В областта на полимерните забавители на горенето,алуминиев хидроксид (ATH)отдавна заема основна позиция на пазара на забавители на горенето поради своите предимства като нетоксичност, потискане на дима, екологичност и относително ниска цена. Въпреки това, обикновеният ATH, приготвен чрез традиционен метод на утаяване, често излага ограничения като голямо количество за пълнене, лоша съвместимост и тежки механични загуби, когато отговаря на все по-взискателните изисквания за висока производителност на полимерните материали. През последните години смилащият ATH (известен също като „модифициран ATH“ или „ултрафин ATH“), дълбоко обработен чрез технология за физическа обработка, се появи като нова сила, водеща до важно надграждане на технологията за приложение на ATH. Тази статия ще анализира задълбочено съществените разлики между наземния ATH и обикновения ATH от професионалните гледни точки на науката за материалите, физичната химия на повърхността и инженерството на интерфейса на композитните материали.
Обикновен ATH: обикновено се отнася до алуминиев хидроксид, директно утаен чрез мокри химични процеси като процес на Байер (разлагане на разтвор на натриев алуминат) или процес на амониев бикарбонат. Неговата кристална морфология е предимно неправилна плоча, призматична или сферична, с широко разпределение на размера на частиците (D50 обикновено в диапазона от 10-50 μm), хидрофилна повърхност, съдържаща голям брой хидроксилни групи (- OH) и проявяваща силна полярност.
Смилане на ATH: Използвайки обикновен ATH като суровина, дълбоката обработка се извършва чрез механохимичен процес. Този процес не е просто „раздробяване“, а по-скоро процес на постигане на прецизиране на частиците, сфероидизация и реконструкция на повърхностните физикохимични свойства при механична енергия с висок интензитет (като смилане с въздушен поток, смилане с топка и средно смилане). Ключовите параметри на процеса включват вложена енергия, избор на среда, контрол на атмосферата и възможна модификация на повърхността на място.
· Обикновен ATH: Кристалната структура е непокътната, но феноменът на агломерация е сериозен (поради високата повърхностна енергия и силното водородно свързване). Грубите повърхности и острите ръбове могат лесно да образуват точки на концентрация на напрежение в композитните материали.
· Смилане на ATH: Постигната е значителна морфологична регулация.
·Размер и разпределение на частиците: Средният диаметър (D50) може да бъде намален до 1-3 μm или дори ниво под микрон, а разпределението на размера на частиците (PSD) е по-тясно. Според лазерния дифракционен анализ на стандарт ISO 13320 обхватът на разпределение е значително намален.
·Външен вид: тенденция към по-правилна почти сферична или квазисферична форма. Сфероидизацията не само намалява специфичната повърхност, но по-важното, значително намалява ръбовете и ъглите на частиците, което е ключът към подобряване на течливостта и механичните свойства на композитните материали.
· Състояние на повърхността: Под действието на високоенергийна механична сила, кристалната структура на повърхността на частиците претърпява частично изкривяване или аморфизация и активните центрове се увеличават, осигурявайки по-идеален субстрат за последваща повърхностна модификация.
Химичният състав и на двете е Al(OH)3 и основната реакция на термично разлагане е последователна (ендотермичното разлагане започва при около 200 ℃, за да се образуват Al2O3 и H2O). Но микро разликите водят до различни поведения:
· Обикновен ATH: Температурите на започване на разлагането и пиковите температури са относително концентрирани, а ендотермичният пик е по-широк. Големите частици могат да причинят неравномерен вътрешен пренос на топлина, което да повлияе на равномерността на ефективността на забавяне на горенето.
· Смилане на ATH:
·По-добрата диспергируемост води до по-равномерно разпределение в матрицата, по-синхронизиран топлопренос и разлагане и по-ефективно поглъщане на топлина и охлаждащи ефекти.
·По-голяма специфична повърхност (която все още може да се увеличи поради ултрафино рафиниране при същото тегло след сфероидизация) означава по-голяма контактна реакционна площ с пламъка/източника на топлина, който може да разсейва топлината по-бързо и да освобождава водна пара за разреждане на горими газове.
·Остатъкът от разлагането (Al₂O₃) може да образува по-плътен и непрекъснат защитен керамичен слой поради по-фините прекурсорни частици, което води до по-добър бариерен ефект.
Това е ядрото, което определя крайните механични свойства на композитните материали.
· Обикновен ATH: Силните полярни повърхности имат слаба съвместимост с неполярни/слабо полярни полимери (като PP, PE, EVA). Интерфейсното свързване е слабо, образувайки „слаб граничен слой“. При високи нива на пълнене (често изискващи>60%, за да се изпълнят стандартите за забавяне на горенето), якостта на опън, якостта на удар и удължението при скъсване на материала са сериозно компрометирани.
· Смилане на ATH:
·Подобрена физическа адаптивност: Сферичните частици имат отлична течливост в разтопени полимери, с по-плътно опаковане и намалено вътрешно напрежение, по-нисък вискозитет на стопилката (при същото количество на пълнене) и значително подобряват производителността на обработка (като скорост на екструзия и течливост на инжектиране).
· Подобряване на свързването на интерфейса: Повърхността, активирана от механична сила, е по-склонна към химическо свързване или силна адсорбция с повърхностни модификатори (като силан, титанат, алуминатни свързващи агенти). Повърхностната енергия на модифицирания смлян ATH е намалена, а омокряемостта и заплитането с полимерни вериги са подобрени, постигайки преход от "физическо запълване" към "подобряване на интерфейса".
| Измерение на производителността | Обикновен ATH | Шлайфане на ATH (особено след модификация на повърхността) |
| Ефективност на забавяне на горенето | Честно, може да отговаря на стандарта при голям обем на пълнене | По-добре, може да намали количеството за пълнене (5-15% намалено пространство) при същото ниво на забавяне на горенето |
| Механични свойства | Силно влошаване, висока крехкост | Значително задържане, с много по-високи нива на задържане на якост на удар и якост на опън в сравнение с обикновените ATH системи за пълнене |
| Обработваемост | Висок вискозитет на стопилката, висок въртящ момент, висока консумация на енергия | Добра ликвидност, температурата на обработка може да бъде намалена, производственият капацитет може да бъде увеличен и износването на оборудването може да бъде намалено |
| Външен вид на продукта | Грапавост на повърхността, слаб гланц | Гладка повърхност, деликатен на допир, повишен гланц, благоприятен за оцветяване |
| Електрически свойства | Поради абсорбцията на влага и примесите, обемното съпротивление е нестабилно | По-стабилен, особено подходящ за полета с високи изисквания за електрическа ефективност, като проводници и кабели |
Смилане на ATHне е прост заместител на обикновения ATH, а високоефективен материал, забавящ горенето, който постига интегриран дизайн на структурната морфологична повърхност чрез усъвършенствани механохимични процеси. Основната му стойност се крие в:
1. Присъщото противоречие между високата течливост на пълнене и обработка, както и механичните свойства, е разрешено чрез оптимизиране на формата (ултра рафиниране, сфероидизация).
2. Чрез повърхностно активиране и модифициране адхезията на интерфейса с полимерната матрица е фундаментално подобрена, трансформирайки "инертния пълнител" в "функционално подобряващ компонент".
3. Чрез подобряване на еднаквостта и ефективността на ефективността на забавяне на горенето, той осигурява възможност за "намаляване и увеличаване на ефективността" на формули за забавяне на горенето без халогени и проектиране на продукти с по-тънки стени или по-висока производителност.
