I materiali polimerici sono uno dei tre principali sistemi di materiali, insieme a metalli e ceramiche, nell'industria moderna. Sono ampiamente utilizzati in beni di uso quotidiano, elettronica, componenti elettrici, produzione di cavi, componenti per autoveicoli, materiali da costruzione e molti altri settori. Tuttavia, poiché la maggior parte dei polimeri ha catene portanti di carbonio, si decompongono facilmente se riscaldati e generano gas infiammabili. Di conseguenza, si infiammano facilmente in presenza di fiamme libere, rappresentando una minaccia significativa per la sicurezza umana e la proprietà. Pertanto, l'integrazione di idrossido di alluminio, uno dei ritardanti di fiamma senza alogeni più ampiamente utilizzati, è diventato un approccio importante per migliorare le prestazioni ignifughe dei polimeri e un importante argomento di ricerca nella scienza dei materiali.
Meccanismo di combustione dei polimeri e strategie ignifughe
In sostanza, la combustione dei polimeri è un processo di decomposizione termica. Una volta riscaldate a una certa temperatura, le catene polimeriche si rompono, generando specie volatili infiammabili che partecipano a reazioni a catena di radicali liberi nella zona della fiamma, intensificando ulteriormente la combustione. Questo processo rilascia una grande quantità di calore, che si riversa nel materiale, causando una continua degradazione termica e creando un circolo vizioso.
Sulla base di questo meccanismo, le attuali strategie ignifughe si concentrano principalmente su due approcci:
Ritardante di fiamma in fase gassosa
Interrompere le reazioni a catena dei radicali liberi nella zona di combustione per ridurre l'efficienza della combustione.
Ritardante di fiamma in fase condensata
Bloccando il trasferimento di calore o formando uno strato protettivo di carbone per impedire che il calore e i prodotti di decomposizione infiammabili migrino verso la zona della fiamma.
Per ottenere questi effetti, sono stati sviluppati vari ritardanti di fiamma. Agiscono assorbendo il calore, rilasciando gas inerti, catturando i radicali liberi o favorendo la carbonizzazione. A seconda della loro chimico struttura, i ritardanti di fiamma possono essere ampiamente suddivisi in tipi organici e inorganici.
Perché molti settori si stanno orientando verso i ritardanti di fiamma inorganici
Sebbene alcuni ritardanti di fiamma organici, come i sistemi alogenati, siano altamente efficaci, i loro prodotti di decomposizione termica possono comportare rischi per la tossicità o l'ambiente. Con normative ambientali sempre più severe, le industrie si stanno orientando verso ritardanti di fiamma inorganici, più sicuri ed ecocompatibili.
Vantaggi dei ritardanti di fiamma inorganici：
- Non tossico e a bassa generazione di fumo
- Elevata stabilità termica e bassa reattività chimica
- Costi relativamente bassi e livelli di carico ammissibili elevati
Tra tutti i ritardanti di fiamma inorganici, idrossido di alluminio (Al(OH)₃, ATH) è il più ampiamente utilizzato ed è considerato un "perenne favorito" nel settore dei ritardanti di fiamma.
Perché l'idrossido di alluminio è così popolare?
Essendo il ritardante di fiamma inorganico più diffuso e ampiamente utilizzato, l'ATH è presente in quasi tutti i sistemi polimerici ritardanti di fiamma, tra cui composti per fili e cavi, prodotti in gomma, materiali termoindurenti, termoplastici e materiali da costruzione. I suoi vantaggi includono principalmente:
1. Forte decomposizione endotermica (assorbimento fisico del calore e raffreddamento)
L'ATH subisce una decomposizione endotermica a circa 200–300 °C:
Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3H₂O↑
Questa reazione assorbe una notevole quantità di calore e rilascia vapore acqueo, che diluisce i gas infiammabili e rallenta la combustione.
2.Formazione di uno strato protettivo di allumina (protezione in fase condensata)
L'Al₂O₃ generato forma uno strato denso e stabile simile alla ceramica sulla superficie del materiale, bloccando l'ossigeno e impedendo l'ulteriore decomposizione termica del polimero.
3. Sicuro, ecologico e conveniente
L'alluminio alluminato è chimicamente stabile e non produce gas tossici. È conforme alle normative ambientali globali. Le sue abbondanti risorse e il basso costo lo rendono ideale sia come ritardante di fiamma che come riempitivo funzionale, migliorando le proprietà meccaniche e isolanti e riducendo al contempo la produzione di fumo.
4. Gamma di applicazioni estremamente ampia
Grazie alla sua moderata temperatura di decomposizione, l'ATH è particolarmente adatto per polimeri a bassa temperatura di lavorazione, come poliolefine, PVC e gomma.
Le applicazioni più comuni includono:
- Fili e cavi: composti per cavi privi di alogeni a bassa emissione di fumi con carico ATH 50%–65%
- Materiali da costruzione: pannelli isolanti termici, pannelli compositi in alluminio ignifughi, compositi per metropolitane/gallerie
- Automotive e trasporti: Materiali per pacchi batteria EV, parti interne, componenti per il trasporto ferroviario
- Elettronica ed elettrodomestici: Laminati PCB, alloggiamenti per elettrodomestici, spine e prese
- Nastri trasportatori in gomma: nastri antistatici ignifughi per l'industria mineraria
Anche l'idrossido di alluminio presenta degli svantaggi.
Gli svantaggi principali includono:
- Livelli di carico elevati (tipicamente 40%–65% per UL94 V-0), che possono ridurre la resistenza meccanica e il flusso di fusione
- Elevata idrofilia e scarsa compatibilità con i polimeri idrofobici, che richiedono un trattamento superficiale (silano, titanato, acido stearico, ecc.)
Tuttavia, grazie ai progressi nella macinazione ultrafine (D50 < 2 μm), nella modifica delle superfici, nel nano-ATH e nell'uso sinergico con idrossido di magnesio, questi problemi sono stati notevolmente alleviati.
Tecnologia di preparazione e macinazione dell'idrossido di alluminio:
Le prestazioni dell'ATH nei sistemi ignifughi sono strettamente correlate alla sua dimensione delle particelle, distribuzione granulometrica, area superficiale specifica e proprietà superficiali. Pertanto, un ATH di alta qualità deve basarsi su processi di macinazione e classificazione stabili e precisi.
1. Fonte della materia prima e pretrattamento
L'alluminio triidrato di qualità industriale viene solitamente prodotto tramite il processo Bayer. Le particelle di alluminio triidrato grezzo presentano spesso agglomerazione e dimensioni relativamente grandi. Per soddisfare i requisiti prestazionali dei sistemi polimerici, è necessaria un'ulteriore macinazione.
2. Attrezzatura per la macinazione Selezione: la chiave per il controllo delle dimensioni delle particelle
Applicazioni diverse richiedono dimensioni delle particelle diverse:
- Composti per cavi: D50 = 1–10 μm
- Rivestimenti / Adesivi: gradi più fini
- Masterbatch di alta qualità: D97 < 10 μm con distribuzione dimensionale ristretta
Le soluzioni di macinazione più comuni includono:
Sistema di mulino a sfere + classificatore ad aria
- Ideale per la produzione stabile e su larga scala di D50 1–8 μm ATH
- Controllo preciso delle dimensioni delle particelle, ottenendo D97 10–15 μm
- Ampiamente utilizzato nei composti di cavi in PVC, PP
- Miglioramento della forma e della disperdibilità delle particelle
Mulino a getto d'aria (mulino a getto d'aria)
- Utilizza un flusso d'aria ad alta velocità per una macinazione a impatto ultra fine
- Produce polvere supermicronica D97 da 3–5 μm o più fine
- Adatto per materie plastiche ingegneristiche, materiali trasparenti, formulazioni di grado ottico
- Nessuna contaminazione dei supporti, garantendo un'elevata purezza
Mulino a rulli verticali, Mulino a perni, Mulino a impatto
- Adatto per gradi di finezza media (D50 5–30 μm)
- Utilizzato nei materiali da costruzione e nei prodotti in gomma
- Maggiore produzione, minori costi operativi
3. Tecnologia di classificazione: Garantire PSD ristretto e alta stabilità
I classificatori a turbina o a più ruote ad alta precisione separano le particelle fini e grossolane, fornendo all'ATH:
- Distribuzione granulometrica ristretta
- Minore viscosità del sistema nelle fusioni polimeriche
- Dispersione uniforme
- Prestazioni ignifughe più stabili ed efficienti
Soprattutto nei composti per cavi ad alto carico, la stabilità granulometrica influenza direttamente le proprietà meccaniche e le prestazioni di estrusione.
4. Modifica della superficie: Miglioramento della compatibilità con le matrici polimeriche
I polimeri non polari come PP e PE presentano una scarsa compatibilità con i riempitivi inorganici, rendendo essenziale il trattamento superficiale.
Agenti di accoppiamento comuni
- Titanati
- Silani
- Alluminati
Processo di modifica
Modificatore continuo + miscelazione ad alto taglio
Benefici
- Viscosità di fusione inferiore
- Migliore dispersione
- Carico di riempimento consentito più elevato
- Proprietà meccaniche migliorate
Nei composti di fili e cavi, l'ATH di alta qualità deve essere sottoposto a trattamento superficiale rivestimento per ottenere un'eccellente stabilità di lavorazione e prestazioni di isolamento elettrico.
Conclusione
Migliorare le prestazioni ignifughe dei polimeri è un compito cruciale e a lungo termine. Tra i numerosi ritardanti di fiamma, l'idrossido di alluminio si distingue per le sue proprietà di assorbimento del calore, rilascio di acqua, formazione di uno strato protettivo, sicurezza e rispetto dell'ambiente. Aumenta i livelli di ignifugazione e soddisfa le normative sempre più severe, rendendolo ampiamente utilizzato nei cavi, nell'edilizia, nell'automotive e nell'elettronica.
Con l'evoluzione della tecnologia dei ritardanti di fiamma, l'ATH continuerà a svolgere un ruolo fondamentale, soprattutto nelle formulazioni ad alta efficienza, nei sistemi sinergici e nelle applicazioni di precisione.
Polvere EPIC fornisce soluzioni di elaborazione complete per la produzione di ATH, tra cui:
- Mulino a sfere + multistadio classificatore dell'aria sistemi
- Linee di produzione di polvere ultrafine con mulino a getto
- Sistemi di modifica continua della superficie della polvere
Grazie al controllo preciso delle dimensioni delle particelle, alla macinazione a bassa contaminazione e alla modifica efficiente, EPIC Powder consente di ottenere ATH stabili e ad alte prestazioni per composti di cavi, gomma, materiali da costruzione e materie plastiche tecniche.
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— Pubblicato da Emily Chen