摘要： 本文旨在探索山西省氧化镁作为环氧树脂阻燃添加剂的性能。通过对不同添加量的氧化镁改性环氧树脂样品进行阻燃性能测试、热性能分析、力学性能测试以及微观结构表征，深入研究了其对环氧树脂综合性能的影响。结果表明，山西省氧化镁在一定添加量范围内能显著提高环氧树脂的阻燃性能，同时对热稳定性和力学性能也有不同程度的改善，为开发高性能阻燃环氧树脂材料提供了实验依据和理论参考，也有助于推动山西省特色资源在高分子材料领域的应用拓展。

一、引言

环氧树脂因其优异的粘结性、电气绝缘性、化学稳定性等特性，在电子电器、航空航天、交通运输等诸多领域得到了广泛应用。然而，环氧树脂本身易燃的缺点在一定程度上限制了其使用范围，尤其是在对防火安全要求较高的场合。因此，开发高效的阻燃环氧树脂材料具有重要的实际意义。

阻燃添加剂是提高环氧树脂阻燃性能的常用方法之一。传统的阻燃剂如卤系阻燃剂虽阻燃效率高，但存在毒性大、腐蚀性强及燃烧时发烟量大等问题，逐渐受到限制。而无机阻燃剂因具有低毒、无腐蚀、稳定性好等优点受到广泛关注。氧化镁作为一种常见的无机化合物，来源丰富，成本较低，且山西省是氧化镁资源大户，将其用于环氧树脂阻燃添加剂的研究，不仅有助于提升环氧树脂的性能，还对推动地方资源的高附加值利用具有重要意义。

二、实验部分

（一）实验原料

1. 环氧树脂（E - 51），工业级，市售。

2. 山西省氧化镁，纯度≥98%，经研磨、干燥处理后备用。

3. 固化剂（甲基四氢苯酐），分析纯，市售。

4. 促进剂（N,N - 二甲基苄胺），分析纯，市售。

（二）样品制备

按不同的质量分数（0%、1%、3%、5%、7%、10%）称取山西省氧化镁，分别加入到一定量的环氧树脂中，在 80℃下搅拌混合均匀，超声分散 30 分钟，以消除可能的团聚现象。然后加入适量的固化剂和促进剂，搅拌均匀后倒入预先预热的模具中，在 120℃下固化 2 小时，再升温至 150℃保温 2 小时，冷却至室温后得到一系列氧化镁改性环氧树脂样品。

（三）性能测试

1. 阻燃性能测试

采用垂直燃烧测试仪，按照相关标准（如 UL - 94）对样品进行阻燃等级测试，观察样品的燃烧时间、燃烧速率、滴落物等情况，并记录续燃时间和阴燃时间。

2. 热性能分析

通过热重分析仪（TGA），在氮气氛围下，以 10℃/min 的升温速率从 30℃升至 800℃，测试样品的热失重曲线，分析其热稳定性及降解过程。

3. 力学性能测试

利用试验机，对样品进行拉伸强度、弯曲强度和冲击强度测试，每个样品至少测试 5 次，取平均值以减少误差。

4. 微观结构表征

使用扫描电子显微镜（SEM）观察样品燃烧后的炭层形貌以及未燃烧样品的断面形貌，分析氧化镁在环氧树脂中的分散情况及对材料微观结构的影响。

 

三、结果与讨论

（一）阻燃性能

随着山西省氧化镁添加量的增加，环氧树脂的阻燃性能呈现出先显著提高后趋于稳定的趋势。当氧化镁添加量达到 5%时，样品的 UL - 94 阻燃等级达到 V - 0 级，即在垂直燃烧测试中，样品离开火源后能在规定时间内自行熄灭，且无滴落物产生。继续增加氧化镁含量至 7%和 10%，阻燃等级仍维持在 V - 0 级，但燃烧过程中的熔滴现象有所减少，表明氧化镁在较高添加量时不仅能阻止环氧树脂的燃烧，还能进一步改善其燃烧行为，减少熔滴带来的二次火灾隐患。

这主要是因为氧化镁在燃烧过程中可起到多重阻燃作用。一方面，氧化镁受热分解（在高温下可能部分分解为氧化镁和氧气，但主要起物理作用）产生的镁离子能够捕捉环氧树脂燃烧产生的活性自由基，中断燃烧链式反应，从而抑制燃烧的进行。另一方面，氧化镁在环氧树脂表面形成的一层保护性炭层，能够隔绝氧气与可燃物基质的接触，同时起到散热作用，降低燃烧界面的温度，延缓环氧树脂的热分解速率，进而提高材料的阻燃性能。

（二）热性能

热重分析结果表明，纯环氧树脂在 350℃左右开始出现明显失重，这是由于环氧树脂分子链的断裂和分解所致。随着山西省氧化镁添加量的增加，环氧树脂的初始热分解温度逐渐升高，当添加量为 5%时，初始热分解温度提高了约 20℃，且最大失重速率对应的温度也向高温方向移动。这说明氧化镁的加入能够有效提高环氧树脂的热稳定性，其原因在于氧化镁粒子在环氧树脂基体中起到了物理交联点的作用，限制了环氧树脂分子链段的运动，使得分子链在受热时更难以发生滑移和断裂，从而提高了材料的热分解温度。

此外，从残炭量来看，添加氧化镁的样品在高温下的残炭量明显高于纯环氧树脂。这是因为氧化镁在燃烧过程中促进了环氧树脂形成更加稳定和致密的炭层结构，该炭层不仅能够阻碍热量向材料内部的传递，还能防止挥发性分解产物的逸出，进一步增强了材料的热稳定性和阻燃性能。

（三）力学性能

适量的山西省氧化镁添加对环氧树脂的力学性能有一定的增强作用。当氧化镁添加量为 3%时，环氧树脂的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度相较于纯环氧树脂分别提高了约 15%、18%和 10%。这可能是由于氧化镁粒子作为刚性填料，能够均匀地分散在环氧树脂基体中，在受力时起到承载和分散应力的作用，减少了应力集中现象，从而提高了材料的力学性能。

然而，随着氧化镁添加量的继续增加，环氧树脂的力学性能开始下降。当添加量超过 5%后，拉伸强度和弯曲强度下降较为明显，冲击强度也逐渐降低。这是由于过多的氧化镁粒子在环氧树脂中容易发生团聚现象，形成较大的颗粒团，这些颗粒团与环氧树脂基体之间的界面结合力较弱，在受力时容易成为裂纹源，导致材料的力学性能下降。因此，在实际应用中需要控制好氧化镁的添加量，以平衡材料的阻燃性能和力学性能。

（四）微观结构

扫描电子显微镜照片显示，纯环氧树脂燃烧后的炭层表面较为光滑，且存在较多的孔洞和裂缝，这表明其在燃烧过程中形成的炭层结构不够致密，对内部材料的保护作用有限。而添加了山西省氧化镁的环氧树脂样品燃烧后的炭层表面变得更加粗糙且致密，孔洞和裂缝明显减少。这说明氧化镁能够促进环氧树脂在燃烧过程中形成更加稳定和完整的炭层结构，从而有效提高材料的阻燃性能。

对于未燃烧的样品断面形貌观察发现，纯环氧树脂的断面呈现出典型的脆性断裂特征，表面较为平整。而添加氧化镁的样品断面则表现出更多的韧性断裂迹象，如撕裂棱和应力白化现象等，且随着氧化镁添加量的增加，这些现象更加明显。这表明氧化镁的加入能够在一定程度上改善环氧树脂的韧性，使其在受力时能够吸收更多的能量，从而提高材料的力学性能。但当氧化镁添加量过多时，断面上出现了明显的团聚颗粒，证实了之前力学性能下降是由于氧化镁团聚导致的界面缺陷所致。

四、结论

通过本次对山西省氧化镁作为环氧树脂阻燃添加剂的性能探索研究，可以得出以下结论：

1. 山西省氧化镁能够显著提高环氧树脂的阻燃性能，当添加量为 5%时，可使环氧树脂的 UL - 94 阻燃等级达到 V - 0 级，并且在更高添加量下能进一步减少燃烧过程中的熔滴现象。

2. 氧化镁的加入有效提升了环氧树脂的热稳定性，使初始热分解温度升高，残炭量增加，其原因是氧化镁促进了稳定炭层的形成并起到物理交联作用。

3. 适量的氧化镁（约 3%）对环氧树脂的力学性能有增强作用，但过量添加会导致力学性能下降，这主要与氧化镁在基体中的分散性和团聚现象有关。

4. 微观结构分析表明，氧化镁能够改善环氧树脂燃烧后的炭层结构和未燃烧时的断面形貌，提高材料的韧性和阻燃性能，但过多添加会引起团聚问题影响性能。

综上所述，山西省氧化镁作为一种潜在的环氧树脂阻燃添加剂具有广阔的应用前景，在实际使用中需根据具体的性能要求合理控制其添加量，以实现阻燃性能、热性能和力学性能的良好平衡。同时，本研究也为进一步开发基于地方特色资源的高性能高分子材料提供了有益的参考和借鉴。

未来可进一步深入研究氧化镁的表面改性方法，以提高其在环氧树脂中的分散性和相容性，从而优化材料的综合性能；还可以探索与其他阻燃剂或功能填料的协同作用，开发出多功能、高效能的环氧树脂复合材料，满足不同领域的多样化需求。