氢氧化镁阻燃环氧树脂热降解性能研究

环氧树脂（Epoxy Resins）因其优异的机械性能、电气绝缘性能和化学稳定性，在航空航天、电子、汽车制造等多个领域得到了广泛应用。然而，环氧树脂本身具有较高的可燃性，这限制了其在一些对阻燃性能有严格要求的应用场合中的使用。氢氧化镁（Mg(OH)₂）作为一种无卤阻燃剂，因其阻燃效率高、无毒、无烟、无腐蚀性等优点，在改善环氧树脂阻燃性能方面展现出巨大的潜力。

探讨氢氧化镁对环氧树脂热降解性能的影响，通过优化氢氧化镁的添加量和表面改性方法，提高环氧树脂的阻燃性能，并分析其热降解机理。

实验材料与方法

实验材料

• 环氧树脂：作为基体材料。
• 固化剂：如二氨基二苯甲烷（DDM）或异氰酸酯固化剂。
• 氢氧化镁：作为阻燃剂。
• 硅烷偶联剂：如γ-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES），用于氢氧化镁的表面改性。
• 其他添加剂：如增塑剂、促进剂等。

实验步骤

1. 氢氧化镁改性：
• 将氢氧化镁分散于去离子水中，加入适量的硅烷偶联剂。
• 在一定温度下（如60°C）搅拌数小时，使硅烷偶联剂与氢氧化镁表面发生化学反应。
• 通过离心分离、洗涤、干燥等步骤得到改性氢氧化镁。
2. 复合材料制备：
• 将改性后的氢氧化镁与环氧树脂按一定比例混合。
• 加入适量的固化剂和其他添加剂，混合均匀。
• 通过浇铸、固化等步骤制备复合材料试样。
3. 热降解性能测试：
• 热重分析（TGA）：在氮气或空气中进行热重分析，记录不同温度下的失重曲线，分析复合材料的热稳定性。
• 差示扫描量热法（DSC）：测试复合材料的热降解过程中的放热行为，分析其热降解动力学。
• 热机械分析（TMA）：测试复合材料在热降解过程中的尺寸变化，分析其热膨胀系数。
4. 阻燃性能测试：
• 极限氧指数（LOI）：测试复合材料的阻燃性能，记录其极限氧指数。
• 垂直燃烧测试（UL-94）：评估复合材料的阻燃等级。
5. 微观结构分析：
• 扫描电子显微镜（SEM）：观察复合材料的微观形貌，了解氢氧化镁在环氧树脂基体中的分散情况。
• X射线衍射（XRD）：分析氢氧化镁在复合材料中的晶相结构。

结果与讨论

1. 热降解性能：
• 热稳定性：TGA结果显示，随着氢氧化镁添加量的增加，复合材料的起始分解温度有所提高，表明氢氧化镁的加入提高了环氧树脂的热稳定性。
• 热降解动力学：DSC结果显示，氢氧化镁的加入使得复合材料的热降解峰向高温区移动，说明氢氧化镁在高温下可以起到阻燃作用。
• 热膨胀系数：TMA结果显示，氢氧化镁改性后，复合材料的热膨胀系数有所降低，这有助于提高其尺寸稳定性。
2. 阻燃性能：
• 极限氧指数（LOI）：改性氢氧化镁复合材料的LOI值明显高于未改性材料，表明其阻燃性能得到了显著提高。
• 垂直燃烧测试（UL-94）：改性氢氧化镁复合材料在UL-94测试中表现出更好的阻燃等级，表明其阻燃效果优异。
3. 微观结构：
• 分散性：SEM结果显示，改性氢氧化镁在环氧树脂基体中的分散性较好，形成了较为均匀的分布。
• 晶相结构：XRD结果显示，改性氢氧化镁在复合材料中保持了良好的晶相结构，没有明显的晶型转变。

通过硅烷偶联剂对氢氧化镁进行表面改性，并将其添加到环氧树脂中，可以显著提高复合材料的热降解性能和阻燃性能。改性氢氧化镁的加入不仅提高了环氧树脂的热稳定性，还改善了其阻燃效果。这一研究为开发高性能阻燃环氧树脂复合材料提供了新的思路和技术手段。