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.
Walau bagaimanapun, serbuk ultrahalus mempunyai saiz zarah yang sangat kecil dan tenaga permukaan yang tinggi, menjadikannya mudah tergumpal dan sukar untuk tersebar secara seragam dalam matriks polimer. Tambahan pula, serbuk aluminium hidroksida ultrahalus merupakan bahan bukan organik berkutub biasa dengan keserasian yang lemah dengan polimer organik, terutamanya poliolefin bukan berkutub. Ikatan antara muka yang lemah menyebabkan aliran leburan yang lemah semasa pengkompaunan dan pengacuan. Akibatnya, prestasi pemprosesan dan sifat mekanikal merosot. Oleh itu, mengurangkan aglomerasi antara zarah ATH ultrahalus adalah penting. Ia juga perlu untuk meningkatkan keserasian antara muka antara serbuk ATH dan matriks polimer dan meningkatkan penyebarannya dalam matriks. Faktor-faktor ini adalah penting untuk mendapatkan komposit kalis api berprestasi tinggi. Akibatnya, ia telah menjadi isu utama dalam aplikasi ATH ultrahalus dalam bahan yang diisi kalis api.
1. Penyediaan Serbuk Aluminium Hidroksida Ultrahalus
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) Kaedah Mekanikal
Kaedah mekanikal menggunakan peralatan mengisar seperti kilang jet dan kilang bola. Alat ini menghancurkan dan mengisar aluminium hidroksida bukan gred perindustrian yang telah dibasuh dan dikeringkan. Proses ini menghasilkan serbuk ATH yang lebih halus. Serbuk ATH daripada kaedah ini mempunyai bentuk zarah yang tidak sekata. Saiz zarahnya agak kasar. Ia juga mempunyai taburan saiz yang luas. Julat ini biasanya antara 5 dan 15 μm. Akibatnya, prestasi keseluruhan produk agak lemah.
Apabila aluminium hidroksida yang dihasilkan melalui kaedah ini digunakan dalam pembuatan wayar dan kabel, prestasi pemprosesan, kemuluran dan prestasi kalis apinya jauh lebih rendah berbanding aluminium hidroksida yang dihasilkan melalui kaedah kimia. Walaupun kaedah mekanikal mempunyai proses penyediaan yang mudah dan kos eksperimen yang agak rendah, produk ini mengandungi tahap bendasing yang lebih tinggi. Di samping itu, taburan saiz zarah tidak sekata, yang mengehadkan aplikasinya yang meluas.
(2) Kaedah Pemendakan Benih
Teras kaedah pemendakan benih yang biasa digunakan ialah penambahan benih kristal aluminium hidroksida ultrahalus ke dalam larutan natrium aluminat yang disediakan untuk menghasilkan serbuk ATH yang lebih tulen dan halus. Kualiti benih kristal merupakan faktor penting yang mempengaruhi saiz zarah serbuk ATH.
(3) Kaedah Sol–Gel
Kaedah ini melibatkan hidrolisis sebatian aluminium di bawah suhu mandian air, kadar pengacakan dan keadaan pH tertentu untuk menghasilkan sol aluminium hidroksida, yang kemudiannya berubah menjadi gel di bawah keadaan tertentu. Serbuk aluminium hidroksida ultrahalus akhir diperoleh melalui pengeringan dan pengisaran.
(4) Kaedah Pemendakan
Kaedah pemendakan boleh dibahagikan kepada pemendakan langsung dan pemendakan homogen. Pemendakan langsung merujuk kepada penambahan agen pemendakan ke dalam larutan aluminat untuk menyediakan aluminium hidroksida ultrahalus ketulenan tinggi di bawah keadaan tertentu. Semasa proses pemendakan, tahap pencampuran antara agen pemendakan dan larutan merupakan faktor utama yang mempengaruhi sifat produk akhir. Pemendakan homogen berbeza daripada pemendakan langsung kerana kadar pertumbuhan pemendakan agak perlahan.
(5) Kaedah Sintesis Hidroterma
Kaedah hidroterma menyediakan ATH dengan memanaskan bekas tindak balas tertutup, yang membolehkan bahan mentah bertindak balas dalam medium pelarut organik di bawah keadaan suhu tinggi dan tekanan tinggi.
(6) Kaedah Karbonasi
Kaedah pengkarbonan melibatkan pengenalan CO₂ ke dalam larutan natrium aluminat dan mengawal keadaan tindak balas untuk menyediakan aluminium hidroksida.
2. Pengubahsuaian Permukaan Serbuk Aluminium Hidroksida Ultrahalus
(1) Pengubah Suai Permukaan
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.
Agen gandingan berfungsi melalui mekanisme kimia tertentu. Sebahagian daripada kumpulan berfungsi molekul terikat dengan permukaan bukan organik. Sementara itu, rantai karbon yang tinggal terikat dengan bahan polimer. Ikatan ini boleh jadi fizikal atau kimia. Sambungan ini menghubungkan bahan bukan organik dengan erat kepada polimer organik. Agen gandingan biasa termasuk agen gandingan silana, agen gandingan titanat dan agen gandingan aluminat.
(2) Kaedah Pengubahsuaian
Pada masa ini, pengubahsuaian kering dan pengubahsuaian basah digunakan terutamanya untuk rawatan permukaan ATH.
Pengubahsuaian kering melibatkan penempatan bahan mentah serbuk dan pengubah suai atau penyebar ke dalam peralatan tertentu dan melaraskan kelajuan putaran yang sesuai untuk mengacau dan mencampurkan, membolehkan pengubah suai menyalut permukaan serbuk aluminium hidroksida. Kaedah ini sesuai untuk pengeluaran berskala besar.
Pengubahsuaian basah merujuk kepada penambahan pengubah suai ke dalam buburan aluminium hidroksida yang telah disediakan terlebih dahulu dengan nisbah cecair-pepejal tertentu dan menjalankan pengubahsuaian di bawah pengadukan dan penyebaran menyeluruh pada suhu tertentu. Walaupun kaedah ini lebih kompleks dalam operasinya, ia memberikan salutan permukaan yang lebih seragam dan kesan pengubahsuaian yang lebih baik.
(3) Mekanisme Pengubahsuaian
Pengubahsuaian permukaan aluminium hidroksida merujuk kepada penjerapan atau salutan satu atau lebih bahan ke permukaannya untuk membentuk komposit dengan struktur teras-cangkerang. Pengubahsuaian permukaan terutamanya merupakan pengubahsuaian organik dan boleh dibahagikan kepada dua kategori.
Kaedah fizikal melibatkan rawatan salutan permukaan menggunakan surfaktan seperti asid lemak yang lebih tinggi, alkohol, amina dan ester untuk meningkatkan jarak antara zarah, menghalang aglomerasi zarah dan meningkatkan afiniti antara aluminium hidroksida dan polimer organik. Ini meningkatkan kalis api, meningkatkan prestasi pemprosesan dan seterusnya meningkatkan rintangan hentaman polimer organik.
Kaedah kimia merujuk kepada penggunaan agen gandingan untuk mengubah suai permukaan aluminium hidroksida. Kumpulan berfungsi dalam molekul agen gandingan bertindak balas dengan permukaan serbuk untuk membentuk ikatan kimia, sekali gus mencapai pengubahsuaian. Molekul agen gandingan mempunyai afiniti yang kuat untuk bahan organik. Ia boleh bertindak balas secara langsung dengan polimer organik. Ini membolehkan ATH terikat rapat dengan matriks polimer. Akibatnya, ini meningkatkan sifat keseluruhan bahan komposit. Beberapa pengubah suai berkongsi mekanisme yang serupa. Ini termasuk silana, titanat, agen gandingan aluminat dan asid stearik. Struktur molekulnya mengandungi kumpulan tak organik-afinitif dan organik-afinitif. Kumpulan dwi-fungsi ini bertindak sebagai jambatan molekul. Ia menghubungkan aluminium hidroksida dengan bahan organik dengan rapat.
(4) Penilaian Kesan Pengubahsuaian
Pada masa ini, dua kaedah boleh digunakan untuk menilai kesan pengubahsuaian serbuk aluminium hidroksida.
Kaedah langsung menilai kesan pengubahsuaian dengan mengukur sifat kalis api dan mekanikal komposit yang diisi dengan aluminium hidroksida yang diubah suai. Walaupun kaedah ini agak kompleks, keputusan ujian adalah boleh dipercayai.
Kaedah tidak langsung menilai kesan pengubahsuaian dengan mengukur perubahan sifat fizikal dan kimia permukaan serbuk aluminium hidroksida sebelum dan selepas pengubahsuaian.
Petunjuk penilaian khusus termasuk:
Indeks Pengaktifan. Aluminium hidroksida, sebagai bahan kutub bukan organik, mendap secara semula jadi di dalam air. Selepas pengubahsuaian, permukaan serbuk menjadi tidak berkutub dan hidrofobisitinya meningkat, menghalangnya daripada mendap di dalam air. Perubahan dalam indeks pengaktifan mencerminkan tahap pengaktifan permukaan dan mencirikan keberkesanan rawatan pengubahsuaian.
Nilai Penyerapan Minyak. Nilai penyerapan minyak merupakan penunjuk penting bagi penyebaran aluminium hidroksida dalam polimer dan mencerminkan keliangan dan luas permukaan spesifik serbuk. Pengubahsuaian permukaan meningkatkan penyebaran serbuk dalam polimer dan mengurangkan lompang yang terbentuk oleh aglomerasi zarah, sekali gus menurunkan nilai penyerapan minyak.
Kestabilan Penyebaran. Kaedah ini mencirikan kesan pengubahsuaian permukaan dengan membandingkan sifat penyebaran serbuk aluminium hidroksida yang diubah suai dengan pengubah suai yang berbeza dalam media penyebaran. Mikroskopi elektron imbasan (SEM) boleh digunakan untuk memerhatikan morfologi dan ciri-ciri penyebaran.
"Terima kasih kerana membaca. Saya harap artikel saya membantu. Sila tinggalkan komen di bawah. Anda juga boleh menghubungi wakil pelanggan dalam talian Zelda untuk sebarang pertanyaan lanjut."
- Dihantar oleh Emily Chen