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.
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
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) 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
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.
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