刘乐 刘晓娟 陈建印 赵昕

（枣庄中联水泥有限公司）

0 引言

随着我国经济实力的不断提高，合成材料的应用也越来越广泛，在家电、建筑、电子设备、化工、装修、交通等领域有着不可替代的作用，因此也给阻燃剂开辟了前所未有的市场[1-3]。我国阻燃剂的发展起步较晚，产品形式单一，目前我国所使用的阻燃剂80%以上是有机类阻燃剂，该类阻燃剂发烟量大、具有毒性、污染环境，与我国现在所倡导的绿色经济、环保生产背道而驰，相反无机类阻燃剂则具有环保、高效、低毒的效果，但产品形式较为单一，使用最多的是氢氧化镁和氢氧化铝阻燃剂[4-5]。

钙矾石是一种含水硫铝酸盐矿物，简称AFt，其化学式为3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，AFt 中含有32 个结晶水，与正在使用的氢氧化镁、氢氧化铝等阻燃剂相比，其含有的结晶水更多，理应会有更加明显的阻燃效果，因此本研究致力于将钙矾石用于制备一种新型的阻燃剂材料[6]。

1 钙矾石制备

采用溶液合成的方法制备钙矾石，其步骤为将一定质量的Ca(OH)2和Al2(SO4)3·18H2O 分别置于去离子水中充分搅拌溶解后，将Al2(SO4)3·18H2O 溶液缓缓倒入Ca(OH)2溶液中进行反应，试验过程中保持室温25℃左右，其化学反应方程式为：

待溶液反应完全后，对混合液进行抽滤得到AFt，将制备的AFt 试样进行XRD 衍射和扫描电镜分析，其图谱如图1 所示：

图1 钙矾石XRD 图谱和SEM 照片

从图1 中的XRD 图谱中可以看出，其衍射峰大多为AFt 的衍射峰，只有很少一部分CaCO3的衍射峰，即溶液合成法制备的钙矾石较纯，其生成产物大多为AFt，从SEM 照片中可以看出，生成的钙矾石结晶有的比较粗大，有的比较细小，呈针棒状，晶体之间交错生长，有大量的连接孔道。

2 钙矾石改性

钙矾石是一种无机化合物，与普通的氢氧化铝、氢氧化镁阻燃剂有着相同的特性，与有机材料结合的性能较差，如果直接添加，添加量大，而且会影响复合材料的机械性能和加工性能，阻燃效率不高，所以需要对其进行改性处理，以求提高其与有机材料的结合能力。选取三种不同类型的偶联剂，分别为硅烷偶联剂（KH-570）、酞酸酯偶联剂、二丙二醇甲醚DPM 偶联剂对钙矾石进行了改性试验。

采用湿法改性的方法，即将钙矾石加入适量的去离子水使之成为浆体，再将已经用无水乙醇稀释到一定浓度的偶联剂倒入钙矾石浆体中，搅拌均匀，反应完全后，抽滤掉溶液即可得到改性后的钙矾石，改性剂的用量为钙矾石质量的1.0%。改性后的钙矾石在无水乙醇中的分散情况如图2 所示：

图2 改性前后钙矾石在无水乙醇中的分散情况

从图2 中可以看出，钙矾石未改性前，在无水乙醇溶液中分层明显，完全不能分散于溶液中，全部沉淀在烧杯底部；经过偶联剂改性后的钙矾石，可以部分分散于无水乙醇溶液中，致使溶液变得浑浊，其中酞酸酯改性组无水乙醇溶液最为浑浊。为比较三类偶联剂对钙矾石改性的效果，分别取0.4g 改性后的钙矾石溶于20g四氯化碳有机溶液中，充分搅拌均匀后，静止溶液5min，然后倒掉上部悬浮液，称取剩余沉淀的质量，试验结果如表1 所示：

表1 改性钙矾石沉淀物的质量（g）

从表1 中可以看出，钙矾石经过酞酸酯偶联剂改性后比较容易分散到有机溶液当中，所剩余的沉淀质量最小，经过二丙二醇甲醚DPM 改性后的钙矾石，剩余沉淀质量较多，即不易分散到有机溶液当中。

3 阻燃性能

通过上述研究，了解到酞酸酯偶联剂可有效改性钙矾石，使其与有机材料较好地融合，因此将经过酞酸酯偶联剂改性的钙矾石做了热重分析试验，探究改性后钙矾石的阻燃效果，热重分析结果如图3 所示。

从图3 的失重曲线中可以看出，随着温度的升高，钙矾石质量不断下降，在0～102.54℃区间，质量下降较快，后趋于平缓。根据吸热曲线可以看出，钙矾石在102.54℃有明显的吸热峰，在80～200℃区间吸热较多，随着温度的升高，吸热不明显。

图3 改性后钙矾石的热重分析图

通过以上分析可得，经过酞酸酯偶联剂改性后的钙矾石，在80～200℃之间，可以快速地实现失水吸热，达到阻燃的效果，超过200℃阻燃效果不好，即钙矾石作为阻燃剂来使用具有很好的早期抑燃效果。

4 结论

通过对钙矾石作为阻燃剂的研究，可以得出的结论有：

⑴溶液合成法制备的钙矾石较纯，其结晶呈针棒状，有的比较粗大，有的比较细小，晶体之间交错生长，有大量的连接孔道。

⑵硅烷偶偶联剂、二丙二醇甲醚DPM 偶联剂、酞酸酯偶联剂三类偶联剂中，酞酸酯偶联剂的改性效果最好，可以使钙矾石较好地分散在有机溶液中。

⑶钙矾石作为阻燃剂来使用具有很好的早期抑燃效果，可与其它后期抑燃效果较好的阻燃剂搭配使用，效果更佳。