初始分解温度为340℃,到490℃时分解完全[28].受热分解产生水,同时吸收大量热.吸热总量为44.8kJ·mol-1.它还能促进聚合物的成炭作用,形成保护层.与同类无机阻燃剂相比,在使高分子材料获得优良的阻燃效果之外,还能够抑制烟雾和卤化氢等毒性气体的生成.氢氧化镁在生产、使用和废弃物产生的过程中均无有害物质排放,是一种环境友好的绿色阻燃剂.本文制取了纳米级氢氧化镁,将纳米级氢氧化镁与PEO复合制取聚合物电解质.1实验部分1.1纳米氢氧化镁的制备采用沉淀法制备氢氧化镁.分别称取适量的Mg(NO3)2·6H2O(分析纯,上海试剂厂)和十二烷基磺酸钠(Aldrich)置于烧杯中,加入二次水,将烧杯于90℃水浴中搅拌使其溶解.另称取适量LiOH·H2O(分析纯,上海试剂厂)溶于水中,将LiOH溶液缓慢加入到上面的Mg(NO3)2溶液中,加入的同时迅速搅拌.保持混合物在90℃水浴中继续搅拌1h.将产物抽滤后置于真空干燥箱内80℃烘干.1.2复合聚合物电解质膜的制备采用溶液浇注法制备复合聚合物电解质膜.称取所需量的LiN(CF3SO2)2(LiTFSI)(Aldrich)和纳米Mg(OH)2,加入一定量的甲醇(分析纯,上海试剂厂)中,磁力搅拌4h分散均匀.按PEO中乙氧基与锂盐的物质的量之比为20∶1来称取PEO(MW=4×106, Aldrich),并加入到上述混合液中,继续磁力搅拌24 h.待物料混合均匀后,将其倒入聚四氟乙烯平底圆盘中.常温下,于通风橱中缓慢挥发溶剂,溶剂挥发完毕便得到复合聚合物电解质薄膜,然后将电解质薄膜转移到真空干燥箱中,在70℃真空干燥48h.将干燥好的膜放入充满氩气的手套箱内保存备用. 1.3离子电导率的测定电导率的测定使用的仪器是荷兰ECO CHEMIE公司生产的AUTOLAB PGSTAT12型电化学工作站.在充满氩气的手套箱中,将一定厚度的2388No.9李亚娟等:纳米阻燃氢氧化镁/聚氧化乙烯复合聚合物电解质聚合物电解质膜夹入两个面积为0.8cm 2的不锈钢阻塞电极之间,并密封.测量其交流阻抗谱.通过阻抗谱图拟合求出电解质膜的本体电阻R .根据公式σ=L /(R ·S )计算电解质膜电导率.式中σ为聚合物电解质膜的电导率;L 为电解质膜厚度;R 为聚合物电解质膜的本体电阻;S 为电解质膜面积.测试不同温度下电解质膜的电导率时,将待测体系在指定温度下恒温3h 以达到充分的热平衡.频率范围1-105Hz,电压振幅为5mV.1.4电化学稳定窗口的测定电解质的电化学稳定窗口是表征电解质的重要参数之一,由于锂离子电池使用具有高氧化电位的正极材料(一般大于4V),因此电解质必须具有宽的电化学稳定窗口.电化学稳定窗口测定采用的是上海辰华仪器公司生产的CHI600型电化学工作站.采用线性扫描法测量电化学稳定窗口,铂电极为工作电极,锂片为对电极和参比电极,电流突然增大的点所对应的电位即认为是聚合物电解质的电化学稳定窗口电位.扫描速率为1mV ·s -1.1.5性质表征X 射线衍射(XRD)测试采用的是日本岛津公司生产的XRD6000型X 射线粉末衍射仪,采用Cu 靶K α,加速电压为30kV,电流为30mA,扫描速率为4(°)·min -1,扫描范围10°-80°;采用JEM -2010型透射电子显微镜(TEM)(日本)对制得的氢氧化镁形貌进行观察.热重(TG)分析采用北京光学仪器厂生产的WCT -1A 型微机差热天平.温度范围是:室温-800℃,升温速率10℃·min -1.2结果与讨论2.1改性氢氧化镁的制备与表征图1是直接沉淀法合成的氢氧化镁的透射电镜照片,由图1可看出,制得的氢氧化镁具有片状六方形结构,并且尺寸在50-80nm 之间.图中氢氧化镁周围有尺寸只有几个纳米的小颗粒,可能是少量残留在样品中的十二烷基磺酸锂.图2是氢氧化镁XRD 图谱,其主峰完全符合六方Mg(OH)2晶体结构.谱图中2θ角为18.6°、32.8°、38.0°、50.8°、58.6°、62.1°、68.2°、68.8°和72.0°时分别出现的是(001)、(100)、(101)、(102)、(110)、(111)、(103)、(200)和(201)衍射峰.但(103)和(200)基本重合,说明部分氢氧化镁片状六方形结构不够完整,这从图1中也可以观察到部分氢氧化镁晶体不是规则的六方形.图3是氢氧化镁的热重曲线,在100℃以内约5%的失重主要来源于产物中物理吸附的水份的蒸发.340-390℃温度区间的失重是氢氧化镁的热分解失水过程.从热重曲线还可以看出,在200-250℃温度区间有个微弱的失重,主要来源于产物中残留的少量的十二烷基磺酸锂的分解.图3氢氧化镁的热重曲线Fig.3Thermogravimetric curve of Mg(OH)2图1氢氧化镁的透射电镜照片Fig.1TEM image of Mg(OH)2图2氢氧化镁的XRD 图谱Fig.2XRD pattern of Mg(OH)22389Acta Phys.-Chim.Sin.,2010Vol.262.2氢氧化镁/PEO 复合聚合物电解质的电化学性能图4是复合聚合物电解质PEO 20LiTFSI+氢氧化镁的电导率随氢氧化镁添加量的变化曲线,由图可知不论是在25℃还是60℃,复合聚合物电解质的离子电导率随氢氧化镁添加量的增加先增大后减小,在5%-10%之间达到最大值,这是因为改性氢氧化镁的加入抑制PEO 的结晶,使聚合物向易于离子传输的非晶态结构转变.纳米氢氧化镁添加量为15%时复合聚合物电解质的离子电导率虽然开始降低,但仍然高于没添加纳米氢氧化镁的纯PEO 聚合物电解质的离子电导率.而纳米氢氧化镁添加量达到30%时,复合聚合物电解质的离子电导率低于纯PEO 聚合物电解质的离子电导率.这说明纳米氢氧化镁的添加量过多反而会阻碍PEO 分子的链段运动,从而导致离子电导率降低.从图4还可看出,随着温度的升高相同组成的复合聚合物电解质的离子电导率先快速升高,60℃之后离子电导率升高趋缓.这主要是PEO 分子在60℃开始熔融,低于60℃时,随着温度提高,无定型相增加,故离子电导率增加.而高于60℃时,温度增加,无定型相的含量增加不明显,故离子电导率增加趋缓.图5和图6分别是复合聚合物电解质在25和80℃时的阳极氧化曲线.由图5和图6可以很清楚地看出,不论在25℃还是在80℃,纯PEO 聚合物电解质的阳极抗氧化电位约在4.5V,而添加了纳米氢氧化镁的复合聚合物电解质的阳极抗氧化电位有一定提高.这说明纳米氢氧化镁对提高PEO 聚合物电解质的电化学稳定性有很好的作用.研究者普遍认为无机粉末的加入,吸收了聚合物电解质中的杂质、氧气和残余水份,使这些活性小分子不能参与电极反应,从而使得聚合物电解质的阳极抗氧化能力得到提高[14].3结论纳米氢氧化镁/PEO 复合聚合物电解质中,随着纳米氢氧化镁添加量的增加,复合聚合物固体电解质的离子电导率先增加后减小,添加量在5%-10%之间,复合聚合物电解质的离子电导率达到最大值,添加量大于15%后,复合聚合物电解质的离子电导率低于未添加纳米氢氧化镁的纯PEO 聚合物电解质的离子电导率.同时,纳米氢氧化镁可提高PEO 聚合物电解质的阳极抗氧化能力,对提高聚合物电解质的电化学稳定性有很好的作用.这些研究结果图6复合聚合物电解质在80℃时的阳极氧化曲线Fig.6Anodic decomposition curves of the CPEsat 80℃图4不同温度下复合聚合物电解质离子电导率随氢氧化镁质量分数(w )的变化曲线Fig.4Ionic conductivity of composite polymer electrolyte as a function of hydroxide magnesium mass fraction (w )at different temperatures图5复合聚合物电解质在25℃时的阳极氧化曲线Fig.5Anodic decomposition curves of the CPEsat 25℃2390No.9李亚娟等:纳米阻燃氢氧化镁/聚氧化乙烯复合聚合物电解质表明,纳米氢氧化镁/PEO复合聚合物电解质相比纯PEO聚合物电解质的综合性能有很大提高.存在的主要问题是氢氧化镁在PEO中的分散性有待改善.合成更小颗粒的氢氧化镁,并通过在氢氧化镁颗粒表面接上一定的有机基团,是改善氢氧化镁颗粒在PEO中的分散性的重要方法,这也是我们以后关于纳米氢氧化镁/PEO复合聚合物电解质研究工作的重要内容.References1Armand,M.Solid State Ionics,1994,69:3092Glasse,M.D.;Idris,R.;Latham,R.J.;Linford,R.G.;Schlindwein, W.S.Solid State Ionics,2002,147:2893Park,Y.W.;Lee,D.S.J.Non-Cryst.Solids,2005,351:1444Itoh,T.;Hirata,N.;Wen,Z.Y.;Kubo,M.;Yamamoto,O.J.Power Sources,2001,97-98:6375Yu,X.Y.;Xiao,M.;Wang,S.J.;Zhao,Q.Q.;Meng,Y.Z.J.Appl.Polymer Sci.,2010,115:27186Li,X.L.;Guo,J.;Wu,Q.;Cheng,Y.;Long,Y.C.;Jiang,Z.Y.Acta Phys.-Chim.Sin.,2005,21:397[李雪莉,郭娟,吴强,程岩,龙英才,江志裕.物理化学学报,2005,21:397]7Sumathipala,H.H.;Hassoun,J.;Panero,S.;Scrosati,B.Ionics, 2007,13:2818Wang,L.S.;Yang,W.S.;Li,X.W.;Evans,D.G.Electrochem.Solid-State Lett.,2010,13:A79Rossi,N.A.A.;West,R.Polym.Int.,2009,58:26710Walls,H.J.;Zhou,J.;Yerian,J.A.;Fedkiw,P.S.;Khan,S.A.;Stowe,M.K.;Baker,G.L.J.Power 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