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.
Cependant, les poudres ultrafines présentent une granulométrie très réduite et une énergie de surface élevée, ce qui les rend sujettes à l'agglomération et difficiles à disperser uniformément dans les matrices polymères. De plus, la poudre d'hydroxyde d'aluminium ultrafine est un matériau inorganique polaire typique, peu compatible avec les polymères organiques, notamment les polyoléfines non polaires. La faible adhésion interfaciale entraîne une mauvaise fluidité à l'état fondu lors du compoundage et du moulage. Il en résulte une dégradation des performances de mise en œuvre et des propriétés mécaniques. Par conséquent, il est essentiel de réduire l'agglomération des particules ultrafines d'hydroxyde d'aluminium. Il est également nécessaire d'améliorer la compatibilité interfaciale entre la poudre d'hydroxyde d'aluminium et les matrices polymères, ainsi que sa dispersion au sein de la matrice. Ces facteurs sont déterminants pour l'obtention de composites ignifuges haute performance. Ils constituent donc des enjeux majeurs pour l'application de l'hydroxyde d'aluminium ultrafin dans les matériaux chargés ignifuges.
1. Préparation de poudre d'hydroxyde d'aluminium ultrafine
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) Méthode mécanique
La méthode mécanique utilise équipement de broyage comme broyeurs à jet et broyeurs à boulets. Ces outils broient et concassent de l'hydroxyde d'aluminium non industriel, lavé et séché. Ce procédé permet d'obtenir une poudre d'ATH plus fine. La poudre d'ATH ainsi obtenue présente des particules de formes irrégulières et une granulométrie relativement grossière, avec une large distribution granulométrique, généralement comprise entre 5 et 15 μm. De ce fait, les performances globales du produit sont relativement faibles.
Lorsqu'on utilise l'hydroxyde d'aluminium produit par ce procédé dans la fabrication de fils et de câbles, ses performances de mise en œuvre, sa ductilité et ses propriétés ignifuges sont nettement inférieures à celles de l'hydroxyde d'aluminium produit par voie chimique. Bien que le procédé mécanique présente une préparation simple et un coût expérimental relativement faible, le produit contient davantage d'impuretés. De plus, la granulométrie est hétérogène, ce qui limite son application à grande échelle.
(2) Méthode de précipitation des semences
Le principe de la méthode de précipitation par ensemencement couramment utilisée repose sur l'ajout de germes cristallins ultrafins d'hydroxyde d'aluminium à une solution d'aluminate de sodium préparée, afin de produire une poudre d'ATH plus pure et plus fine. La qualité des germes cristallins est un facteur déterminant pour la granulométrie de la poudre d'ATH.
(3) Méthode sol-gel
Ce procédé consiste à hydrolyser des composés d'aluminium dans un bain-marie à température, vitesse d'agitation et pH spécifiques afin de générer un sol d'hydroxyde d'aluminium, qui se transforme ensuite en gel dans certaines conditions. La poudre d'hydroxyde d'aluminium ultrafine finale est obtenue par séchage et broyage.
(4) Méthode de précipitation
La méthode de précipitation se divise en précipitation directe et précipitation homogène. La précipitation directe consiste à ajouter un agent précipitant à une solution d'aluminate pour préparer de l'hydroxyde d'aluminium ultrafin de haute pureté dans des conditions spécifiques. Lors de ce processus, le degré de mélange entre l'agent précipitant et la solution est un facteur déterminant pour les propriétés du produit final. La précipitation homogène se distingue de la précipitation directe par une vitesse de croissance plus lente.
(5) Méthode de synthèse hydrothermale
La méthode hydrothermale permet de préparer l'ATH en chauffant un récipient de réaction fermé, permettant ainsi aux matières premières de réagir dans un milieu de solvant organique sous des conditions de température et de pression élevées.
(6) Méthode de carbonatation
La méthode de carbonatation consiste à introduire du CO₂ dans une solution d'aluminate de sodium et à contrôler les conditions de réaction pour préparer de l'hydroxyde d'aluminium.
2. Modification de surface de poudre d'hydroxyde d'aluminium ultrafine
(1) Modificateurs de surface
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.
Les agents de couplage agissent selon un mécanisme chimique spécifique. Une partie de leurs groupements fonctionnels se lie à la surface inorganique, tandis que les chaînes carbonées restantes se lient aux matériaux polymères. Cette liaison peut être physique ou chimique. Ces liaisons assurent un assemblage solide entre le matériau inorganique et les polymères organiques. Parmi les agents de couplage courants, on trouve les silanes, les titanates et les aluminates.
(2) Méthodes de modification
Actuellement, la modification à sec et la modification humide sont principalement utilisées pour le traitement de surface de l'ATH.
La modification à sec consiste à placer la matière première en poudre et le modificateur ou dispersant dans un équipement spécifique et à ajuster la vitesse de rotation pour l'agitation et le mélange, permettant ainsi au modificateur d'enrober la surface de la poudre d'hydroxyde d'aluminium. Cette méthode est adaptée à la production à grande échelle.
La modification par voie humide consiste à ajouter le modificateur à une suspension d'hydroxyde d'aluminium préalablement préparée, selon un rapport liquide/solide précis, puis à effectuer la modification sous agitation et dispersion complètes à une température donnée. Bien que plus complexe à mettre en œuvre, cette méthode permet d'obtenir un revêtement de surface plus uniforme et une modification plus efficace.
(3) Mécanisme de modification
La modification de surface de l'hydroxyde d'aluminium consiste en l'adsorption ou le revêtement d'une ou plusieurs substances sur sa surface afin de former un composite à structure cœur-coquille. Cette modification de surface est principalement organique et se divise en deux catégories.
La méthode physique consiste en un traitement de surface par revêtement à l'aide de tensioactifs tels que des acides gras supérieurs, des alcools, des amines et des esters afin d'accroître la distance entre les particules, d'inhiber leur agglomération et d'améliorer l'affinité entre l'hydroxyde d'aluminium et les polymères organiques. Ce procédé renforce la résistance au feu, améliore les performances de mise en œuvre et accroît encore la résistance aux chocs des polymères organiques.
La méthode chimique consiste à utiliser des agents de couplage pour modifier la surface de l'hydroxyde d'aluminium. Les groupes fonctionnels des molécules d'agent de couplage réagissent avec la surface de la poudre pour former des liaisons chimiques, permettant ainsi la modification. Les molécules d'agent de couplage présentent une forte affinité pour les matériaux organiques et peuvent réagir directement avec les polymères organiques. Ceci permet à l'hydroxyde d'aluminium de se lier fortement à la matrice polymère, améliorant ainsi les propriétés globales des matériaux composites. Plusieurs modificateurs partagent un mécanisme similaire, notamment les agents de couplage silane, titanate, aluminate et l'acide stéarique. Leurs structures moléculaires contiennent à la fois des groupes à affinité inorganique et organique. Ces groupes bifonctionnels agissent comme un pont moléculaire, liant fortement l'hydroxyde d'aluminium aux matériaux organiques.
(4) Évaluation des effets de la modification
Actuellement, deux méthodes peuvent être utilisées pour évaluer l'effet de modification de la poudre d'hydroxyde d'aluminium.
La méthode directe évalue l'effet de la modification en mesurant les propriétés ignifuges et mécaniques de composites chargés d'hydroxyde d'aluminium modifié. Bien que relativement complexe, cette méthode donne des résultats fiables.
La méthode indirecte évalue l'effet de la modification en mesurant les changements des propriétés physiques et chimiques de la surface de la poudre d'hydroxyde d'aluminium avant et après modification.
Les indicateurs d'évaluation spécifiques comprennent :
Indice d'activation. L'hydroxyde d'aluminium, matériau polaire inorganique, se dépose naturellement dans l'eau. Après modification, la surface de la poudre devient non polaire et son hydrophobie augmente, l'empêchant ainsi de se déposer dans l'eau. Les variations de l'indice d'activation reflètent le degré d'activation de surface et caractérisent l'efficacité du traitement de modification.
Valeur d'absorption d'huile. L'indice d'absorption d'huile est un indicateur important de la dispersion de l'hydroxyde d'aluminium dans les polymères et reflète la porosité et la surface spécifique de la poudre. La modification de surface améliore la dispersion de la poudre dans les polymères et réduit les vides dus à l'agglomération des particules, diminuant ainsi l'indice d'absorption d'huile.
Stabilité de la dispersion. Cette méthode caractérise l'effet de la modification de surface en comparant le comportement de dispersion de poudres d'hydroxyde d'aluminium modifiées par différents agents modificateurs dans des milieux de dispersion. La microscopie électronique à balayage (MEB) permet d'observer la morphologie et les caractéristiques de dispersion.
« Merci de votre lecture. J’espère que cet article vous sera utile. N’hésitez pas à laisser un commentaire ci-dessous. Pour toute question, vous pouvez également contacter le service client en ligne de Zelda. »
— Publié par Emily Chen