L'idrossido di alluminio (ATH) possiede molteplici funzioni, tra cui ritardante di fiamma, soppressione del fumo e riempimento. Non produce inquinamento secondario e può generare effetti ritardanti di fiamma sinergici con varie sostanze. Pertanto, è ampiamente utilizzato come additivo ritardante di fiamma nei materiali compositi ed è diventato il ritardante di fiamma inorganico ecologico più ampiamente utilizzato. Quando l'idrossido di alluminio viene utilizzato come additivo ritardante di fiamma, il suo contenuto e dimensione delle particelle hanno un impatto significativo sulle proprietà ignifughe e meccaniche del materiale composito. Per ottenere un determinato grado di ignifugazione, è solitamente richiesto un livello di carico di ATH relativamente elevato. Quando la quantità di carico è fissa, più fine è la granulometria, migliore è la prestazione ignifuga. Pertanto, vogliamo sfruttare al meglio l'effetto ignifugo della polvere di idrossido di alluminio ultrafine. Vogliamo anche ridurre l'impatto negativo sulle proprietà meccaniche. Questo impatto diventa grave all'aumentare del livello di carico. Per questi motivi, le dimensioni ultrafini e nanometriche sono diventate nuove tendenze di sviluppo. Queste tendenze si applicano ai ritardanti di fiamma ATH.
Tuttavia, le polveri ultrafini hanno dimensioni delle particelle molto piccole e un'elevata energia superficiale, il che le rende soggette ad agglomerazione e difficili da disperdere uniformemente nelle matrici polimeriche. Inoltre, la polvere di idrossido di alluminio ultrafine è un tipico materiale inorganico polare con scarsa compatibilità con i polimeri organici, in particolare le poliolefine apolari. Un debole legame interfacciale porta a uno scarso flusso del fuso durante la miscelazione e lo stampaggio. Di conseguenza, le prestazioni di lavorazione e le proprietà meccaniche si deteriorano. Pertanto, è essenziale ridurre l'agglomerazione tra le particelle di ATH ultrafini. È inoltre necessario migliorare la compatibilità interfacciale tra la polvere di ATH e le matrici polimeriche e migliorarne la dispersione all'interno della matrice. Questi fattori sono fondamentali per ottenere compositi ignifughi ad alte prestazioni. Di conseguenza, sono diventati questioni chiave nell'applicazione di ATH ultrafine nei materiali caricati ignifughi.
1. Preparazione della polvere di idrossido di alluminio ultrafine
I metodi di preparazione dell'idrossido di alluminio ultrafine includono metodi fisici e chimico Metodi. Il metodo fisico si riferisce generalmente al metodo meccanico. I metodi chimici includono diverse tecniche. Tra queste, il metodo della precipitazione dei semi, il metodo sol-gel e il metodo della precipitazione. Includono anche il metodo della sintesi idrotermale, il metodo della carbonatazione, il metodo della supergravità e altri.
(1) Metodo meccanico
Il metodo meccanico utilizza attrezzatura per la macinazione Piace mulini a getto E mulini a sfere. Questi utensili frantumano e macinano idrossido di alluminio non industriale lavato e asciugato. Questo processo crea una polvere di ATH più fine. La polvere di ATH ottenuta con questo metodo presenta particelle di forma irregolare. La granulometria è relativamente grossolana. Presenta inoltre un'ampia distribuzione granulometrica. Questo intervallo è generalmente compreso tra 5 e 15 μm. Di conseguenza, le prestazioni complessive del prodotto sono relativamente scarse.
Quando l'idrossido di alluminio prodotto con questo metodo viene utilizzato nella produzione di fili e cavi, le sue prestazioni di lavorazione, duttilità e proprietà ignifughe sono di gran lunga inferiori a quelle dell'idrossido di alluminio prodotto con metodi chimici. Sebbene il metodo meccanico presenti un processo di preparazione semplice e costi sperimentali relativamente bassi, il prodotto contiene livelli di impurità più elevati. Inoltre, la distribuzione granulometrica non è uniforme, il che ne limita la diffusione.
(2) Metodo di precipitazione dei semi
Il fulcro del metodo di precipitazione dei semi comunemente utilizzato è l'aggiunta di semi cristallini di idrossido di alluminio ultrafine a una soluzione di alluminato di sodio preparata per produrre una polvere di ATH più pura e fine. La qualità dei semi cristallini è un fattore importante che influenza la granulometria della polvere di ATH.
(3) Metodo Sol-Gel
Questo metodo prevede l'idrolisi di composti di alluminio in specifiche condizioni di temperatura del bagno d'acqua, velocità di agitazione e pH per generare un sol di idrossido di alluminio, che poi si trasforma in un gel in determinate condizioni. La polvere finale di idrossido di alluminio ultrafine si ottiene mediante essiccazione e macinazione.
(4) Metodo di precipitazione
Il metodo di precipitazione può essere suddiviso in precipitazione diretta e precipitazione omogenea. La precipitazione diretta consiste nell'aggiunta di un agente precipitante a una soluzione di alluminato per preparare idrossido di alluminio ultrafine ad elevata purezza in determinate condizioni. Durante il processo di precipitazione, il grado di miscelazione tra l'agente precipitante e la soluzione è un fattore chiave che influenza le proprietà del prodotto finale. La precipitazione omogenea differisce dalla precipitazione diretta in quanto la velocità di crescita della precipitazione è relativamente più lenta.
(5) Metodo di sintesi idrotermale
Il metodo idrotermale prepara l'ATH riscaldando un recipiente di reazione chiuso, consentendo alle materie prime di reagire in un mezzo solvente organico in condizioni di alta temperatura e alta pressione.
(6) Metodo di carbonatazione
Il metodo della carbonatazione prevede l'introduzione di CO₂ in una soluzione di alluminato di sodio e il controllo delle condizioni di reazione per preparare l'idrossido di alluminio.
2. Modifica della superficie di polvere di idrossido di alluminio ultrafine
(1) Modificatori di superficie
Attualmente, i principali modificatori utilizzati per la modifica superficiale dell'idrossido di alluminio ultrafine includono tensioattivi e agenti accoppianti. I tensioattivi più comuni includono il sodio dodecilbenzensolfonato (SDBS), lo stearato di sodio e l'olio di silicone. Il meccanismo di modifica prevede che un'estremità della molecola del tensioattivo contenga un gruppo polare che reagisce chimicamente o si adsorbe fisicamente sulla superficie del materiale inorganico, formando un rivestimento strato, mentre l'altra estremità è costituita da un gruppo alchilico a catena lunga che, grazie alla sua struttura simile, ha una forte compatibilità con i polimeri.
Gli agenti accoppianti agiscono attraverso uno specifico meccanismo chimico. Parte dei gruppi funzionali molecolari si lega alla superficie inorganica. Nel frattempo, le restanti catene di carbonio si legano ai materiali polimerici. Questo legame può essere fisico o chimico. Queste connessioni collegano saldamente il materiale inorganico ai polimeri organici. Gli agenti accoppianti più comuni includono agenti accoppianti silanici, agenti accoppianti titanici e agenti accoppianti alluminici.
(2) Metodi di modifica
Attualmente, per il trattamento superficiale dell'ATH vengono utilizzate principalmente la modifica a secco e quella a umido.
La modifica a secco prevede il posizionamento della materia prima in polvere e del modificatore o disperdente in un'apparecchiatura specifica e la regolazione della velocità di rotazione appropriata per l'agitazione e la miscelazione, consentendo al modificatore di ricoprire la superficie della polvere di idrossido di alluminio. Questo metodo è adatto alla produzione su larga scala.
La modificazione a umido consiste nell'aggiungere il modificante a una sospensione di idrossido di alluminio pre-preparata con un determinato rapporto liquido-solido e nell'eseguire la modificazione sotto accurata agitazione e dispersione a una determinata temperatura. Sebbene questo metodo sia più complesso nel funzionamento, fornisce un rivestimento superficiale più uniforme e migliori effetti di modificazione.
(3) Meccanismo di modifica
La modificazione superficiale dell'idrossido di alluminio si riferisce all'adsorbimento o al rivestimento di una o più sostanze sulla sua superficie per formare un composito con una struttura nucleo-guscio. La modificazione superficiale è principalmente organica e può essere suddivisa in due categorie.
Il metodo fisico prevede il trattamento di rivestimento superficiale utilizzando tensioattivi come acidi grassi superiori, alcoli, ammine ed esteri per aumentare la distanza tra le particelle, inibirne l'agglomerazione e migliorare l'affinità tra l'idrossido di alluminio e i polimeri organici. Ciò migliora la resistenza alla fiamma, le prestazioni di lavorazione e aumenta ulteriormente la resistenza all'impatto dei polimeri organici.
Il metodo chimico si riferisce all'utilizzo di agenti accoppianti per modificare la superficie dell'idrossido di alluminio. I gruppi funzionali nelle molecole dell'agente accoppiante reagiscono con la superficie della polvere per formare legami chimici, ottenendo così la modifica. Le molecole dell'agente accoppiante hanno una forte affinità per i materiali organici. Possono reagire direttamente con i polimeri organici. Questo permette all'ATH di legarsi saldamente alla matrice polimerica. Di conseguenza, ciò migliora le proprietà complessive dei materiali compositi. Diversi modificatori condividono un meccanismo simile. Tra questi, silano, titanato, agenti accoppianti di alluminato e acido stearico. Le loro strutture molecolari contengono sia gruppi affini inorganici che organici. Questi gruppi a doppia funzionalità agiscono come un ponte molecolare. Collegano saldamente l'idrossido di alluminio ai materiali organici.
(4) Valutazione degli effetti di modifica
Attualmente, per valutare l'effetto di modificazione della polvere di idrossido di alluminio si possono utilizzare due metodi.
Il metodo diretto valuta l'effetto della modifica misurando le proprietà ignifughe e meccaniche dei compositi caricati con idrossido di alluminio modificato. Sebbene questo metodo sia relativamente complesso, i risultati dei test sono affidabili.
Il metodo indiretto valuta l'effetto della modifica misurando i cambiamenti nelle proprietà fisiche e chimiche della superficie della polvere di idrossido di alluminio prima e dopo la modifica.
Gli indicatori di valutazione specifici includono:
Indice di attivazione. L'idrossido di alluminio, essendo un materiale polare inorganico, si deposita naturalmente in acqua. Dopo la modifica, la superficie della polvere diventa apolare e la sua idrofobicità aumenta, impedendole di depositarsi in acqua. Le variazioni dell'indice di attivazione riflettono il grado di attivazione superficiale e caratterizzano l'efficacia del trattamento di modifica.
Valore di assorbimento dell'olio. Il valore di assorbimento d'olio è un indicatore importante della dispersione dell'idrossido di alluminio nei polimeri e riflette la porosità e l'area superficiale specifica della polvere. La modifica della superficie migliora la dispersione della polvere nei polimeri e riduce i vuoti formati dall'agglomerazione delle particelle, abbassando così il valore di assorbimento d'olio.
Stabilità della dispersione. Questo metodo caratterizza l'effetto della modifica superficiale confrontando il comportamento di dispersione di polveri di idrossido di alluminio modificate con diversi modificatori in mezzi di dispersione. La microscopia elettronica a scansione (SEM) può essere utilizzata per osservare la morfologia e le caratteristiche di dispersione.
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— Pubblicato da Emily Chen