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摘要： 本文旨在探索山西省氧化鎂作為環(huán)氧樹脂阻燃添加劑的性能。通過對不同添加量的氧化鎂改性環(huán)氧樹脂樣品進行阻燃性能測試、熱性能分析、力學性能測試以及微觀結構表征，深入研究了其對環(huán)氧樹脂綜合性能的影響。結果表明，山西省氧化鎂在一定添加量范圍內能顯著提高環(huán)氧樹脂的阻燃性能，同時對熱穩(wěn)定性和力學性能也有不同程度的改善，為開發(fā)高性能阻燃環(huán)氧樹脂材料提供了實驗依據(jù)和理論參考，也有助于推動山西省特色資源在高分子材料領域的應用拓展。
一、引言
環(huán)氧樹脂因其優(yōu)異的粘結性、電氣絕緣性、化學穩(wěn)定性等特性，在電子電器、航空航天、交通運輸?shù)戎T多領域得到了廣泛應用。然而，環(huán)氧樹脂本身易燃的缺點在一定程度上限制了其使用范圍，尤其是在對防火安全要求較高的場合。因此，開發(fā)高效的阻燃環(huán)氧樹脂材料具有重要的實際意義。
阻燃添加劑是提高環(huán)氧樹脂阻燃性能的常用方法之一。傳統(tǒng)的阻燃劑如鹵系阻燃劑雖阻燃效率高，但存在毒性大、腐蝕性強及燃燒時發(fā)煙量大等問題，逐漸受到限制。而無機阻燃劑因具有低毒、無腐蝕、穩(wěn)定性好等優(yōu)點受到廣泛關注。氧化鎂作為一種常見的無機化合物，來源豐富，成本較低，且山西省是氧化鎂資源大戶，將其用于環(huán)氧樹脂阻燃添加劑的研究，不僅有助于提升環(huán)氧樹脂的性能，還對推動地方資源的高附加值利用具有重要意義。
二、實驗部分
（一）實驗原料
1. 環(huán)氧樹脂（E - 51），工業(yè)級，市售。
2. 山西省氧化鎂，純度≥98%，經研磨、干燥處理后備用。
3. 固化劑（甲基四氫苯酐），分析純，市售。
4. 促進劑（N,N - 二甲基芐胺），分析純，市售。
（二）樣品制備
按不同的質量分數(shù)（0%、1%、3%、5%、7%、10%）稱取山西省氧化鎂，分別加入到一定量的環(huán)氧樹脂中，在 80℃下攪拌混合均勻，超聲分散 30 分鐘，以消除可能的團聚現(xiàn)象。然后加入適量的固化劑和促進劑，攪拌均勻后倒入預先預熱的模具中，在 120℃下固化 2 小時，再升溫至 150℃保溫 2 小時，冷卻至室溫后得到一系列氧化鎂改性環(huán)氧樹脂樣品。
（三）性能測試
1. 阻燃性能測試
采用垂直燃燒測試儀，按照相關標準（如 UL - 94）對樣品進行阻燃等級測試，觀察樣品的燃燒時間、燃燒速率、滴落物等情況，并記錄續(xù)燃時間和陰燃時間。
2. 熱性能分析
通過熱重分析儀（TGA），在氮氣氛圍下，以 10℃/min 的升溫速率從 30℃升至 800℃，測試樣品的熱失重曲線，分析其熱穩(wěn)定性及降解過程。
3. 力學性能測試
利用試驗機，對樣品進行拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度測試，每個樣品至少測試 5 次，取平均值以減少誤差。
4. 微觀結構表征
使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察樣品燃燒后的炭層形貌以及未燃燒樣品的斷面形貌，分析氧化鎂在環(huán)氧樹脂中的分散情況及對材料微觀結構的影響。
三、結果與討論
（一）阻燃性能
隨著山西省氧化鎂添加量的增加，環(huán)氧樹脂的阻燃性能呈現(xiàn)出先顯著提高后趨于穩(wěn)定的趨勢。當氧化鎂添加量達到 5%時，樣品的 UL - 94 阻燃等級達到 V - 0 級，即在垂直燃燒測試中，樣品離開火源后能在規(guī)定時間內自行熄滅，且無滴落物產生。繼續(xù)增加氧化鎂含量至 7%和 10%，阻燃等級仍維持在 V - 0 級，但燃燒過程中的熔滴現(xiàn)象有所減少，表明氧化鎂在較高添加量時不僅能阻止環(huán)氧樹脂的燃燒，還能進一步改善其燃燒行為，減少熔滴帶來的二次火災隱患。
這主要是因為氧化鎂在燃燒過程中可起到多重阻燃作用。一方面，氧化鎂受熱分解（在高溫下可能部分分解為氧化鎂和氧氣，但主要起物理作用）產生的鎂離子能夠捕捉環(huán)氧樹脂燃燒產生的活性自由基，中斷燃燒鏈式反應，從而抑制燃燒的進行。另一方面，氧化鎂在環(huán)氧樹脂表面形成的一層保護性炭層，能夠隔絕氧氣與可燃物基質的接觸，同時起到散熱作用，降低燃燒界面的溫度，延緩環(huán)氧樹脂的熱分解速率，進而提高材料的阻燃性能。
（二）熱性能
熱重分析結果表明，純環(huán)氧樹脂在 350℃左右開始出現(xiàn)明顯失重，這是由于環(huán)氧樹脂分子鏈的斷裂和分解所致。隨著山西省氧化鎂添加量的增加，環(huán)氧樹脂的初始熱分解溫度逐漸升高，當添加量為 5%時，初始熱分解溫度提高了約 20℃，且最大失重速率對應的溫度也向高溫方向移動。這說明氧化鎂的加入能夠有效提高環(huán)氧樹脂的熱穩(wěn)定性，其原因在于氧化鎂粒子在環(huán)氧樹脂基體中起到了物理交聯(lián)點的作用，限制了環(huán)氧樹脂分子鏈段的運動，使得分子鏈在受熱時更難以發(fā)生滑移和斷裂，從而提高了材料的熱分解溫度。
此外，從殘?zhí)苛縼砜矗砑友趸V的樣品在高溫下的殘?zhí)苛棵黠@高于純環(huán)氧樹脂。這是因為氧化鎂在燃燒過程中促進了環(huán)氧樹脂形成更加穩(wěn)定和致密的炭層結構，該炭層不僅能夠阻礙熱量向材料內部的傳遞，還能防止揮發(fā)性分解產物的逸出，進一步增強了材料的熱穩(wěn)定性和阻燃性能。
（三）力學性能
適量的山西省氧化鎂添加對環(huán)氧樹脂的力學性能有一定的增強作用。當氧化鎂添加量為 3%時，環(huán)氧樹脂的拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度相較于純環(huán)氧樹脂分別提高了約 15%、18%和 10%。這可能是由于氧化鎂粒子作為剛性填料，能夠均勻地分散在環(huán)氧樹脂基體中，在受力時起到承載和分散應力的作用，減少了應力集中現(xiàn)象，從而提高了材料的力學性能。
然而，隨著氧化鎂添加量的繼續(xù)增加，環(huán)氧樹脂的力學性能開始下降。當添加量超過 5%后，拉伸強度和彎曲強度下降較為明顯，沖擊強度也逐漸降低。這是由于過多的氧化鎂粒子在環(huán)氧樹脂中容易發(fā)生團聚現(xiàn)象，形成較大的顆粒團，這些顆粒團與環(huán)氧樹脂基體之間的界面結合力較弱，在受力時容易成為裂紋源，導致材料的力學性能下降。因此，在實際應用中需要控制好氧化鎂的添加量，以平衡材料的阻燃性能和力學性能。
（四）微觀結構
掃描電子顯微鏡照片顯示，純環(huán)氧樹脂燃燒后的炭層表面較為光滑，且存在較多的孔洞和裂縫，這表明其在燃燒過程中形成的炭層結構不夠致密，對內部材料的保護作用有限。而添加了山西省氧化鎂的環(huán)氧樹脂樣品燃燒后的炭層表面變得更加粗糙且致密，孔洞和裂縫明顯減少。這說明氧化鎂能夠促進環(huán)氧樹脂在燃燒過程中形成更加穩(wěn)定和完整的炭層結構，從而有效提高材料的阻燃性能。
對于未燃燒的樣品斷面形貌觀察發(fā)現(xiàn)，純環(huán)氧樹脂的斷面呈現(xiàn)出典型的脆性斷裂特征，表面較為平整。而添加氧化鎂的樣品斷面則表現(xiàn)出更多的韌性斷裂跡象，如撕裂棱和應力白化現(xiàn)象等，且隨著氧化鎂添加量的增加，這些現(xiàn)象更加明顯。這表明氧化鎂的加入能夠在一定程度上改善環(huán)氧樹脂的韌性，使其在受力時能夠吸收更多的能量，從而提高材料的力學性能。但當氧化鎂添加量過多時，斷面上出現(xiàn)了明顯的團聚顆粒，證實了之前力學性能下降是由于氧化鎂團聚導致的界面缺陷所致。
四、結論
通過本次對山西省氧化鎂作為環(huán)氧樹脂阻燃添加劑的性能探索研究，可以得出以下結論：
1. 山西省氧化鎂能夠顯著提高環(huán)氧樹脂的阻燃性能，當添加量為 5%時，可使環(huán)氧樹脂的 UL - 94 阻燃等級達到 V - 0 級，并且在更高添加量下能進一步減少燃燒過程中的熔滴現(xiàn)象。
2. 氧化鎂的加入有效提升了環(huán)氧樹脂的熱穩(wěn)定性，使初始熱分解溫度升高，殘?zhí)苛吭黾樱湓蚴茄趸V促進了穩(wěn)定炭層的形成并起到物理交聯(lián)作用。
3. 適量的氧化鎂（約 3%）對環(huán)氧樹脂的力學性能有增強作用，但過量添加會導致力學性能下降，這主要與氧化鎂在基體中的分散性和團聚現(xiàn)象有關。
4. 微觀結構分析表明，氧化鎂能夠改善環(huán)氧樹脂燃燒后的炭層結構和未燃燒時的斷面形貌，提高材料的韌性和阻燃性能，但過多添加會引起團聚問題影響性能。
綜上所述，山西省氧化鎂作為一種潛在的環(huán)氧樹脂阻燃添加劑具有廣闊的應用前景，在實際使用中需根據(jù)具體的性能要求合理控制其添加量，以實現(xiàn)阻燃性能、熱性能和力學性能的良好平衡。同時，本研究也為進一步開發(fā)基于地方特色資源的高性能高分子材料提供了有益的參考和借鑒。
未來可進一步深入研究氧化鎂的表面改性方法，以提高其在環(huán)氧樹脂中的分散性和相容性，從而優(yōu)化材料的綜合性能；還可以探索與其他阻燃劑或功能填料的協(xié)同作用，開發(fā)出多功能、高效能的環(huán)氧樹脂復合材料，滿足不同領域的多樣化需求。
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