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.
Tuy nhiên, bột siêu mịn có kích thước hạt rất nhỏ và năng lượng bề mặt cao, khiến chúng dễ bị vón cục và khó phân tán đồng đều trong ma trận polymer. Hơn nữa, bột nhôm hydroxit siêu mịn là một vật liệu vô cơ phân cực điển hình với khả năng tương thích kém với các polymer hữu cơ, đặc biệt là các polyolefin không phân cực. Liên kết giao diện yếu dẫn đến khả năng chảy kém trong quá trình trộn và tạo hình. Kết quả là, hiệu suất xử lý và tính chất cơ học bị suy giảm. Do đó, việc giảm sự vón cục giữa các hạt ATH siêu mịn là rất cần thiết. Đồng thời, cần cải thiện khả năng tương thích giao diện giữa bột ATH và ma trận polymer, cũng như tăng cường sự phân tán của nó trong ma trận. Những yếu tố này rất quan trọng để thu được các vật liệu composite chống cháy hiệu suất cao. Do đó, chúng đã trở thành những vấn đề then chốt trong việc ứng dụng ATH siêu mịn trong các vật liệu chứa chất chống cháy.
1. Chuẩn bị bột nhôm hydroxit siêu mịn
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) Phương pháp cơ học
Phương pháp cơ học sử dụng thiết bị nghiền giống nhà máy phản lực Và máy nghiền bi. Các công cụ này nghiền và xay nhôm hydroxit (ATH) đã được rửa sạch và sấy khô, không đạt tiêu chuẩn công nghiệp. Quá trình này tạo ra bột ATH mịn hơn. Bột ATH từ phương pháp này có hình dạng hạt không đều. Kích thước hạt tương đối thô. Nó cũng có sự phân bố kích thước rộng. Phạm vi này thường nằm trong khoảng từ 5 đến 15 μm. Do đó, hiệu suất tổng thể của sản phẩm tương đối kém.
Khi sử dụng nhôm hydroxit được sản xuất bằng phương pháp này trong sản xuất dây và cáp, hiệu suất gia công, độ dẻo và khả năng chống cháy của nó kém hơn nhiều so với nhôm hydroxit được sản xuất bằng phương pháp hóa học. Mặc dù phương pháp cơ học có quy trình chuẩn bị đơn giản và chi phí thí nghiệm tương đối thấp, nhưng sản phẩm lại chứa hàm lượng tạp chất cao hơn. Ngoài ra, sự phân bố kích thước hạt không đồng đều, điều này hạn chế ứng dụng rộng rãi của nó.
(2) Phương pháp kết tủa hạt giống
Cốt lõi của phương pháp kết tủa mầm thường dùng là thêm các mầm tinh thể nhôm hydroxit siêu mịn vào dung dịch natri aluminat đã chuẩn bị để tạo ra bột ATH tinh khiết và mịn hơn. Chất lượng của mầm tinh thể là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến kích thước hạt của bột ATH.
(3) Phương pháp Sol–Gel
Phương pháp này bao gồm việc thủy phân các hợp chất nhôm dưới nhiệt độ bể nước, tốc độ khuấy và điều kiện pH cụ thể để tạo ra dung dịch keo nhôm hydroxit, sau đó chuyển hóa thành dạng gel dưới những điều kiện nhất định. Bột nhôm hydroxit siêu mịn cuối cùng được thu được thông qua quá trình sấy khô và nghiền.
(4) Phương pháp lượng mưa
Phương pháp kết tủa có thể được chia thành kết tủa trực tiếp và kết tủa đồng nhất. Kết tủa trực tiếp là quá trình thêm chất kết tủa vào dung dịch aluminat để điều chế nhôm hydroxit siêu mịn có độ tinh khiết cao trong những điều kiện nhất định. Trong quá trình kết tủa, mức độ trộn lẫn giữa chất kết tủa và dung dịch là yếu tố then chốt ảnh hưởng đến tính chất của sản phẩm cuối cùng. Kết tủa đồng nhất khác với kết tủa trực tiếp ở chỗ tốc độ tăng trưởng kết tủa tương đối chậm hơn.
(5) Phương pháp tổng hợp thủy nhiệt
Phương pháp thủy nhiệt điều chế ATH bằng cách đun nóng một bình phản ứng kín, cho phép các nguyên liệu thô phản ứng trong môi trường dung môi hữu cơ dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất cao.
(6) Phương pháp cacbon hóa
Phương pháp cacbonat hóa bao gồm việc đưa CO₂ vào dung dịch natri aluminat và kiểm soát các điều kiện phản ứng để điều chế nhôm hydroxit.
2. Sửa đổi bề mặt Bột nhôm hydroxit siêu mịn
(1) Chất điều chỉnh bề mặt
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.
Các chất liên kết hoạt động thông qua một cơ chế hóa học cụ thể. Một phần các nhóm chức phân tử liên kết với bề mặt vô cơ. Trong khi đó, các chuỗi carbon còn lại liên kết với vật liệu polyme. Liên kết này có thể là vật lý hoặc hóa học. Những liên kết này liên kết chặt chẽ vật liệu vô cơ với các polyme hữu cơ. Các chất liên kết phổ biến bao gồm chất liên kết silan, chất liên kết titanat và chất liên kết aluminat.
(2) Phương pháp sửa đổi
Hiện nay, phương pháp xử lý bề mặt ATH chủ yếu sử dụng phương pháp biến đổi khô và biến đổi ướt.
Phương pháp cải tiến khô bao gồm việc cho nguyên liệu dạng bột và chất cải tiến hoặc chất phân tán vào thiết bị chuyên dụng và điều chỉnh tốc độ quay thích hợp để khuấy và trộn, cho phép chất cải tiến phủ lên bề mặt bột nhôm hydroxit. Phương pháp này phù hợp cho sản xuất quy mô lớn.
Phương pháp biến tính ướt đề cập đến việc thêm chất biến tính vào hỗn hợp nhôm hydroxit đã được chuẩn bị sẵn với tỷ lệ lỏng-rắn nhất định và tiến hành biến tính dưới sự khuấy trộn và phân tán kỹ lưỡng ở nhiệt độ nhất định. Mặc dù phương pháp này phức tạp hơn trong thao tác, nhưng nó mang lại lớp phủ bề mặt đồng đều hơn và hiệu quả biến tính tốt hơn.
(3) Cơ chế sửa đổi
Biến đổi bề mặt của nhôm hydroxit đề cập đến việc hấp phụ hoặc phủ một hoặc nhiều chất lên bề mặt của nó để tạo thành vật liệu composite có cấu trúc lõi-vỏ. Biến đổi bề mặt chủ yếu là biến đổi hữu cơ và có thể được chia thành hai loại.
Phương pháp vật lý bao gồm xử lý bề mặt bằng cách phủ các chất hoạt động bề mặt như axit béo bậc cao, rượu, amin và este để tăng khoảng cách giữa các hạt, ức chế sự kết tụ hạt và cải thiện ái lực giữa nhôm hydroxit và các polyme hữu cơ. Điều này giúp tăng cường khả năng chống cháy, cải thiện hiệu suất gia công và tăng thêm khả năng chống va đập của các polyme hữu cơ.
Phương pháp hóa học đề cập đến việc sử dụng các chất liên kết để biến đổi bề mặt của nhôm hydroxit. Các nhóm chức trong phân tử chất liên kết phản ứng với bề mặt bột để tạo thành liên kết hóa học, từ đó đạt được sự biến đổi. Các phân tử chất liên kết có ái lực mạnh với vật liệu hữu cơ. Chúng có thể phản ứng trực tiếp với các polyme hữu cơ. Điều này cho phép ATH liên kết chặt chẽ với ma trận polyme. Do đó, nó cải thiện các tính chất tổng thể của vật liệu composite. Một số chất biến tính có cơ chế tương tự. Chúng bao gồm các chất liên kết silan, titanat, aluminat và axit stearic. Cấu trúc phân tử của chúng chứa cả các nhóm có ái lực vô cơ và có ái lực hữu cơ. Các nhóm chức kép này hoạt động như một cầu nối phân tử. Chúng liên kết chặt chẽ nhôm hydroxit với các vật liệu hữu cơ.
(4) Đánh giá tác động của việc sửa đổi
Hiện nay, có thể sử dụng hai phương pháp để đánh giá hiệu quả cải tiến của bột nhôm hydroxit.
Phương pháp trực tiếp đánh giá hiệu quả cải tiến bằng cách đo các đặc tính chống cháy và cơ học của vật liệu composite chứa nhôm hydroxit đã được biến tính. Mặc dù phương pháp này tương đối phức tạp, nhưng kết quả thử nghiệm đáng tin cậy.
Phương pháp gián tiếp đánh giá hiệu quả biến đổi bằng cách đo lường sự thay đổi các tính chất vật lý và hóa học của bề mặt bột nhôm hydroxit trước và sau khi biến đổi.
Các chỉ số đánh giá cụ thể bao gồm:
Chỉ số kích hoạt. Nhôm hydroxit, là một vật liệu phân cực vô cơ, tự nhiên lắng đọng trong nước. Sau khi được biến tính, bề mặt bột trở nên không phân cực và độ kỵ nước tăng lên, ngăn cản nó lắng đọng trong nước. Sự thay đổi trong chỉ số hoạt hóa phản ánh mức độ hoạt hóa bề mặt và đặc trưng cho hiệu quả của quá trình xử lý biến tính.
Giá trị hấp thụ dầu. Giá trị hấp thụ dầu là một chỉ số quan trọng về độ phân tán của nhôm hydroxit trong polyme và phản ánh độ xốp cũng như diện tích bề mặt riêng của bột. Việc biến đổi bề mặt giúp cải thiện độ phân tán của bột trong polyme và giảm các lỗ rỗng hình thành do sự kết tụ hạt, từ đó làm giảm giá trị hấp thụ dầu.
Độ ổn định phân tán. Phương pháp này mô tả ảnh hưởng của việc biến đổi bề mặt bằng cách so sánh hành vi phân tán của bột nhôm hydroxit được biến tính bằng các chất biến tính khác nhau trong môi trường phân tán. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) có thể được sử dụng để quan sát hình thái và đặc điểm phân tán.
Cảm ơn bạn đã đọc. Tôi hy vọng bài viết của tôi hữu ích. Vui lòng để lại bình luận bên dưới. Bạn cũng có thể liên hệ với bộ phận chăm sóc khách hàng trực tuyến của Zelda nếu có bất kỳ thắc mắc nào khác.
— Đăng bởi Emily Chen