Hebei Messi Biology Co., Ltd. stellt fest, dass Magnesiumhydroxid (MH) als anorganisches, halogenfreies Flammschutzmittel aufgrund seiner vielfältigen Vorteile – darunter Flammschutzwirkung, Rauchunterdrückung, gute thermische Stabilität und Umweltfreundlichkeit – zunehmend in den Fokus der weltweiten Forschung gerückt ist. Aufgrund der inhärent geringen flammhemmenden Effizienz sind jedoch derzeit hohe Füllgrade erforderlich, was zu einer deutlichen Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften von Polymermaterialien führt. Folglich ist die Verbesserung der Oberflächeneigenschaften von Magnesiumhydroxid – um dessen Verträglichkeit mit Polymermatrices zu erhöhen und den erforderlichen Füllgrad zu reduzieren – zu einem wichtigen Forschungsthema im In- und Ausland geworden.
In dieser Studie wurden blumenartige, kugelförmige Magnesiumhydroxid-Mikropartikel mittels eines Umkehrfällungsverfahrens hergestellt. Anschließend erfolgte eine Oberflächenmodifizierung mit Phosphor und Silicium, wobei 9,10-Dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthren-10-oxid (DOPO) bzw. γ-Glycidoxypropyltrimethoxysilan (KH560) als Phosphor- und Siliciumquellen dienten. Ziel dieses Ansatzes war es, die Dispergierung des Magnesiumhydroxids in der Polymermatrix zu verbessern und gleichzeitig die flammhemmende Wirkung des Materials zu steigern.
Die Arbeit gliedert sich in die folgenden drei Teile:
Teil I: Blumenartiges, kugelförmiges Magnesiumhydroxid wurde mittels Umkehrfällung unter Verwendung von Magnesiumsulfat-Heptahydrat und wässrigem Ammoniak als Ausgangsstoffe synthetisiert. Es wurde untersucht, wie sich die Konzentration der Ausgangsstoffe, die Rührzeit, die Alterungszeit, die Reaktionstemperatur und die Zugabegeschwindigkeit auf die Morphologie und die Partikelgröße des Magnesiumhydroxids auswirken. Zur Charakterisierung der Morphologie und Partikelgröße des synthetisierten Magnesiumhydroxids wurde Rasterelektronenmikroskopie (REM) eingesetzt, während die molekulare Struktur mittels Röntgendiffraktometrie (XRD) und Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) analysiert wurde.
Die Ergebnisse zeigen, dass die optimalen Synthesebedingungen wie folgt waren: eine Konzentration des wässrigen Ammoniaks von 5 Gew.-%, eine Magnesiumsulfat-Konzentration von 1 mol/L, eine Temperatur von 20 °C, eine Rührzeit von 10 min, eine Alterungszeit von 1 h und eine Zugabegeschwindigkeit von 3 mL/min. Mit zunehmender Anfangskonzentration der Reaktanten wandelte sich die Morphologie des Magnesiumhydroxids von quasi-sphärisch zu regelmäßig sphärisch; eine weitere Erhöhung der Konzentration führte zu einer Verwischung der sphärischen Konturen, während die Partikelgröße zunächst abnahm und anschließend wieder anstieg. Eine Verlängerung der Rührzeit bewirkte eine regelmäßigere Morphologie sowie eine Verringerung der Partikelgröße. Eine gezielte Alterungsphase begünstigte den Übergang des Magnesiumhydroxids von einer metastabilen in eine stabile Struktur. Zu niedrige oder zu hohe Reaktionstemperaturen waren für das Wachstum sphärischer Magnesiumhydroxid-Partikel ungünstig. Langsamere Zugaberaten führten zu regelmäßigeren Morphologien und kleineren Partikelgrößen. Insgesamt zeigte die Partikelgröße der Magnesiumhydroxid-Mikrokugeln einen Verlauf, bei dem sie zunächst abnahm und dann wieder anstieg; während eine Mindestgröße von 500 nm erreicht wurde, lagen einige Mikrokugeln aufgrund von Agglomeration im Bereich von 1–3 μm.
Teil II: Phosphor-Silizium-modifiziertes Magnesiumhydroxid (MHDK) wurde mittels einer Pfropfreaktion unter Verwendung von DOPO und KH560 als Ausgangsstoffe synthetisiert. Die chemische Struktur wurde mittels FTIR und XRD charakterisiert. Die FTIR-Ergebnisse zeigten das Auftreten charakteristischer P-Ar-, P-O-Ph- und Si-O-Mg-Signale im MHDK sowie eine deutliche Verringerung der Anzahl an -OH-Gruppen. Die XRD-Daten deuteten darauf hin, dass die Modifikation die Kristallstruktur des Magnesiumhydroxids nicht veränderte; DOPO und KH560 wurden lediglich auf die Oberfläche aufgepfropft. Kontaktwinkelmessungen ergaben einen Anstieg von 8,31° auf 35,96°, was auf eine verbesserte Hydrophobizität hinweist. Die thermogravimetrische Analyse belegte eine erhöhte thermische Stabilität des modifizierten Magnesiumhydroxids, wobei der Pfropfgrad von MHDK auf Basis der Restmasse mit etwa 3 % berechnet wurde. Die Zersetzungstemperatur von MHDK lag um 20 °C höher als die von unmodifiziertem MH.
Teil III: Magnesiumhydroxid (sowohl unmodifiziert als auch modifiziert) wurde in EVA eingearbeitet, um MH/EVA- und MHDK/EVA-Verbundwerkstoffe herzustellen. Untersuchungen des Sauerstoffindex (LOI) zeigten, dass MHDK die Flammwidrigkeit des Materials signifikant verbessert; bei einer Formulierung mit 50 Gew.-% MHDK stieg der LOI-Wert von 28 % auf 29,2 %. Die thermogravimetrische Analyse zeigt, dass die Zugabe von MHDK die thermische Stabilität verbessert, indem sie die Zersetzungstemperatur (Onset-Temperatur) um 25 °C erhöht und bei einem Füllgrad von 50 Gew.-% die Ausbeute an Verkohlungsrückstand um 1,4 % steigert. FTIR- und REM-Analysen des Verkohlungsrückstands belegen das Vorhandensein von Phosphor (P) und Silizium (Si) an der Oberfläche, wobei phosphorhaltige Spezies die Verkohlung fördern. Zudem führt der Zusatz von MHDK zu einer Verkohlungsstruktur, die durch zahlreiche interne Hohlräume sowie eine glatte, rissfreie Außenoberfläche gekennzeichnet ist; die erhöhte Dicke der Verkohlungsschicht sorgt für eine thermische Isolierung und unterdrückt die Freisetzung schädlicher Gase. Zugversuche zeigen, dass MHDK/EVA-Verbundwerkstoffe im Vergleich zu MH/EVA-Verbundwerkstoffen eine höhere Zugfestigkeit und Bruchdehnung aufweisen, was auf eine verbesserte Verträglichkeit zwischen MHDK und der EVA-Matrix hindeutet. Die erhöhte Oberflächenpolarität von MHDK führt zu einem verbesserten Flammschutz – konkret zu einem um 1 % höheren LOI-Wert im Vergleich zu Materialien, die MH enthalten. Gleichzeitig steigert die verbesserte Verträglichkeit zwischen MHDK und der Matrix die mechanischen Eigenschaften des Materials.