氢氧化镁阻燃剂的制备及在塑料中的应用
河北镁熙生物有限公司表示，氢氧化镁是一种环境友好型绿色无机阻燃剂，具有良好的阻燃、抑烟和填充效果，其分解温度高且分解时不会产生有毒有害污染物，同时氢氧化镁可以与其他阻燃剂协同使用，达到更高的阻燃效果。目前对氢氧化镁阻燃剂阻燃塑料的研究多集中在用量、改性、粒径及复配等方面。
氢氧化镁的阻燃机理
氢氧化镁具有特殊的层状结构，使其呈现优良的触变性和低表面能，对塑料起良好的阻燃、消烟等作用。氢氧化镁在340℃开始受热分解为氧化镁和水，完全分解时温度可高达490℃，分解时吸收大量热能。具体阻燃机理为：
(1)氢氧化镁具有较大热容，在受热分解时吸收大量的热量，同时释放出大量水蒸气，不仅降低了材料表面的温度，而且可以减少可燃性小分子物质的生成。
(2)受热分解产生大量水蒸气还可覆盖材料表面，降低燃烧面空气中氧浓度，从而妨碍材料的燃烧。
(3)氢氧化镁受热分解生成的氧化镁是一种良好的耐火材料，其不仅能够覆盖在材料表面，还能够促进聚合物材料炭化，形成炭化层阻挡热量和空气进入，从而有效阻止燃烧。
(4)氢氧化镁具有氧化还原反应催化剂作用，能够促进燃烧过程中CO转化为CO2;分解产生的氧化镁可中和燃烧过程中产生的SO2、CO2及NO2等，从而减少有毒有害气体的释放。
氢氧化镁阻燃剂的制备
1物理粉碎法
物理粉碎法是采用机械或者超声的方法将天然矿物(多为水镁石)进行粉碎和超细粉碎，得到所需粒度范围内氢氧化镁的方法。采用物理粉碎法制备氢氧化镁虽然工艺简单、成本较低，但是制备的氢氧化镁纯度较低、粒度分布不均，因此通常需要采用特殊研磨方式或在研磨过程中添加助磨剂(或分散剂)获得品质较高的氢氧化镁。
采用行星式球磨机在不同球磨工艺参数下对水镁石进行超细研磨，获得了粒度较均匀的氢氧化镁。获得的氢氧化镁提升聚酯材料的阻燃性能。以物理粉碎法获得氢氧化镁的方式对环境污染小，但是产生的氢氧化镁颗粒较大且不均匀需要进行超细化处理，而且杂质较多纯度不高，因此其在工业上的应用和发展受到较大限制。
2化学固相法
固相法制备氢氧化镁是将固态的金属盐和金属氢氧化物按照一定的比例混合，经过研磨和煅烧，发生固相反应从而得到氢氧化镁产物的过程。该方法具有工艺简单、成本较低等特点，但也存在产品纯度较低、易团聚、分散性能较差等缺陷，在实际大规模工业化生产中应用较少。
3化学气相法
气相法制备氢氧化镁是以氨气作为沉淀剂，将氨气直接通入含有Mg2+的溶液中制备氢氧化镁。以气相法制备氢氧化镁，其品质受氨气流量、搅拌强度及反应温度等因素的影响。
以水氯镁石和氨气为原料，在搅拌强度为30r/min、氨与镁物质的量比为2:1、氨气加入流量320mL/min、陈化时间90min、反应温度60℃时，制得的氢氧化镁纯度为99.60%，白度为99.34。
以白云石矿为原料，采用先煅烧再蒸氨后氨气沉淀法制备氢氧化镁。在反应温度100℃、反应时间3.5h、NH4+与白云石灰物质的量比4.2:1时，镁离子的转化率最高。通过气相法制备氢氧化镁阻燃剂过程中因氨浓度稳定，制得的产品具有纯度高、粒径均匀和分散性能较好等优点;同时通入氨气过程中不引入水分，得到的氢氧化镁浆浓度高，生产过程中占地面积小，单位设备产率较高，但是对设备和技术的要求较高，也容易产生氨气扩散污染环境的问题。
4化学液相法
液相法制备氢氧化镁是以镁盐为主要原料，将其与含氢氧根离子(OH-)的碱性物质进行反应，生成氢氧化镁沉淀，再经洗涤、干燥等得到制品。液相法可分为直接沉淀法、溶剂热及水热法、沉淀-共沸蒸馏法、超声化学法及微波辅助法等。
5直接沉淀法
直接沉淀法也称为碱法，是将镁溶液直接与碱性沉淀剂或者沉淀剂前驱物反应生成氢氧化镁的方法，根据沉淀剂种类的不同可分为石灰法、氨法、氢氧化钠法和氢氧化钙法等。在氢氧化镁常规类型原料外增加氯化钠作为辅助添加剂，采用直接沉淀法合成了纯度更高、粒度更为均匀的氢氧化镁。直接沉淀法简单易行，对设备和技术要求较低且不易产生杂质，但其反应条件影响最终产品性能，氢氧化镁制备原料浓度、反应过程、反应时间、温度、搅拌速率等都是当前研究的重点。
6溶剂热及水热法
溶剂热及水热法是一种易于控制氢氧化镁尺寸和分散度的化学合成法。该方法在高温高压下使氢氧化镁性质改变，原料中镁盐与碱性物质进行充分反应和结晶，形成颗粒更均匀、分散性更高的氢氧化镁。探究有机溶剂-水热法制备球形氢氧化镁阻燃剂的方法。结果表明：当有机溶剂质量分数为35%、水热反应温度为190℃、反应时间为5h时，可制得杂质含量低、分散性高、晶形好的球状氢氧化镁颗粒。当前对溶剂热及水热法的研究主要集中于提高氢氧化镁产品的性能，如添加不同类型有机物溶剂或添加剂、合理调整化学反应时间、反应温度等。
7沉淀-共沸蒸馏法
沉淀-共沸蒸馏法可以改善常规制备氢氧化镁的过程中的团聚现象。原理是一般沉淀物颗粒之间充满水分子，直接干燥容易导致颗粒在毛细管压力作用下产生硬团聚，共沸蒸馏法通过利用醇类等有机物和水在一定温度下形成共沸物，从而将氢氧化镁胶体中的水分脱除掉，进而改善其分散性，获得分散性能良好的产物。
8超声化学法和微波辅助法
超声化学法与微波辅助法都属于新型氢氧化镁阻燃剂制备工艺，其中超声化学法是在极限条件下引发的化学反应，主要靠超声波引发微泡的形成和坍塌，使其在高温高压下产生活性位点，从而增强化学反应速率，确保氢氧化镁颗粒形貌更均匀、统一。
通过超声辅助水化法，以活性氧化镁为原材料，在超声功率为450W、水化2h的条件下，制得粒径和分散度良好的氢氧化镁阻燃剂。该方法的研究主要侧重于对超声波功率、产品性能等方面，可强化超声化学法制备氢氧化镁阻燃剂的综合优势。超声化学法无须进行反应过程的压力控制，综合反应速度更快，反应温度相对较低，过程控制更具优势。
基于常规波模拟程序基础提出微波辅助法。将均相沉淀法和微波辅助法融合应用，以硫酸镁、NH3·H2O-NH4Cl缓冲溶液为原料，合成了花瓣状且花瓣片厚度约40nm的纳米氢氧化镁。采用微波技术制备氢氧化镁，能量消耗相对较少，且不会对环境造成严重污染。同时微波辅助法加热形式能够有效缩短氢氧化镁化学反应时间，让样品溶液内部形成更为均匀的高温状态。微波辅助法可以与水热法等进行融合使用，进一步探索氢氧化镁阻燃剂制备的新型方式和深层应用价值。
氢氧化镁阻燃剂在塑料领域中的应用
1氢氧化镁阻燃剂在PP中的应用
PP具有低毒性、低成本、良好的电绝缘性、较好的加工性和耐化学腐蚀性，满足汽车、建筑等领域的应用要求。但是PP易燃烧，燃烧速度快，燃烧过程中产生熔融液滴，并且释放大量有毒烟雾，因此提高PP的阻热性能很重要。
以硫酸镁、氨水和活性炭为原料制备活性炭改性氢氧化镁阻燃剂，并将其应用到PP聚合物。结果表明：将改性氢氧化镁阻燃剂应用到PP中，PP的极限氧指数(LOI)由19.6%提高至28.9%，明显改善其阻燃性能。
采用硬脂酸对氢氧化镁阻燃剂进行表面改性，确定了最佳改性工艺条件，并将改性的氢氧化镁与PP混合压板制成了氢氧化镁/PP复合材料，考察了复合材料的力学性能和热稳定性。结果表明：改性氢氧化镁的添加虽然降低了PP的拉伸强度和断裂伸长率，但使PP的冲击强度增加了54.55%，热分解温度从290℃提高至380℃。
研究传统沉淀法和超重力沉淀法制备的未改性氢氧化镁和改性氢氧化镁，对PP/氢氧化镁复合材料的阻燃性能和力学性能的影响。结果表明：添加氢氧化镁后PP的阻燃性能提高，但其力学性能下降;超重力沉淀法制得的氢氧化镁比传统方式制得的氢氧化镁对PP的阻燃性和力学性能提升效果更好;改性的氢氧化镁与PP之间的界面黏结性增强，在PP中的分散性提高，显著改善了PP的阻燃性能和力学性能。
采用单一改性剂十二烷基磷酸酯(DDP)和复合改性剂DDP/硅烷偶联剂对氢氧化镁进行改性，将改性氢氧化镁与PP基体混炼加工得到复合材料。结果表明：添加氢氧化镁显著改善了复合材料的热稳定性，提高阻燃性能，降低了对PP基体力学性能的损失程度。
虽然氢氧化镁的添加能提高PP的阻燃性能，但是也存在一定问题：
(1)在氢氧化镁的添加量达到55%时，PP的LOI值才达到难燃材料起始线，但此时PP的力学性能较差。
(2)采用红磷作为脱水促进剂可降低氢氧化镁的添加量，使PP保持较好的力学性能，但是红磷的颜色较深，限制阻燃PP在多种产业中的应用。
(3)氢氧化镁的纯度和粒径直接影响PP的热稳定性，但是粒径较小的氢氧化镁产生严重团聚现象，需要采取有效方式对氢氧化镁进行表面处理。
2氢氧化镁阻燃剂在聚苯乙烯(PS)中的应用
PS具有价格低、易加工、防腐蚀、抗冲击能力强、耐用性好等特点，广泛应用于建筑、装饰、电气、交通等行业。PS的LOI值较低，易燃烧、离开火源后可继续燃烧，在燃烧过程中释放大量热量、有毒烟气，产生严重熔滴，限制其广泛应用。
在PS中添加氢氧化镁，研究其阻燃效果的改变。结果表明：随着氢氧化镁添加量的增加，PS热降解过程中产生的CO2不断减少，残炭量急剧上升，挥发物和半挥发物含量增多，说明氢氧化镁的加入改变了PS的阻燃性，提高了其燃烧温度，改变了其燃烧机理。
采用表面活性剂十二烷基苯磺酸钠对氢氧化镁进行改性，并将改性氢氧化镁与PS制成复合材料。结果表明：改性氢氧化镁与PS相容性较好，明显改善了PS的阻燃效果，在氢氧化镁添加量为60%时，复合材料的阻燃效果最佳。
将PS与经过表面改性的纳米氢氧化镁进行熔融复合，制得了PS/纳米氢氧化镁复合材料，并研究该复合材料的燃烧行为。结果表明：改性纳米氢氧化镁在PS基体中团聚减少，分散更加均匀，添加到PS中使PS的阻燃性能得到明显改善。当纳米氢氧化镁用量为60份时，复合材料燃烧过程中不再滴落;纳米氢氧化镁用量为100份时，复合材料能够自熄，材料的LOI值达到24.1%，水平燃烧级别可达FH-1级。
在PS中加入十二烷基苯磺酸钠改性的氢氧化镁阻燃剂，制成阻燃PS复合材料，并分析复合材料的力学性能、热稳定性以及阻燃性能。结果表明：改性氢氧化镁阻燃剂在PS基体中分散性能良好，制得的复合材料的LOI值较纯PS提高44.3%，且燃烧速率变慢。虽然氢氧化镁阻燃剂能够提升PS的阻燃性能，但随着氢氧化镁加入量的增加，复合材料的力学性能逐渐降低，而且在潮湿环境中放置时间过长，发生返潮现象和分解，导致材料的阻燃性能明显降低，甚至发生变形或掉色。
2氢氧化镁阻燃剂在PVC中的应用
PVC也是一种常见的热塑通用塑料，广泛应用于薄膜、管道、墙板和电气材料(尤其是电缆绝缘护皮)等领域中，可以分为硬质PVC和软质PVC。硬质PVC添加的增塑剂量较少，其阻燃性能优于软质PVC。但PVC含有氯，燃烧分解时产生氯化氢气体，同时产生大量有毒有害烟雾，因此在提高PVC阻燃性的同时还需要关注PVC燃烧时产生的大量烟雾。氢氧化镁阻燃剂能够在提高PVC阻燃性能的同时减少有毒有害气体的排放，可应用于PVC复合材料中。
采用不同改性剂对氢氧化镁进行表面改性，并研究了改性氢氧化镁对PVC力学性能和阻燃能力的影响。结果表明：以硬脂酸锌为改性剂的改性效果最好，吸油值为33.39%，得到的氢氧化镁颗粒分散较均匀，团聚现象明显改善，且明显改善了PVC的阻燃能力，但是对PVC的拉伸强度造成了一定影响。
通过物理研磨的方法制备了超细氢氧化镁，使用硅烷偶联剂对其进行改性，将改性氢氧化镁加入PVC中制成复合材料，并对复合材料的热学性能以及燃烧性能进行研究。结果表明：氢氧化镁的加入能够使PVC复合材料LOI值明显上升，烟密度等级明显下降，热稳定性和残炭率显著提升，不会对PVC复合材料的硬度、密度和拉伸强度造成不良影响。
通过物理研磨的方法分别制备了3000目和6000目的氢氧化镁，其中对3000目的氢氧化镁进行改性，将3种氢氧化镁加入PVC中制成复合材料。结果表明：6000目氢氧化镁制备的PVC复合材料具有最优的综合性能，LOI值可达47.0%;热稳定性和最终残炭率明显改善，800℃残炭率最高为37.3%;烟密度明显下降为74.64%;拉伸强度和缺口冲击强度也有一定的改善，分别为28.9MPa和5.42kJ/m2。邱文
研究不同细度氢氧化镁对PVC的阻燃性能的影响。结果表明：氢氧化镁粒径越小，制得的复合材料的LOI值越高，最大烟释放和烟释放等级下降越明显。
3氢氧化镁阻燃剂在PE中的应用
PE具有优良的加工性、电绝缘性、力学性能以及耐高低温性能，被广泛应用于建筑、电气、医疗等行业，但其LOI值仅为17.4%左右，易燃烧，限制其应用范围。提高PE的阻燃性也是研究的热点，PE常用阻燃剂有卤素类、磷氮类、铝/镁类无机阻燃剂等，但氢氧化镁具有成本低廉、环境友好等特点而受到青睐。
以3种不同粒径的氢氧化镁作为阻燃剂，与PE混合制成复合材料，并对其力学性能、电学性能、热稳定性及阻燃性能进行研究。结果表明：氢氧化镁能明显提升PE的阻燃性和热稳定性，当氢氧化镁粒径为3.1μm时复合材料的综合性能最佳，其拉伸强度为16.1MPa、断裂伸长率为400%、LOI值为22.3%、热释放速率峰值(PHRR)为270kW/m2，体积电阻率为5.2×1013Ω·m。
采用三聚氰胺甲醛树脂对氢氧化镁进行改性，将其与PE熔融共混制备复合材料并对其进行研究。结果表明：较单纯氢氧化镁阻燃剂与PE制成的复合材料相比，改性氢氧化镁制得的复合材料的LOI值提高11%且抑烟效果更明显，拉伸强度和断裂伸长率分别提高至12.71MPa和45.07%。
采用复合改性剂对氢氧化镁进行改性，并应用于高密度聚乙烯(HDPE)。结果表明：制得的复合材料的阻燃性能明显提升，拉伸性能与纯HDPE相比无明显下降。
采用氢氧化镁和石墨烯复配作为复合阻燃剂与PE制备复合材料。结果表明：较单纯氢氧化镁作为阻燃剂，复配后的阻燃剂对PE的阻燃效果更高，LOI值提高了6.4%。虽然氢氧化镁作为一种绿色环保、阻燃效果优良、成本较低的阻燃材料，可广泛应用于塑料行业，但是由于氢氧化镁为添加型阻燃剂，需要大量添加才能够达到较高的阻燃要求。而且氢氧化镁具有强极性，亲水性强，在高分子中不易分散，易产生团聚，这会导致与塑料之间的相容性较差，制得的复合塑料的强度下降、加工性和流动性变差，限制其大规模应用于塑料产业。
因此，未来对氢氧化镁阻燃剂的研究方向具体包括：
(1)超细化研究。超细化的氢氧化镁作为阻燃剂不会降低塑料的力学性能，还能够对刚性粒子起增强作用，同时其表面积的增大会进一步增强阻燃性能。
(2)表面改性研究。采用合适的表面改性剂对氢氧化镁进行表面改性，改善其分散性，减少团聚现象的发生，稳定塑料的力学性能。
(3)复合阻燃剂的研究。开发与氢氧化镁适配的其他阻燃剂，达到降低氢氧化镁添加量的同时提高阻燃效果，也降低对塑料力学性能的影响。
(4)微胶囊技术。将氢氧化镁包埋或封存于高分子材料中，形成微胶囊阻燃剂，达到改善氢氧化镁相容性的目的，提高复合材料的阻燃性能和力学性能。
