يتمتع هيدروكسيد الألومنيوم (ATH) بوظائف متعددة، تشمل مقاومة اللهب، وكبح الدخان، وملء الفراغات. وهو لا يُنتج تلوثًا ثانويًا، ويمكنه توليد تأثيرات مثبطة للهب تآزرية مع مواد مختلفة. لذلك، يُستخدم على نطاق واسع كمادة مضافة مثبطة للهب في المواد المركبة، وأصبح أكثر مثبطات اللهب غير العضوية الصديقة للبيئة استهلاكًا. عند استخدام هيدروكسيد الألومنيوم كمادة مضافة مثبطة للهب، فإن محتواه و حجم الجسيمات تؤثر خصائص هيدروكسيد الألومنيوم (ATH) بشكل كبير على خصائص مقاومة اللهب والخواص الميكانيكية للمادة المركبة. ولتحقيق تصنيف معين لمقاومة اللهب، عادةً ما يتطلب الأمر مستوى تحميل مرتفعًا نسبيًا من هيدروكسيد الألومنيوم. وعند تثبيت كمية التحميل، كلما كان حجم الجسيمات أدق، كان أداء مقاومة اللهب أفضل. لذلك، نسعى إلى الاستفادة بشكل أفضل من تأثير هيدروكسيد الألومنيوم فائق النعومة في مقاومة اللهب، مع تقليل التأثير السلبي على الخواص الميكانيكية، والذي يزداد حدةً مع زيادة مستوى التحميل. لهذه الأسباب، أصبح استخدام مسحوق هيدروكسيد الألومنيوم فائق النعومة ومسحوق النانو من الاتجاهات التطويرية الحديثة، وينطبق هذا التوجه على مثبطات اللهب المصنوعة من هيدروكسيد الألومنيوم.
مع ذلك، تتميز المساحيق فائقة النعومة بصغر حجم جزيئاتها وارتفاع طاقة سطحها، مما يجعلها عرضة للتكتل ويصعب توزيعها بشكل متجانس في مصفوفات البوليمر. علاوة على ذلك، يُعد مسحوق هيدروكسيد الألومنيوم فائق النعومة مادة غير عضوية قطبية نموذجية ذات توافق ضعيف مع البوليمرات العضوية، وخاصة البولي أوليفينات غير القطبية. يؤدي ضعف الترابط البيني إلى ضعف تدفق المصهور أثناء الخلط والتشكيل، مما ينتج عنه تدهور في أداء المعالجة والخواص الميكانيكية. لذا، يُعد الحد من تكتل جزيئات هيدروكسيد الألومنيوم فائقة النعومة أمرًا بالغ الأهمية. كما يُعد تحسين التوافق البيني بين مسحوق هيدروكسيد الألومنيوم ومصفوفات البوليمر وتعزيز توزيعه داخل المصفوفة ضروريًا أيضًا. تُعد هذه العوامل حاسمة للحصول على مركبات مثبطة للهب عالية الأداء، وبالتالي أصبحت من القضايا الرئيسية في استخدام هيدروكسيد الألومنيوم فائق النعومة في المواد المملوءة بمثبطات اللهب.
1. تحضير مسحوق هيدروكسيد الألومنيوم فائق النعومة
تشمل طرق تحضير هيدروكسيد الألومنيوم فائق النعومة الطرق الفيزيائية و المواد الكيميائية الأساليب. يشير الأسلوب الفيزيائي عمومًا إلى الأسلوب الميكانيكي. أما الأساليب الكيميائية فتتضمن عدة تقنيات، منها أسلوب الترسيب بالبذور، وأسلوب سول-جل، وأسلوب الترسيب. كما تشمل أيضًا أسلوب التخليق الحراري المائي، وأسلوب الكربنة، وأسلوب الجاذبية الفائقة، وغيرها.
(1) الطريقة الميكانيكية
تستخدم الطريقة الميكانيكية معدات الطحن يحب المطاحن النفاثة و مطاحن الكرات. تقوم هذه الأدوات بسحق وطحن هيدروكسيد الألومنيوم غير الصناعي المغسول والمجفف، مما ينتج عنه مسحوق هيدروكسيد ألومنيوم أنعم. يتميز مسحوق هيدروكسيد الألومنيوم الناتج بهذه الطريقة بأشكال جسيمات غير منتظمة، وحجم جسيمات خشن نسبيًا، وتوزيع واسع للأحجام يتراوح عادةً بين 5 و15 ميكرومترًا. ونتيجةً لذلك، يكون أداء المنتج الإجمالي ضعيفًا نسبيًا.
عند استخدام هيدروكسيد الألومنيوم المُنتَج بهذه الطريقة في صناعة الأسلاك والكابلات، تكون خصائص معالجته وليونته ومقاومته للاشتعال أقل بكثير من تلك الخاصة بهيدروكسيد الألومنيوم المُنتَج بالطرق الكيميائية. ورغم أن الطريقة الميكانيكية تتميز ببساطة عملية التحضير وانخفاض التكلفة التجريبية نسبيًا، إلا أن المنتج يحتوي على مستويات أعلى من الشوائب. إضافةً إلى ذلك، فإن توزيع حجم الجسيمات غير متجانس، مما يحد من انتشار استخدامه.
(2) طريقة ترسيب البذور
تعتمد طريقة الترسيب بالبذور الشائعة الاستخدام على إضافة بلورات هيدروكسيد الألومنيوم فائقة النعومة إلى محلول ألومينات الصوديوم المُحضر لإنتاج مسحوق هيدروكسيد الألومنيوم (ATH) أنقى وأدق. وتُعد جودة البلورات عاملاً هاماً يؤثر على حجم جزيئات مسحوق هيدروكسيد الألومنيوم.
(3) طريقة سول-جل
تتضمن هذه الطريقة تحلل مركبات الألومنيوم مائيًا في حمام مائي عند درجة حرارة محددة، ومعدل تحريك معين، ودرجة حموضة معينة، لتكوين محلول هيدروكسيد الألومنيوم، الذي يتحول بدوره إلى هلام في ظل ظروف معينة. ويتم الحصول على مسحوق هيدروكسيد الألومنيوم فائق النعومة النهائي من خلال التجفيف والطحن.
(4) طريقة الترسيب
يمكن تقسيم طريقة الترسيب إلى نوعين: الترسيب المباشر والترسيب المتجانس. يشير الترسيب المباشر إلى إضافة عامل مُرسب إلى محلول ألومينات لتحضير هيدروكسيد ألومنيوم فائق النعومة وعالي النقاوة في ظل ظروف محددة. خلال عملية الترسيب، تُعد درجة امتزاج العامل المُرسب بالمحلول عاملاً أساسياً يؤثر على خصائص المنتج النهائي. أما الترسيب المتجانس فيختلف عن الترسيب المباشر في أن معدل نمو الترسيب فيه أبطأ نسبياً.
(5) طريقة التخليق الحراري المائي
تُحضّر طريقة المعالجة الحرارية المائية مادة ATH عن طريق تسخين وعاء تفاعل مغلق، مما يسمح للمواد الخام بالتفاعل في وسط مذيب عضوي في ظل ظروف درجة حرارة عالية وضغط عالٍ.
(6) طريقة الكربنة
تتضمن طريقة الكربنة إدخال ثاني أكسيد الكربون في محلول ألومينات الصوديوم والتحكم في ظروف التفاعل لتحضير هيدروكسيد الألومنيوم.
2. تعديل السطح مسحوق هيدروكسيد الألومنيوم فائق النعومة
(1) مُعدِّلات السطح
تتضمن المُعدِّلات الرئيسية المستخدمة حاليًا لتعديل سطح هيدروكسيد الألومنيوم فائق النعومة موادًا فعالة سطحية وعوامل ربط. ومن المواد الفعالة السطحية الشائعة دوديسيل بنزين سلفونات الصوديوم (SDBS) وستيرات الصوديوم وزيت السيليكون. وتعتمد آلية التعديل على وجود مجموعة قطبية في أحد طرفي جزيء المادة الفعالة السطحية، تتفاعل كيميائيًا مع سطح المادة غير العضوية أو تُمتص عليه فيزيائيًا، مُشكِّلةً طبقةً سطحيةً. طلاء الطبقة، بينما يتكون الطرف الآخر من مجموعة ألكيل طويلة السلسلة تتمتع بتوافق قوي مع البوليمرات بسبب بنيتها المماثلة.
تعمل عوامل الربط عبر آلية كيميائية محددة. يرتبط جزء من المجموعات الوظيفية الجزيئية بالسطح غير العضوي، بينما ترتبط سلاسل الكربون المتبقية بالمواد البوليمرية. قد يكون هذا الارتباط فيزيائيًا أو كيميائيًا. تربط هذه الروابط المادة غير العضوية بالبوليمرات العضوية بإحكام. تشمل عوامل الربط الشائعة عوامل ربط السيلان، وعوامل ربط التيتانات، وعوامل ربط الألومينات.
(2) طرق التعديل
في الوقت الحالي، يتم استخدام التعديل الجاف والتعديل الرطب بشكل أساسي لمعالجة سطح هيدروكسيد الألومنيوم.
تتضمن عملية التعديل الجاف وضع مسحوق المادة الخام والمعدِّل أو المشتت في معدات خاصة، وضبط سرعة الدوران المناسبة للتقليب والخلط، مما يسمح للمعدِّل بتغطية سطح مسحوق هيدروكسيد الألومنيوم. هذه الطريقة مناسبة للإنتاج على نطاق واسع.
يشير التعديل الرطب إلى إضافة المُعدِّل إلى معلق هيدروكسيد الألومنيوم المُحضَّر مسبقًا بنسبة سائل إلى صلب محددة، وإجراء التعديل مع التحريك والتشتيت الجيدين عند درجة حرارة معينة. على الرغم من أن هذه الطريقة أكثر تعقيدًا، إلا أنها توفر طلاءً سطحيًا أكثر تجانسًا وتأثيرات تعديل أفضل.
(3) آلية التعديل
يشير تعديل سطح هيدروكسيد الألومنيوم إلى امتزاز أو تغطية سطحه بمادة واحدة أو أكثر لتشكيل مركب ذي بنية لبية-قشرية. ويُعدّ التعديل السطحي في معظمه تعديلاً عضوياً، ويمكن تقسيمه إلى فئتين.
تعتمد الطريقة الفيزيائية على معالجة الأسطح باستخدام مواد فعالة سطحية مثل الأحماض الدهنية العليا والكحولات والأمينات والإسترات لزيادة المسافة بين الجزيئات، ومنع تكتلها، وتحسين التجاذب بين هيدروكسيد الألومنيوم والبوليمرات العضوية. وهذا بدوره يعزز مقاومة اللهب، ويحسن أداء المعالجة، ويزيد من مقاومة البوليمرات العضوية للصدمات.
تعتمد الطريقة الكيميائية على استخدام عوامل الربط لتعديل سطح هيدروكسيد الألومنيوم. تتفاعل المجموعات الوظيفية في جزيئات عامل الربط مع سطح المسحوق لتكوين روابط كيميائية، مما يُحقق التعديل. تتميز جزيئات عامل الربط بألفة قوية للمواد العضوية، حيث يمكنها التفاعل مباشرةً مع البوليمرات العضوية. يسمح هذا لهيدروكسيد الألومنيوم بالارتباط بقوة مع مصفوفة البوليمر، مما يُحسّن الخصائص العامة للمواد المركبة. تشترك العديد من المُعدِّلات في آلية مماثلة، ومنها عوامل الربط السيلانية والتيتاناتية والألوميناتية، وحمض الستياريك. تحتوي بنيتها الجزيئية على مجموعات ذات ألفة للمواد غير العضوية وأخرى ذات ألفة للمواد العضوية. تعمل هذه المجموعات الوظيفية المزدوجة كجسر جزيئي، حيث تربط هيدروكسيد الألومنيوم بالمواد العضوية بإحكام.
(4) تقييم آثار التعديل
حالياً، يمكن استخدام طريقتين لتقييم تأثير تعديل مسحوق هيدروكسيد الألومنيوم.
تقيّم الطريقة المباشرة تأثير التعديل عن طريق قياس خصائص مقاومة اللهب والخواص الميكانيكية للمركبات المملوءة بهيدروكسيد الألومنيوم المعدل. وعلى الرغم من أن هذه الطريقة معقدة نسبياً، إلا أن نتائج الاختبار موثوقة.
تقوم الطريقة غير المباشرة بتقييم تأثير التعديل عن طريق قياس التغيرات في الخصائص الفيزيائية والكيميائية لسطح مسحوق هيدروكسيد الألومنيوم قبل التعديل وبعده.
تشمل مؤشرات التقييم المحددة ما يلي:
مؤشر التنشيط. يترسب هيدروكسيد الألومنيوم، كمادة قطبية غير عضوية، في الماء بشكل طبيعي. بعد التعديل، يصبح سطح المسحوق غير قطبي وتزداد كرهه للماء، مما يمنعه من الترسب. تعكس التغيرات في مؤشر التنشيط درجة تنشيط السطح وتحدد مدى فعالية عملية التعديل.
قيمة امتصاص الزيت. تُعدّ قيمة امتصاص الزيت مؤشراً هاماً لتشتت هيدروكسيد الألومنيوم في البوليمرات، وتعكس مسامية المسحوق ومساحة سطحه النوعية. يُحسّن تعديل السطح من تشتت المسحوق في البوليمرات ويقلل من الفراغات الناتجة عن تكتل الجزيئات، مما يُخفض قيمة امتصاص الزيت.
استقرار التشتت. تُحدد هذه الطريقة تأثير تعديل السطح من خلال مقارنة سلوك تشتت مساحيق هيدروكسيد الألومنيوم المُعدلة بمواد مختلفة في وسط التشتت. ويمكن استخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لمراقبة مورفولوجيا وخصائص التشتت.
شكرًا لقراءتكم. آمل أن يكون مقالي مفيدًا. يُرجى ترك تعليق أدناه. يمكنكم أيضًا التواصل مع ممثل خدمة عملاء زيلدا عبر الإنترنت لأي استفسارات أخرى.
— نشر بواسطة إميلي تشين