阻燃、热稳定及耐热矿物粉体材料的特性与应用

阻燃、热稳定或耐热矿物材料是基于天然矿物精加工的产品，与合成类阻燃、热稳定或耐热材料相比，具有绿色环保、制造成本低、性能适中或独特等综合优势和特点， 是具有较好发展前景的新型功能性材料， 具有广阔的市场应用前景和较大的市场消耗容量。

能用作阻燃、热稳定与耐热矿物粉体材料原料的矿物种类较多，主要有水镁石、蒙脱石、凹凸棒石、水滑石类、水菱镁石、斜方云石、白云石、伊利石等。

目前性能优、用量较大的矿物阻燃粉体材料的阻燃和消烟机理主要包括4 个方面：

（1）矿物粉体材料在燃烧时吸收大量热量， 使得被燃物表面温度降低，能延缓被燃物的继续燃烧、降解和进一步分解，因此能减少有害气体和烟雾的释放；

（2）矿物材料分解产生的大量水蒸气或二氧化碳气等，降低燃烧体环境的氧浓度，阻止燃烧的快速进行；

（3）分解生成的氧化物要具有较好的热稳定或耐热性，能有效致密地覆盖在被燃物表面， 阻隔热传导和热辐射的进一步蔓延，不仅要起到隔绝空气和阻止燃烧，而且最好能改善被燃物抵抗火焰的能力；

（4）分解生成的氧化物要求化学活性较高， 不仅能较好地吸附燃烧产生的自由基、碳和有毒性气体，而且能促进被燃物在燃烧过程中快速生成碳化层，以产生较好的阻燃、消烟作用等。

与阻燃矿物粉体材料相比，热稳定、耐热矿物粉体材料的功能体现机理涉及上述4 个因素中的2 个，但是在具体性能指标要求方面比阻燃材料有所强化。

水镁石阻燃材料

水镁石是一种重要的富镁非金属矿物，理论化学式为Mg（OH）2，纯净单晶呈厚板状。天然产出的原矿大多为片状或纤维状的集合体。水镁石作为阻燃材料的重要特性在于其在较低温度时就能释放大量的水蒸气，并且分解生成的MgO 也具有较高的活性和较好的耐热性， 是阻燃、消烟综合效果显著矿物品种，水镁石粉体已成为目前塑料、橡胶、涂料、纺织等行业用量较大的矿物阻燃粉体材料。

以水镁石为原料制备氢氧化镁阻燃粉体材料的工艺流程如下： 选矿—粗碎—超细粉碎—表面改性，其中关键影响因素是矿物纯度、超细粉碎粒度和表面改性用助剂，水镁石纯度及粉体颗粒大小直接影响到阻燃材料使用的热力学性能和阻燃性。

水镁石作为矿物阻燃剂常以填料形式添加到高分子聚合物中，通过熔融共混及挤出制备成复合材料母料或型材， 常用的基体聚合物品种有聚丙烯（PP）、三元乙丙橡胶（EPDM）、聚乙烯（PE）、乙烯-乙酸乙烯共聚场（EVA）、氯化聚乙烯（CPE）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯及不饱和聚酯等，并在建筑涂料、油漆等材料中也得到广泛应用。未改性的水镁石与亲油性的聚合物分子亲和力不好，分散性及相容性较差，而且在聚合物体系中有二次团聚的趋势。为了改善加工性能及提高阻燃性能，需要对水镁石初级产品进行进一步加工，如超细粉碎、表面包覆处理等。

蒙脱石阻燃材料

蒙脱石是具有天然层状纳米结构的矿物，天然纳米结构的蒙脱石片层解离后比表面积非常大，具有阻燃所需的优异的阻隔性能和丰富的吸附水、结构水。作为阻燃剂的蒙脱石可以是提纯的蒙脱石或经提纯-有机插层处理的有机蒙脱石， 有机插层处理的蒙脱石层间距显著增大， 并且具有较好的亲油性，在易燃烧的聚合物体系中具有更好的分散、阻隔、阻燃效果，但是有机蒙脱石比提纯蒙脱石加工成本更高，一般用在需要体现纳米功能的特殊材料中。

凹凸棒石阻燃材料

凹凸棒石也称坡缕石，是一种重要的链层状结构含水富镁铝硅酸盐黏土矿物，常与蒙脱石、高岭石、海泡石、水云母、石英、蛋白石和白云石等矿物共生于凹凸棒土中。凹凸棒石具有较好的长径比和丰富的内孔道，既是较好的增强材料又具有阻燃作用，在高温下失去结构水而产生水蒸气，可以阻隔氧气，并能产生热稳定性较好的以MgO、Al2O3为主的氧化物隔离层。

水滑石类阻燃及热稳定材料

水滑石类化合物（LDHs）是以双羟基金属复合镁铝碳酸盐构成层状及微孔结构的一类矿物， 资源有水滑石和类水滑石。作为阻燃材料的水滑石类矿物，起始分解温度较宽，因而拓宽了阻燃应用的温度范围，具有较好的阻燃、消烟、填充功能， 既具有氢氧化镁和氢氧化铝型阻燃材料的优点，又克服了各自的缺陷，是无毒、低烟、高效的无卤阻燃材料新品种。

水菱镁石、斜方云石阻燃及耐热材料

水菱镁石、斜方云石矿物是与水镁石性质类似的镁系阻燃矿物。这2 种天然产出的矿物资源具有质地较纯净、色泽洁白、杂质含量低等特点。水菱镁石在300~340 ℃时首先释放结晶水，450~500 ℃时结构水全部脱出，730~740 ℃时CO2和水全部排出，剩余物为氧化镁； 斜方云石在450 ℃时开始分解，在570~620 ℃时放出大量CO2， 最终在760~780 ℃时分解完全；水菱镁石与斜方云石的质量比为60 ∶ 40 的水菱镁石-斜方云石混合物在220 ℃时开始分解，740 ℃时分解完全。水菱镁石、斜方云石加工制品是一类环境友好、性价比高且性能优于氢氧化镁、氢氧化铝的镁质阻燃矿物材料新品种。目前，产自希腊、土耳其公司的产品产量和出口量逐年增长，而瑞士、德国和英国的一些公司看好这种资源的广阔发展空间和应用前景，也相继介入这一新型矿产加工领域。

白云石质凹凸棒石阻燃材料

国内外对简单品种镁质矿物的阻燃、热稳定及耐热性能进行了较详细的研究，但一些天然产出的含有凹凸棒石、白云石、蒙脱石的复杂矿物也具有较好的阻燃、补强等多种性能，加工后的材料可用于塑料、橡胶时作为功能填料使用。

硅灰石阻燃及耐热材料

硅灰石为链状结构的白色钙硅酸盐矿物，理论化学式为CaSiO3，粉碎后的硅灰石表面存在大量的Si—O—Si、Ca—O、Si—O、Si—OH 等活性基团， 与有机基体具有较强的结合能力，广泛用于PP、EVA、聚酰胺、聚苯乙烯等聚合物体系， 填充与改性效果相当于石棉、滑石、云母等矿物。硅灰石在欧美的使用量占矿物填料市场的10%~15%，尤其对暴露于紫外线、水浸渍的应用环境，填充后的材料能显示优异的性能。

伊利石

伊利石是一种富钾的类云母型层状矿物，具有较好的化学惰性、绝热性、电绝缘性等，多用于制备阻燃无纺布、阻燃电缆、阻燃橡胶等。

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