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.
อย่างไรก็ตาม ผงละเอียดพิเศษมีขนาดอนุภาคเล็กมากและมีพลังงานพื้นผิวสูง ทำให้มีแนวโน้มที่จะเกิดการรวมตัวกันและกระจายตัวได้ไม่สม่ำเสมอในเมทริกซ์พอลิเมอร์ได้ยาก นอกจากนี้ ผงอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ละเอียดพิเศษยังเป็นวัสดุอนินทรีย์ที่มีขั้วซึ่งเข้ากันได้ไม่ดีกับพอลิเมอร์อินทรีย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งพอลิโอเลฟินที่ไม่มีขั้ว การยึดเกาะระหว่างพื้นผิวที่อ่อนแอทำให้การไหลของวัสดุหลอมเหลวไม่ดีในระหว่างการผสมและการขึ้นรูป ส่งผลให้ประสิทธิภาพการประมวลผลและคุณสมบัติทางกลลดลง ดังนั้น การลดการรวมตัวของอนุภาค ATH ละเอียดพิเศษจึงเป็นสิ่งสำคัญ นอกจากนี้ยังจำเป็นต้องปรับปรุงความเข้ากันได้ระหว่างพื้นผิวของผง ATH กับเมทริกซ์พอลิเมอร์และเพิ่มการกระจายตัวภายในเมทริกซ์ ปัจจัยเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการผลิตวัสดุคอมโพสิตหน่วงไฟประสิทธิภาพสูง ดังนั้นจึงกลายเป็นประเด็นสำคัญในการประยุกต์ใช้ ATH ละเอียดพิเศษในวัสดุที่เติมสารหน่วงไฟ.
1. การเตรียมผงอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ละเอียดพิเศษ
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) วิธีทางกล
วิธีการเชิงกลใช้ อุปกรณ์บด ชอบ โรงสีเจ็ท และ เครื่องบดลูกบอล. เครื่องมือเหล่านี้ใช้บดและโม่ผงอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ที่ไม่ผ่านการใช้งานในระดับอุตสาหกรรม ซึ่งผ่านการล้างและทำให้แห้งแล้ว กระบวนการนี้ทำให้ได้ผง ATH ที่ละเอียดขึ้น ผง ATH ที่ได้จากวิธีนี้มีรูปร่างอนุภาคไม่สม่ำเสมอ ขนาดอนุภาคค่อนข้างหยาบ และมีการกระจายขนาดที่กว้าง โดยทั่วไปอยู่ในช่วงระหว่าง 5 ถึง 15 ไมโครเมตร ส่งผลให้ประสิทธิภาพโดยรวมของผลิตภัณฑ์ค่อนข้างต่ำ.
เมื่อนำอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ที่ผลิตด้วยวิธีนี้ไปใช้ในการผลิตสายไฟและสายเคเบิล ประสิทธิภาพในการแปรรูป ความยืดหยุ่น และคุณสมบัติในการหน่วงไฟจะด้อยกว่าอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ที่ผลิตด้วยวิธีทางเคมีอย่างมาก แม้ว่าวิธีเชิงกลจะมีกระบวนการเตรียมที่ง่ายและต้นทุนการทดลองค่อนข้างต่ำ แต่ผลิตภัณฑ์จะมีสิ่งเจือปนในระดับสูงกว่า นอกจากนี้ การกระจายขนาดอนุภาคยังไม่สม่ำเสมอ ซึ่งจำกัดการใช้งานอย่างแพร่หลาย.
(2) วิธีการตกตะกอนเมล็ด
หัวใจสำคัญของวิธีการตกตะกอนด้วยเมล็ดที่ใช้กันทั่วไปคือการเติมเมล็ดผลึกอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ละเอียดพิเศษลงในสารละลายโซเดียมอะลูมิเนตที่เตรียมไว้ เพื่อผลิตผง ATH ที่บริสุทธิ์และละเอียดขึ้น คุณภาพของเมล็ดผลึกเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อขนาดอนุภาคของผง ATH.
(3) วิธีโซล-เจล
วิธีการนี้เกี่ยวข้องกับการไฮโดรไลซิสสารประกอบอะลูมิเนียมภายใต้อุณหภูมิอ่างน้ำ อัตราการกวน และสภาวะ pH ที่เฉพาะเจาะจง เพื่อสร้างสารละลายอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ ซึ่งจะเปลี่ยนเป็นเจลภายใต้สภาวะบางอย่าง จากนั้นจึงได้ผงอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ละเอียดพิเศษโดยผ่านกระบวนการอบแห้งและบด.
(4) วิธีการตกตะกอน
วิธีการตกตะกอนสามารถแบ่งออกเป็น การตกตะกอนโดยตรงและการตกตะกอนแบบเอกพันธ์ การตกตะกอนโดยตรงหมายถึงการเติมสารตกตะกอนลงในสารละลายอะลูมิเนตเพื่อเตรียมอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ที่มีความบริสุทธิ์สูงและมีอนุภาคละเอียดพิเศษภายใต้สภาวะที่กำหนด ในระหว่างกระบวนการตกตะกอน ระดับการผสมระหว่างสารตกตะกอนและสารละลายเป็นปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อคุณสมบัติของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย การตกตะกอนแบบเอกพันธ์แตกต่างจากการตกตะกอนโดยตรงตรงที่อัตราการเติบโตของตะกอนค่อนข้างช้ากว่า.
(5) วิธีการสังเคราะห์ด้วยความร้อน
วิธีการไฮโดรเทอร์มอลเตรียม ATH โดยการให้ความร้อนแก่ภาชนะปฏิกิริยาแบบปิด ทำให้วัตถุดิบทำปฏิกิริยาในตัวทำละลายอินทรีย์ภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูงและความดันสูง.
(6) วิธีการคาร์บอเนต
วิธีการคาร์บอเนชั่นเกี่ยวข้องกับการนำ CO₂ เข้าสู่สารละลายโซเดียมอะลูมิเนตและควบคุมสภาวะการเกิดปฏิกิริยาเพื่อเตรียมอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์.
2. การปรับเปลี่ยนพื้นผิว ผงอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ละเอียดพิเศษ
(1) สารปรับแต่งพื้นผิว
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.
สารเชื่อมประสานทำงานผ่านกลไกทางเคมีเฉพาะ ส่วนหนึ่งของหมู่ฟังก์ชันโมเลกุลจะสร้างพันธะกับพื้นผิวอนินทรีย์ ในขณะที่โซ่คาร์บอนที่เหลือจะสร้างพันธะกับวัสดุพอลิเมอร์ พันธะนี้อาจเป็นได้ทั้งทางกายภาพหรือทางเคมี การเชื่อมต่อเหล่านี้จะเชื่อมโยงวัสดุอนินทรีย์เข้ากับพอลิเมอร์อินทรีย์อย่างแน่นหนา สารเชื่อมประสานที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ สารเชื่อมประสานซิเลน สารเชื่อมประสานไททาเนต และสารเชื่อมประสานอะลูมิเนต.
(2) วิธีการดัดแปลง
ปัจจุบัน การปรับปรุงพื้นผิวของ ATH ส่วนใหญ่ใช้วิธีการปรับปรุงพื้นผิวแบบแห้งและแบบเปียก.
การปรับปรุงคุณสมบัติแบบแห้งเกี่ยวข้องกับการใส่ผงวัตถุดิบและสารปรับปรุงคุณสมบัติหรือสารช่วยกระจายตัวลงในอุปกรณ์เฉพาะ และปรับความเร็วรอบที่เหมาะสมสำหรับการกวนและการผสม เพื่อให้สารปรับปรุงคุณสมบัติเคลือบผิวของผงอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ วิธีนี้เหมาะสำหรับการผลิตในปริมาณมาก.
การปรับปรุงพื้นผิวแบบเปียก หมายถึงการเติมสารปรับปรุงพื้นผิวลงในสารละลายอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ที่เตรียมไว้ล่วงหน้า โดยมีอัตราส่วนของของเหลวต่อของแข็งที่แน่นอน และทำการปรับปรุงพื้นผิวภายใต้การกวนและการกระจายตัวอย่างทั่วถึงที่อุณหภูมิที่กำหนด แม้ว่าวิธีนี้จะมีขั้นตอนการทำงานที่ซับซ้อนกว่า แต่ก็ให้การเคลือบผิวที่สม่ำเสมอกว่าและผลการปรับปรุงพื้นผิวที่ดีกว่า.
(3) กลไกการปรับเปลี่ยน
การปรับเปลี่ยนพื้นผิวของอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ หมายถึงการดูดซับหรือการเคลือบสารหนึ่งชนิดหรือมากกว่านั้นลงบนพื้นผิวเพื่อสร้างสารประกอบที่มีโครงสร้างแบบแกนและเปลือก การปรับเปลี่ยนพื้นผิวส่วนใหญ่เป็นการปรับเปลี่ยนด้วยสารอินทรีย์ และสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภท.
วิธีการทางกายภาพเกี่ยวข้องกับการเคลือบผิวโดยใช้สารลดแรงตึงผิว เช่น กรดไขมันสายยาว แอลกอฮอล์ เอมีน และเอสเทอร์ เพื่อเพิ่มระยะห่างระหว่างอนุภาค ยับยั้งการรวมตัวของอนุภาค และปรับปรุงความเข้ากันได้ระหว่างอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์กับพอลิเมอร์อินทรีย์ ซึ่งจะช่วยเพิ่มคุณสมบัติหน่วงไฟ ปรับปรุงประสิทธิภาพการประมวลผล และเพิ่มความทนทานต่อแรงกระแทกของพอลิเมอร์อินทรีย์ให้ดียิ่งขึ้น.
วิธีการทางเคมีหมายถึงการใช้สารเชื่อมประสานเพื่อปรับเปลี่ยนพื้นผิวของอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ หมู่ฟังก์ชันในโมเลกุลของสารเชื่อมประสานจะทำปฏิกิริยากับพื้นผิวของผงเพื่อสร้างพันธะเคมี ทำให้เกิดการปรับเปลี่ยนพื้นผิว โมเลกุลของสารเชื่อมประสานมีความสัมพันธ์อย่างมากกับวัสดุอินทรีย์ พวกมันสามารถทำปฏิกิริยาโดยตรงกับพอลิเมอร์อินทรีย์ ทำให้ ATH สามารถยึดติดกับเมทริกซ์พอลิเมอร์ได้อย่างแน่นหนา ส่งผลให้คุณสมบัติโดยรวมของวัสดุคอมโพสิตดีขึ้น สารปรับเปลี่ยนหลายชนิดมีกลไกที่คล้ายกัน ได้แก่ สารเชื่อมประสานไซเลน ไททาเนต อะลูมิเนต และกรดสเตียริก โครงสร้างโมเลกุลของพวกมันประกอบด้วยทั้งหมู่ที่ชอบสารอนินทรีย์และหมู่ที่ชอบสารอินทรีย์ หมู่ฟังก์ชันคู่เหล่านี้ทำหน้าที่เป็นสะพานโมเลกุล พวกมันเชื่อมต่ออะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์กับวัสดุอินทรีย์อย่างแน่นหนา.
(4) การประเมินผลกระทบของการปรับเปลี่ยน
ปัจจุบัน สามารถใช้สองวิธีในการประเมินผลการปรับปรุงคุณสมบัติของผงอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ได้.
วิธีการโดยตรงจะประเมินผลของการปรับปรุงโดยการวัดคุณสมบัติการหน่วงไฟและคุณสมบัติทางกลของวัสดุคอมโพสิตที่เติมด้วยอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ที่ได้รับการปรับปรุง แม้ว่าวิธีการนี้จะค่อนข้างซับซ้อน แต่ผลการทดสอบมีความน่าเชื่อถือ.
วิธีการทางอ้อมจะประเมินผลของการปรับปรุงโดยการวัดการเปลี่ยนแปลงของคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของพื้นผิวผงอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ก่อนและหลังการปรับปรุง.
ตัวชี้วัดการประเมินเฉพาะ ได้แก่:
ดัชนีการกระตุ้น. อะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์เป็นสารอนินทรีย์ที่มีขั้ว จึงตกตะกอนในน้ำได้ตามธรรมชาติ หลังจากปรับปรุงพื้นผิวแล้ว ผงจะมีสภาพไม่มีขั้วและมีคุณสมบัติไม่ชอบน้ำมากขึ้น ทำให้ไม่ตกตะกอนในน้ำ การเปลี่ยนแปลงของดัชนีการกระตุ้นสะท้อนถึงระดับการกระตุ้นพื้นผิวและบ่งบอกถึงประสิทธิภาพของการปรับปรุงพื้นผิว.
ค่าการดูดซับน้ำมัน. ค่าการดูดซับน้ำมันเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญของการกระจายตัวของอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ในพอลิเมอร์ และสะท้อนถึงความพรุนและพื้นที่ผิวจำเพาะของผง การปรับปรุงพื้นผิวช่วยเพิ่มการกระจายตัวของผงในพอลิเมอร์และลดช่องว่างที่เกิดจากการรวมตัวของอนุภาค จึงทำให้ค่าการดูดซับน้ำมันลดลง.
ความเสถียรของการกระจายตัว. วิธีการนี้ใช้ในการศึกษาผลกระทบของการปรับเปลี่ยนพื้นผิวโดยการเปรียบเทียบพฤติกรรมการกระจายตัวของผงอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ที่ได้รับการปรับเปลี่ยนด้วยสารปรับเปลี่ยนพื้นผิวที่แตกต่างกันในตัวกลางการกระจายตัว สามารถใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) ในการสังเกตลักษณะทางสัณฐานวิทยาและลักษณะการกระจายตัวได้.
ขอบคุณที่อ่านนะคะ หวังว่าบทความของฉันจะเป็นประโยชน์นะคะ แสดงความคิดเห็นไว้ด้านล่างได้เลยค่ะ หรือหากมีข้อสงสัยเพิ่มเติม สามารถติดต่อตัวแทนฝ่ายบริการลูกค้าออนไลน์ของ Zelda ได้ค่ะ
— โพสต์โดย เอมิลี่ เฉิน