Aluminiumhydroxid (ATH) besitzt vielfältige Funktionen, darunter Flammschutz, Rauchunterdrückung und Füllstoff. Es verursacht keine Sekundärverschmutzung und kann mit verschiedenen Substanzen synergistische Flammschutzwirkungen erzielen. Daher wird es häufig als Flammschutzmittelzusatz in Verbundwerkstoffen eingesetzt und hat sich zum meistverwendeten umweltfreundlichen anorganischen Flammschutzmittel entwickelt. Bei der Verwendung von Aluminiumhydroxid als Flammschutzmittelzusatz sind dessen Gehalt und Partikelgröße Die Partikelgröße hat einen signifikanten Einfluss auf die Flammschutz- und mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs. Um eine bestimmte Flammschutzklasse zu erreichen, ist üblicherweise ein relativ hoher Aluminiumhydroxid-Anteil erforderlich. Bei gleichbleibendem Anteil verbessert sich die Flammschutzwirkung mit abnehmender Partikelgröße. Daher ist es unser Ziel, die flammhemmende Wirkung von ultrafeinem Aluminiumhydroxidpulver optimal zu nutzen und gleichzeitig die negativen Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften zu minimieren. Diese Auswirkungen verstärken sich mit steigendem Anteil. Aus diesen Gründen haben sich ultrafeine und nanoskalige Partikelgrößen zu neuen Entwicklungstrends entwickelt. Diese Trends gelten auch für Aluminiumhydroxid-Flammschutzmittel.
Ultrafeine Pulver weisen jedoch sehr kleine Partikelgrößen und eine hohe Oberflächenenergie auf, wodurch sie zur Agglomeration neigen und sich nur schwer gleichmäßig in Polymermatrices dispergieren lassen. Darüber hinaus ist ultrafeines Aluminiumhydroxidpulver ein typisches polares anorganisches Material mit geringer Kompatibilität zu organischen Polymeren, insbesondere zu unpolaren Polyolefinen. Schwache Grenzflächenbindungen führen zu schlechtem Schmelzfluss beim Compoundieren und Formen. Dies verschlechtert die Verarbeitungseigenschaften und die mechanischen Eigenschaften. Daher ist die Reduzierung der Agglomeration ultrafeiner Aluminiumhydroxidpartikel unerlässlich. Es ist außerdem notwendig, die Grenzflächenkompatibilität zwischen Aluminiumhydroxidpulver und Polymermatrices zu verbessern und dessen Dispersion innerhalb der Matrix zu optimieren. Diese Faktoren sind entscheidend für die Herstellung von Hochleistungs-Flammschutzverbundwerkstoffen. Folglich sind sie zu Schlüsselaspekten bei der Anwendung von ultrafeinem Aluminiumhydroxid in flammhemmend gefüllten Materialien geworden.
1. Herstellung von ultrafeinem Aluminiumhydroxidpulver
Zu den Herstellungsverfahren von ultrafeinem Aluminiumhydroxid gehören physikalische und chemisch Methoden. Physikalische Methoden bezeichnen im Allgemeinen mechanische Verfahren. Chemische Methoden umfassen verschiedene Techniken. Dazu gehören die Impfkristallisation, das Sol-Gel-Verfahren und die Fällungsmethode. Weitere Beispiele sind die Hydrothermalsynthese, die Carbonatisierung, die Supergravitationsmethode und andere.
(1) Mechanisches Verfahren
Die mechanische Methode verwendet Schleifgeräte wie Strahlmühlen Und Kugelmühlen. Diese Werkzeuge zerkleinern und mahlen gewaschenes und getrocknetes Aluminiumhydroxid (ATH) in nicht-industrieller Qualität. Dadurch entsteht feineres ATH-Pulver. Das so hergestellte ATH-Pulver weist jedoch unregelmäßige Partikelformen und eine relativ grobe Partikelgröße mit einer breiten Größenverteilung auf. Diese liegt üblicherweise zwischen 5 und 15 μm. Infolgedessen ist die Gesamtleistung des Produkts relativ gering.
Wird das nach diesem Verfahren hergestellte Aluminiumhydroxid in der Draht- und Kabelherstellung eingesetzt, sind seine Verarbeitungseigenschaften, Duktilität und Flammschutzwirkung deutlich schlechter als die von chemisch hergestelltem Aluminiumhydroxid. Obwohl das mechanische Verfahren ein einfaches Herstellungsverfahren und relativ geringe Kosten aufweist, enthält das Produkt einen höheren Anteil an Verunreinigungen. Zudem ist die Partikelgrößenverteilung ungleichmäßig, was die breite Anwendung einschränkt.
(2) Saatgutfällungsmethode
Das Kernstück der gängigen Impfmethode ist die Zugabe ultrafeiner Aluminiumhydroxid-Kristallkeime zu einer vorbereiteten Natriumaluminatlösung, um reineres und feineres ATH-Pulver zu erhalten. Die Qualität der Kristallkeime ist ein wichtiger Faktor, der die Partikelgröße des ATH-Pulvers beeinflusst.
(3) Sol-Gel-Verfahren
Bei diesem Verfahren werden Aluminiumverbindungen unter spezifischen Bedingungen hinsichtlich Wasserbadtemperatur, Rührgeschwindigkeit und pH-Wert hydrolysiert, um ein Aluminiumhydroxid-Sol zu erzeugen, das sich anschließend unter bestimmten Bedingungen in ein Gel umwandelt. Das finale ultrafeine Aluminiumhydroxid-Pulver wird durch Trocknen und Mahlen gewonnen.
(4) Niederschlagsmethode
Das Fällungsverfahren lässt sich in direkte und homogene Fällung unterteilen. Bei der direkten Fällung wird ein Fällungsmittel einer Aluminatlösung zugegeben, um unter bestimmten Bedingungen hochreines, ultrafeines Aluminiumhydroxid herzustellen. Der Mischungsgrad zwischen Fällungsmittel und Lösung ist dabei ein entscheidender Faktor für die Eigenschaften des Endprodukts. Die homogene Fällung unterscheidet sich von der direkten Fällung durch eine vergleichsweise geringere Fällungsgeschwindigkeit.
(5) Hydrothermale Synthesemethode
Bei der hydrothermalen Methode wird ATH durch Erhitzen eines geschlossenen Reaktionsgefäßes hergestellt, wobei die Rohstoffe in einem organischen Lösungsmittelmedium unter hohen Temperatur- und Druckbedingungen reagieren.
(6) Karbonisierungsverfahren
Bei der Carbonatisierungsmethode wird CO₂ in eine Natriumaluminatlösung eingeleitet und die Reaktionsbedingungen werden so gesteuert, dass Aluminiumhydroxid hergestellt wird.
2. Oberflächenmodifizierung von ultrafeinem Aluminiumhydroxidpulver
(1) Oberflächenmodifikatoren
Zur Oberflächenmodifizierung von ultrafeinem Aluminiumhydroxid werden derzeit hauptsächlich Tenside und Haftvermittler eingesetzt. Gängige Tenside sind Natriumdodecylbenzolsulfonat (SDBS), Natriumstearat und Silikonöl. Der Modifizierungsmechanismus beruht darauf, dass ein Ende des Tensidmoleküls eine polare Gruppe trägt, die chemisch mit der Oberfläche des anorganischen Materials reagiert oder physikalisch daran adsorbiert und so eine … bildet. Beschichtung Die eine Seite besteht aus einer Schicht, während das andere Ende aus einer langkettigen Alkylgruppe besteht, die aufgrund ihrer ähnlichen Struktur eine starke Kompatibilität mit Polymeren aufweist.
Haftvermittler wirken über einen spezifischen chemischen Mechanismus. Ein Teil der molekularen funktionellen Gruppen bindet an die anorganische Oberfläche. Gleichzeitig binden die verbleibenden Kohlenstoffketten an die Polymermaterialien. Diese Bindung kann physikalisch oder chemisch sein. Diese Verbindungen verknüpfen das anorganische Material fest mit den organischen Polymeren. Gängige Haftvermittler sind Silan-, Titanat- und Aluminat-Haftvermittler.
(2) Modifizierungsmethoden
Zur Oberflächenbehandlung von ATH werden derzeit hauptsächlich Trocken- und Nassmodifizierung eingesetzt.
Bei der Trockenmodifizierung werden das pulverförmige Rohmaterial und der Modifikator oder Dispergiermittel in spezielle Anlagen gegeben und die Drehzahl zum Rühren und Mischen entsprechend eingestellt, sodass der Modifikator die Oberfläche des Aluminiumhydroxidpulvers umhüllt. Dieses Verfahren eignet sich für die Produktion im großen Maßstab.
Bei der Nassmodifizierung wird der Modifikator einer vorbereiteten Aluminiumhydroxid-Suspension mit einem bestimmten Flüssig-Feststoff-Verhältnis zugegeben und die Modifizierung unter gründlichem Rühren und Dispergieren bei einer bestimmten Temperatur durchgeführt. Obwohl dieses Verfahren in der Durchführung komplexer ist, führt es zu einer gleichmäßigeren Oberflächenbeschichtung und besseren Modifizierungsergebnissen.
(3) Modifikationsmechanismus
Die Oberflächenmodifizierung von Aluminiumhydroxid bezeichnet die Adsorption oder Beschichtung einer oder mehrerer Substanzen auf dessen Oberfläche zur Bildung eines Komposits mit Kern-Schale-Struktur. Es handelt sich dabei hauptsächlich um organische Modifizierungen, die in zwei Kategorien unterteilt werden können.
Das physikalische Verfahren beinhaltet eine Oberflächenbeschichtung mit Tensiden wie höheren Fettsäuren, Alkoholen, Aminen und Estern. Dadurch wird der Abstand zwischen den Partikeln vergrößert, die Partikelagglomeration gehemmt und die Affinität zwischen Aluminiumhydroxid und organischen Polymeren verbessert. Dies erhöht die Flammwidrigkeit, verbessert die Verarbeitbarkeit und steigert die Schlagfestigkeit der organischen Polymere.
Das chemische Verfahren basiert auf der Modifizierung der Oberfläche von Aluminiumhydroxid mithilfe von Haftvermittlern. Funktionelle Gruppen der Haftvermittlermoleküle reagieren mit der Pulveroberfläche und bilden chemische Bindungen, wodurch die Modifizierung erreicht wird. Haftvermittlermoleküle weisen eine hohe Affinität zu organischen Materialien auf und können direkt mit organischen Polymeren reagieren. Dies ermöglicht eine feste Bindung des Aluminiumhydroxids (ATH) mit der Polymermatrix und verbessert somit die Gesamteigenschaften des Verbundwerkstoffs. Verschiedene Modifikatoren nutzen einen ähnlichen Mechanismus. Dazu gehören Silan-, Titanat- und Aluminat-Haftvermittler sowie Stearinsäure. Ihre Molekülstrukturen enthalten sowohl anorganisch als auch organisch affine Gruppen. Diese dualen funktionellen Gruppen fungieren als molekulare Brücke und verbinden das Aluminiumhydroxid fest mit den organischen Materialien.
(4) Bewertung der Modifikationseffekte
Zur Bewertung der Modifizierungswirkung von Aluminiumhydroxidpulver stehen derzeit zwei Methoden zur Verfügung.
Die direkte Methode bewertet den Modifizierungseffekt durch Messung der flammhemmenden und mechanischen Eigenschaften von mit modifiziertem Aluminiumhydroxid gefüllten Verbundwerkstoffen. Obwohl diese Methode relativ komplex ist, sind die Testergebnisse zuverlässig.
Die indirekte Methode bewertet den Modifizierungseffekt durch Messung der Veränderungen der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Aluminiumhydroxidpulveroberfläche vor und nach der Modifizierung.
Zu den spezifischen Bewertungsindikatoren gehören:
Aktivierungsindex. Aluminiumhydroxid, ein anorganisches polares Material, sedimentiert natürlicherweise in Wasser. Nach der Modifizierung wird die Pulveroberfläche unpolar und ihre Hydrophobie erhöht, wodurch die Sedimentation in Wasser verhindert wird. Änderungen des Aktivierungsindex spiegeln den Grad der Oberflächenaktivierung wider und charakterisieren die Wirksamkeit der Modifizierungsbehandlung.
Ölabsorptionswert. Der Ölabsorptionswert ist ein wichtiger Indikator für die Dispersion von Aluminiumhydroxid in Polymeren und spiegelt die Porosität und die spezifische Oberfläche des Pulvers wider. Durch Oberflächenmodifizierung wird die Dispersion des Pulvers in Polymeren verbessert und die durch Partikelagglomeration entstehenden Hohlräume reduziert, wodurch der Ölabsorptionswert sinkt.
Dispersionsstabilität. Diese Methode charakterisiert den Effekt der Oberflächenmodifizierung durch Vergleich des Dispersionsverhaltens von mit verschiedenen Modifikatoren modifizierten Aluminiumhydroxidpulvern in Dispersionsmedien. Mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) lassen sich Morphologie und Dispersionseigenschaften untersuchen.
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— Gepostet von Emily Chen