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.
Sin embargo, los polvos ultrafinos presentan tamaños de partícula muy pequeños y una alta energía superficial, lo que los hace propensos a la aglomeración y difíciles de dispersar uniformemente en matrices poliméricas. Además, el polvo de hidróxido de aluminio ultrafino es un material inorgánico polar típico con poca compatibilidad con polímeros orgánicos, especialmente poliolefinas apolares. La débil unión interfacial conduce a un flujo de fusión deficiente durante la composición y el moldeo. Como resultado, el rendimiento del procesamiento y las propiedades mecánicas se deterioran. Por lo tanto, es esencial reducir la aglomeración entre las partículas ultrafinas de ATH. También es necesario mejorar la compatibilidad interfacial entre el polvo de ATH y las matrices poliméricas y mejorar su dispersión dentro de la matriz. Estos factores son críticos para obtener compuestos ignífugos de alto rendimiento. En consecuencia, se han convertido en aspectos clave en la aplicación de ATH ultrafino en materiales con carga ignífuga.
1. Preparación de polvo de hidróxido de aluminio ultrafino
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) Método mecánico
El método mecánico utiliza equipo de molienda como molinos de chorro y molinos de bolas. Estas herramientas trituran y muelen hidróxido de aluminio de grado no industrial, lavado y secado. Este proceso produce un polvo de ATH más fino. El polvo de ATH obtenido con este método presenta formas de partícula irregulares. El tamaño de partícula es relativamente grueso. También presenta una amplia distribución de tamaño. Este rango generalmente se encuentra entre 5 y 15 μm. Como resultado, el rendimiento general del producto es relativamente bajo.
Cuando el hidróxido de aluminio producido mediante este método se utiliza en la fabricación de alambres y cables, su rendimiento de procesamiento, ductilidad y propiedades ignífugas son muy inferiores a los del hidróxido de aluminio producido por métodos químicos. Si bien el método mecánico presenta un proceso de preparación sencillo y un coste experimental relativamente bajo, el producto contiene mayores niveles de impurezas. Además, la distribución del tamaño de partícula es irregular, lo que limita su amplia aplicación.
(2) Método de precipitación de semillas
El método de precipitación de semillas, comúnmente utilizado, se basa en la adición de cristales de hidróxido de aluminio ultrafinos a una solución preparada de aluminato de sodio para producir un polvo de ATH más puro y fino. La calidad de los cristales es un factor importante que afecta el tamaño de partícula del polvo de ATH.
(3) Método Sol-Gel
Este método consiste en hidrolizar compuestos de aluminio en un baño de agua con temperaturas, velocidad de agitación y pH específicos para generar un sol de hidróxido de aluminio, que posteriormente se transforma en un gel en ciertas condiciones. El polvo ultrafino final de hidróxido de aluminio se obtiene mediante secado y molienda.
(4) Método de precipitación
El método de precipitación se puede dividir en precipitación directa y precipitación homogénea. La precipitación directa consiste en añadir un agente precipitante a una solución de aluminato para preparar hidróxido de aluminio ultrafino de alta pureza bajo ciertas condiciones. Durante el proceso de precipitación, el grado de mezcla entre el agente precipitante y la solución es un factor clave que influye en las propiedades del producto final. La precipitación homogénea se diferencia de la precipitación directa en que su tasa de crecimiento es relativamente más lenta.
(5) Método de síntesis hidrotermal
El método hidrotermal prepara ATH calentando un recipiente de reacción cerrado, lo que permite que las materias primas reaccionen en un medio solvente orgánico en condiciones de alta temperatura y alta presión.
(6) Método de carbonatación
El método de carbonatación implica la introducción de CO₂ en una solución de aluminato de sodio y el control de las condiciones de reacción para preparar hidróxido de aluminio.
2. Modificación de la superficie de polvo de hidróxido de aluminio ultrafino
(1) Modificadores de superficie
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.
Los agentes de acoplamiento funcionan mediante un mecanismo químico específico. Parte de los grupos funcionales moleculares se une a la superficie inorgánica. Mientras tanto, las cadenas de carbono restantes se unen a los materiales poliméricos. Este enlace puede ser físico o químico. Estas conexiones unen firmemente el material inorgánico a los polímeros orgánicos. Entre los agentes de acoplamiento más comunes se encuentran los de silano, titanato y aluminato.
(2) Métodos de modificación
Actualmente, la modificación en seco y la modificación húmeda se utilizan principalmente para el tratamiento de superficies de ATH.
La modificación en seco implica colocar la materia prima en polvo y el modificador o dispersante en un equipo específico y ajustar la velocidad de rotación adecuada para la agitación y la mezcla, permitiendo que el modificador cubra la superficie del polvo de hidróxido de aluminio. Este método es adecuado para la producción a gran escala.
La modificación húmeda consiste en añadir el modificador a una suspensión de hidróxido de aluminio previamente preparada con una proporción líquido-sólido determinada, y realizar la modificación bajo agitación y dispersión constantes a una temperatura específica. Si bien este método es más complejo, proporciona un recubrimiento superficial más uniforme y mejores efectos de modificación.
(3) Mecanismo de modificación
La modificación superficial del hidróxido de aluminio se refiere a la adsorción o recubrimiento de una o más sustancias sobre su superficie para formar un compuesto con una estructura de núcleo-capa. Esta modificación superficial es principalmente orgánica y se divide en dos categorías.
El método físico consiste en el tratamiento de recubrimiento superficial con surfactantes como ácidos grasos superiores, alcoholes, aminas y ésteres para aumentar la distancia entre partículas, inhibir su aglomeración y mejorar la afinidad entre el hidróxido de aluminio y los polímeros orgánicos. Esto mejora la resistencia a la llama, optimiza el rendimiento del procesamiento y aumenta aún más la resistencia al impacto de los polímeros orgánicos.
El método químico se refiere al uso de agentes de acoplamiento para modificar la superficie del hidróxido de aluminio. Los grupos funcionales en las moléculas del agente de acoplamiento reaccionan con la superficie del polvo para formar enlaces químicos, logrando así la modificación. Las moléculas del agente de acoplamiento tienen una fuerte afinidad por los materiales orgánicos. Pueden reaccionar directamente con polímeros orgánicos. Esto permite que el ATH se una firmemente a la matriz polimérica. En consecuencia, esto mejora las propiedades generales de los materiales compuestos. Varios modificadores comparten un mecanismo similar. Estos incluyen silano, titanato, agentes de acoplamiento de aluminato y ácido esteárico. Sus estructuras moleculares contienen grupos inorgánicos y orgánicos afinitivos. Estos grupos de doble función actúan como un puente molecular. Conectan firmemente el hidróxido de aluminio a los materiales orgánicos.
(4) Evaluación de los efectos de la modificación
Actualmente, se pueden utilizar dos métodos para evaluar el efecto de modificación del polvo de hidróxido de aluminio.
El método directo evalúa el efecto de la modificación midiendo las propiedades ignífugas y mecánicas de los compuestos rellenos con hidróxido de aluminio modificado. Si bien este método es relativamente complejo, los resultados de las pruebas son fiables.
El método indirecto evalúa el efecto de la modificación midiendo los cambios en las propiedades físicas y químicas de la superficie del polvo de hidróxido de aluminio antes y después de la modificación.
Los indicadores de evaluación específicos incluyen:
Índice de activación. El hidróxido de aluminio, como material polar inorgánico, se sedimenta naturalmente en el agua. Tras la modificación, la superficie del polvo se vuelve apolar y aumenta su hidrofobicidad, lo que impide su sedimentación. Los cambios en el índice de activación reflejan el grado de activación de la superficie y caracterizan la eficacia del tratamiento de modificación.
Valor de absorción de aceite. El valor de absorción de aceite es un indicador importante de la dispersión del hidróxido de aluminio en polímeros y refleja la porosidad y la superficie específica del polvo. La modificación de la superficie mejora la dispersión del polvo en los polímeros y reduce los huecos formados por la aglomeración de partículas, lo que disminuye el valor de absorción de aceite.
Estabilidad de dispersión. Este método caracteriza el efecto de la modificación superficial comparando el comportamiento de dispersión de polvos de hidróxido de aluminio modificados con diferentes modificadores en medios de dispersión. La microscopía electrónica de barrido (MEB) permite observar la morfología y las características de dispersión.
Gracias por leer. Espero que mi artículo te haya sido útil. Deja un comentario a continuación. También puedes contactar con el servicio de atención al cliente online de Zelda para cualquier otra consulta.
— Publicado por Emily Chen