Aluminum hydroxide (ATH) possesses multiple functions, including flame retardancy, smoke suppression, and filling. It does not produce secondary pollution and can generate synergistic flame-retardant effects with various substances. Therefore, it is widely used as a flame-retardant additive in composite materials and has become the most widely consumed environmentally friendly inorganic flame retardant. When aluminum hydroxide is used as a flame-retardant additive, its content and particle size have a significant impact on the flame-retardant and mechanical properties of the composite material. To achieve a certain flame-retardant rating, a relatively high loading level of ATH is usually required. When the loading amount is fixed, the finer the particle size, the better the flame-retardant performance. Therefore, we want to better utilize the flame-retardant effect of ultrafine aluminum hydroxide powder. We also want to reduce the negative impact on mechanical properties. This impact becomes serious when the loading level increases. For these reasons, ultrafine and nano-sizing have become new development trends. These trends apply to ATH flame retardants.
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
The preparation methods of ultrafine aluminum hydroxide include physical and chemical methods. The physical method generally refers to the mechanical method. Chemical methods include several techniques. These include the seed precipitation method, sol–gel method, and precipitation method. They also include the hydrothermal synthesis method, carbonation method, supergravity method, and others.
(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
Currently, the main modifiers used for surface modification of ultrafine aluminum hydroxide include surfactants and coupling agents. Common surfactants include sodium dodecyl benzene sulfonate (SDBS), sodium stearate, and silicone oil. The modification mechanism involves one end of the surfactant molecule containing a polar group that chemically reacts with or physically adsorbs onto the inorganic material surface, forming a coating layer, while the other end consists of a long-chain alkyl group that has strong compatibility with polymers due to its similar structure.
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