水滑石阻燃剂热相变行为及其热力学分析.pdf

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1、第３５卷，第１期光谱学与光谱分析Vol.３５，No.１，pp１４-１８２０１５年１月SpectroscopyandSpectralAnalysisJanuary，２０１５水滑石阻燃剂热相变行为及其热力学分析*张治青，廖梦尘，曾虹燕，徐圣，徐理华，朱培函，杨永杰湘潭大学化工学院，湖南湘潭４１１１０５摘要水滑石（LDH）具有阻燃、消烟、填充和热稳定性等功能，是无机阻燃剂的新品种，以尿素为沉淀剂制备Mg／Al摩尔比为４的镁铝水滑石（MgAl-LDH）阻燃剂。通过X射线衍射光谱（XRD）、傅里叶红外光谱（FT-IR）和热重-差示扫描量热法（TG-DSC）等表征手段，以及结合去卷积及曲线

2、拟合分析，研究了MgAl-LDH阻燃剂的热分解行为，探求其热相变规律，特别是热解相变过程中层板羟基（—OH）的存在形式和层２－间碳酸根（CO３）的配位变化，并从热力学角度对其热分解过程进行了分析讨论。XRD表征发现，随着温度２－的升高，LDH阻燃剂主体层板结构发生晶相转变，５００℃时层间CO３基本脱除生成镁铝双金属混合氧化物（Mg—Al—O），６００℃有杂相MgAl２O４尖晶石晶相生成。基于FT-IR和TG-DSC表征和曲线拟合分析，发现LDH阻燃剂主体层板—OH存在［Al—OH—Al］，［Al—OH—Mg］和［Mg—OH—Mg］三种形式，各结构单元中的—OH析出难易程度有所不

3、同，［Mg—OH—Mg］最难析出，［Al—OH—Mg］次之，而［Al—２－OH—Al］较易；层间CO３亦有三种配位方式，即桥联配位、单齿配位和双齿配位。从热力学角度对MgAl-LDH阻燃剂的热力学性质进行了估算，得到了Mg８Al２（OH）２０CO３晶体的吉布斯自由能（rGT）随温度变化θ的明确表达式。当温度（T）高于２２８.６５℃时，吉布斯自由能（rGT）小于零，MgAl-LDH发生分解Δ，层板中—OH析出过程是自发进行的。该结果与TG-DSC实验结果接近，表明热力学估算所得吉布斯自由能θ（rGT）与温度（T）的关系是可靠的。Δ关键词水滑石；阻燃剂；热分解；配位方式；热力学；晶

4、相转变中图分类号：O６５７.３文献标识码：ADOI：１０.３９６４／j.issn.１０００-０５９３（２０１５）０１-００１４-０５［４-６］算的研究还鲜有报道。采用XRD，FT-IR和TG-DSC等引言技术手段，探求LDH阻燃剂煅烧过程中热分解相变规律，阐明LDH热分解机理，并根据相变热力学探明其热分解过水滑石（LDH）是一类具层状双羟基复合金属氧化物的程中的相变规律，预测LDH热相变行为和特性，为其使用［１］新型无机功能材料，广泛应用于阻燃、催化、吸附等领域。和加工提供理论依据。特别是近年来在阻燃方面的研发应用受到极大关注，镁铝水滑石阻燃材料兼具Al（OH）３和Mg（OH）

5、２之阻燃优点，并１实验部分避免它们各自的缺陷，具阻燃、消烟、填充和热稳定性等多种功能，是一种高效、环保、消烟型无毒无卤的新型阻燃1.1水滑石阻燃剂的制备［２，３］－剂。热分解性能是阻燃剂最为重要的性能之一，研究其采用尿素法参照文献［７］，按urea／NO３摩尔比为４制热分解规律、能量变化等对确定阻燃剂使用极限、优化阻燃备Mg／Al摩尔比为４∶１的MgAl-LDH阻燃剂，记为LDH。材料加工工艺具有重要作用。前人已对LDH热解过程进行部分样品分别于２００，３００，４００，５００和６００℃下煅烧得了研究和探讨，其受热分解分为两个吸热分解阶段，经历脱MgAl-LDO，分别记为LDO-

6、２００，LDO-３００，LDO-４００，水、脱羟基、脱碳的分解过程，但热解过程中LDH层板—LDO-５００和LDO-６００。２－OH存在形式和层间CO３配位变化规律及其热力学数据估1.2表征方法收稿日期：２０１３-１２-０１，修订日期：２０１４-０４-０５基金项目：湖南省自科基金重点项目（１２JJ２００８），湖南省高校创新平台开放基金项目（１２K０４８），２０１２年湖南省大学生创新性实验计划项目（２０１２１０５３０）资助作者简介：张治青，１９８８年生，湘潭大学化工学院硕士研究生e-mail：zhangzhiqing.５６＠１６３.com*通讯联系人e-mail：hyzeng＠x

7、tu.edu.cn第１期光谱学与光谱分析１５采用日本理学D／MAX－３C型粉晶衍射仪进行XRD表近为表层吸附H２O及层间结晶H２O弯曲振动（-OHδ）特征－１－１２－征，CuK辐射α，扫描速度４°・min；采用美国PE公司峰。２３５６和２９３０cm附近为CO３与层间H２O的桥联配－１２－SpecrumQneB型傅里叶变换红外光谱仪进行IR分析（KBr位振动。１３８４和１０５４cm处分别对应LDH层间CO３的－１压片）；采用NETZSCH公司STA-４０９PC型热分析仪（TG-反对称伸缩振动（