L'hydroxyde d'aluminium (ATH) possède de multiples fonctions, notamment l'ignifugation, la réduction des fumées et le remplissage. Il ne génère pas de pollution secondaire et peut produire des effets ignifuges synergiques avec diverses substances. Par conséquent, il est largement utilisé comme additif ignifuge dans les matériaux composites et est devenu l'ignifugeant inorganique écologique le plus utilisé. Lorsque l'hydroxyde d'aluminium est utilisé comme additif ignifuge, sa teneur et la taille des particules L'utilisation d'hydroxyde d'aluminium (ATH) a un impact significatif sur les propriétés ignifuges et mécaniques des matériaux composites. Pour atteindre un certain niveau d'ignifugation, une charge relativement élevée d'ATH est généralement requise. À charge égale, plus la granulométrie est fine, meilleures sont les performances ignifuges. Par conséquent, nous cherchons à optimiser l'effet ignifuge de la poudre d'hydroxyde d'aluminium ultrafine, tout en minimisant son impact négatif sur les propriétés mécaniques. Cet impact s'accentue avec l'augmentation de la charge. C'est pourquoi les techniques de granulométrie ultrafine et nanométrique constituent de nouvelles pistes de développement, notamment pour les retardateurs de flamme à base d'ATH.
Cependant, les poudres ultrafines présentent une granulométrie très réduite et une énergie de surface élevée, ce qui les rend sujettes à l'agglomération et difficiles à disperser uniformément dans les matrices polymères. De plus, la poudre d'hydroxyde d'aluminium ultrafine est un matériau inorganique polaire typique, peu compatible avec les polymères organiques, notamment les polyoléfines non polaires. La faible adhésion interfaciale entraîne une mauvaise fluidité à l'état fondu lors du compoundage et du moulage. Il en résulte une dégradation des performances de mise en œuvre et des propriétés mécaniques. Par conséquent, il est essentiel de réduire l'agglomération des particules ultrafines d'hydroxyde d'aluminium. Il est également nécessaire d'améliorer la compatibilité interfaciale entre la poudre d'hydroxyde d'aluminium et les matrices polymères, ainsi que sa dispersion au sein de la matrice. Ces facteurs sont déterminants pour l'obtention de composites ignifuges haute performance. Ils constituent donc des enjeux majeurs pour l'application de l'hydroxyde d'aluminium ultrafin dans les matériaux chargés ignifuges.
1. Préparation de poudre d'hydroxyde d'aluminium ultrafine
Les méthodes de préparation de l'hydroxyde d'aluminium ultrafin comprennent des méthodes physiques et chimique Les méthodes physiques désignent généralement les méthodes mécaniques. Les méthodes chimiques regroupent plusieurs techniques, notamment la précipitation par ensemencement, la méthode sol-gel et la précipitation. Elles incluent également la synthèse hydrothermale, la carbonatation, la méthode de supergravité, etc.
(1) Méthode mécanique
La méthode mécanique utilise équipement de broyage comme broyeurs à jet et broyeurs à boulets. Ces outils broient et concassent de l'hydroxyde d'aluminium non industriel, lavé et séché. Ce procédé permet d'obtenir une poudre d'ATH plus fine. La poudre d'ATH ainsi obtenue présente des particules de formes irrégulières et une granulométrie relativement grossière, avec une large distribution granulométrique, généralement comprise entre 5 et 15 μm. De ce fait, les performances globales du produit sont relativement faibles.
Lorsqu'on utilise l'hydroxyde d'aluminium produit par ce procédé dans la fabrication de fils et de câbles, ses performances de mise en œuvre, sa ductilité et ses propriétés ignifuges sont nettement inférieures à celles de l'hydroxyde d'aluminium produit par voie chimique. Bien que le procédé mécanique présente une préparation simple et un coût expérimental relativement faible, le produit contient davantage d'impuretés. De plus, la granulométrie est hétérogène, ce qui limite son application à grande échelle.
(2) Méthode de précipitation des semences
Le principe de la méthode de précipitation par ensemencement couramment utilisée repose sur l'ajout de germes cristallins ultrafins d'hydroxyde d'aluminium à une solution d'aluminate de sodium préparée, afin de produire une poudre d'ATH plus pure et plus fine. La qualité des germes cristallins est un facteur déterminant pour la granulométrie de la poudre d'ATH.
(3) Méthode sol-gel
Ce procédé consiste à hydrolyser des composés d'aluminium dans un bain-marie à température, vitesse d'agitation et pH spécifiques afin de générer un sol d'hydroxyde d'aluminium, qui se transforme ensuite en gel dans certaines conditions. La poudre d'hydroxyde d'aluminium ultrafine finale est obtenue par séchage et broyage.
(4) Méthode de précipitation
La méthode de précipitation se divise en précipitation directe et précipitation homogène. La précipitation directe consiste à ajouter un agent précipitant à une solution d'aluminate pour préparer de l'hydroxyde d'aluminium ultrafin de haute pureté dans des conditions spécifiques. Lors de ce processus, le degré de mélange entre l'agent précipitant et la solution est un facteur déterminant pour les propriétés du produit final. La précipitation homogène se distingue de la précipitation directe par une vitesse de croissance plus lente.
(5) Méthode de synthèse hydrothermale
La méthode hydrothermale permet de préparer l'ATH en chauffant un récipient de réaction fermé, permettant ainsi aux matières premières de réagir dans un milieu de solvant organique sous des conditions de température et de pression élevées.
(6) Méthode de carbonatation
La méthode de carbonatation consiste à introduire du CO₂ dans une solution d'aluminate de sodium et à contrôler les conditions de réaction pour préparer de l'hydroxyde d'aluminium.
2. Modification de surface de poudre d'hydroxyde d'aluminium ultrafine
(1) Modificateurs de surface
Actuellement, les principaux modificateurs utilisés pour la modification de surface de l'hydroxyde d'aluminium ultrafin comprennent des tensioactifs et des agents de couplage. Parmi les tensioactifs courants, on trouve le dodécylbenzènesulfonate de sodium (SDBS), le stéarate de sodium et l'huile de silicone. Le mécanisme de modification implique qu'une extrémité de la molécule de tensioactif, contenant un groupe polaire, réagit chimiquement avec la surface du matériau inorganique ou s'y adsorbe physiquement, formant ainsi une barrière. revêtement une couche, tandis que l'autre extrémité est constituée d'un groupe alkyle à longue chaîne qui présente une forte compatibilité avec les polymères en raison de sa structure similaire.
Les agents de couplage agissent selon un mécanisme chimique spécifique. Une partie de leurs groupements fonctionnels se lie à la surface inorganique, tandis que les chaînes carbonées restantes se lient aux matériaux polymères. Cette liaison peut être physique ou chimique. Ces liaisons assurent un assemblage solide entre le matériau inorganique et les polymères organiques. Parmi les agents de couplage courants, on trouve les silanes, les titanates et les aluminates.
(2) Méthodes de modification
Actuellement, la modification à sec et la modification humide sont principalement utilisées pour le traitement de surface de l'ATH.
La modification à sec consiste à placer la matière première en poudre et le modificateur ou dispersant dans un équipement spécifique et à ajuster la vitesse de rotation pour l'agitation et le mélange, permettant ainsi au modificateur d'enrober la surface de la poudre d'hydroxyde d'aluminium. Cette méthode est adaptée à la production à grande échelle.
La modification par voie humide consiste à ajouter le modificateur à une suspension d'hydroxyde d'aluminium préalablement préparée, selon un rapport liquide/solide précis, puis à effectuer la modification sous agitation et dispersion complètes à une température donnée. Bien que plus complexe à mettre en œuvre, cette méthode permet d'obtenir un revêtement de surface plus uniforme et une modification plus efficace.
(3) Mécanisme de modification
La modification de surface de l'hydroxyde d'aluminium consiste en l'adsorption ou le revêtement d'une ou plusieurs substances sur sa surface afin de former un composite à structure cœur-coquille. Cette modification de surface est principalement organique et se divise en deux catégories.
La méthode physique consiste en un traitement de surface par revêtement à l'aide de tensioactifs tels que des acides gras supérieurs, des alcools, des amines et des esters afin d'accroître la distance entre les particules, d'inhiber leur agglomération et d'améliorer l'affinité entre l'hydroxyde d'aluminium et les polymères organiques. Ce procédé renforce la résistance au feu, améliore les performances de mise en œuvre et accroît encore la résistance aux chocs des polymères organiques.
La méthode chimique consiste à utiliser des agents de couplage pour modifier la surface de l'hydroxyde d'aluminium. Les groupes fonctionnels des molécules d'agent de couplage réagissent avec la surface de la poudre pour former des liaisons chimiques, permettant ainsi la modification. Les molécules d'agent de couplage présentent une forte affinité pour les matériaux organiques et peuvent réagir directement avec les polymères organiques. Ceci permet à l'hydroxyde d'aluminium de se lier fortement à la matrice polymère, améliorant ainsi les propriétés globales des matériaux composites. Plusieurs modificateurs partagent un mécanisme similaire, notamment les agents de couplage silane, titanate, aluminate et l'acide stéarique. Leurs structures moléculaires contiennent à la fois des groupes à affinité inorganique et organique. Ces groupes bifonctionnels agissent comme un pont moléculaire, liant fortement l'hydroxyde d'aluminium aux matériaux organiques.
(4) Évaluation des effets de la modification
Actuellement, deux méthodes peuvent être utilisées pour évaluer l'effet de modification de la poudre d'hydroxyde d'aluminium.
La méthode directe évalue l'effet de la modification en mesurant les propriétés ignifuges et mécaniques de composites chargés d'hydroxyde d'aluminium modifié. Bien que relativement complexe, cette méthode donne des résultats fiables.
La méthode indirecte évalue l'effet de la modification en mesurant les changements des propriétés physiques et chimiques de la surface de la poudre d'hydroxyde d'aluminium avant et après modification.
Les indicateurs d'évaluation spécifiques comprennent :
Indice d'activation. L'hydroxyde d'aluminium, matériau polaire inorganique, se dépose naturellement dans l'eau. Après modification, la surface de la poudre devient non polaire et son hydrophobie augmente, l'empêchant ainsi de se déposer dans l'eau. Les variations de l'indice d'activation reflètent le degré d'activation de surface et caractérisent l'efficacité du traitement de modification.
Valeur d'absorption d'huile. L'indice d'absorption d'huile est un indicateur important de la dispersion de l'hydroxyde d'aluminium dans les polymères et reflète la porosité et la surface spécifique de la poudre. La modification de surface améliore la dispersion de la poudre dans les polymères et réduit les vides dus à l'agglomération des particules, diminuant ainsi l'indice d'absorption d'huile.
Stabilité de la dispersion. Cette méthode caractérise l'effet de la modification de surface en comparant le comportement de dispersion de poudres d'hydroxyde d'aluminium modifiées par différents agents modificateurs dans des milieux de dispersion. La microscopie électronique à balayage (MEB) permet d'observer la morphologie et les caractéristiques de dispersion.
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— Publié par Emily Chen