В области полимерных антипиреновгидроксид алюминия (АТН)уже давно занимает ключевую позицию на рынке огнезащитных материалов благодаря своим преимуществам, заключающимся в нетоксичности, подавлении дыма, экологичности и относительно низкой стоимости. Однако обычный ATH, приготовленный традиционным методом осаждения, часто имеет ограничения, такие как большой объем наполнения, плохая совместимость и серьезные механические потери при удовлетворении все более жестких требований к высоким характеристикам полимерных материалов. В последние годы шлифовальный ATH (также известный как «модифицированный ATH» или «сверхтонкий ATH»), глубоко обработанный с помощью технологии физической обработки, стал новой силой, ведущей к важному обновлению технологии применения ATH. В этой статье будут глубоко проанализированы существенные различия между наземными ATH и обычными ATH с профессиональной точки зрения материаловедения, физической химии поверхности и разработки интерфейсов композитных материалов.
Обычный ATH: обычно относится к гидроксиду алюминия, непосредственно осажденному с помощью мокрых химических процессов, таких как процесс Байера (разложение раствора алюмината натрия) или процесс бикарбоната аммония. Его кристаллическая морфология в основном представляет собой неправильную пластинчатую, призматическую или сферическую форму, с широким распределением частиц по размерам (D50 обычно в диапазоне 10-50 мкм), гидрофильной поверхностью, содержащей большое количество гидроксильных групп (- ОН) и проявляющей сильную полярность.
Шлифовка АТН: Используя в качестве сырья обычный АТН, осуществляется глубокая переработка посредством механохимического процесса. Этот процесс представляет собой не просто «дробление», а, скорее, процесс измельчения частиц, сфероидизации и восстановления физико-химических свойств поверхности под воздействием механической энергии высокой интенсивности (например, измельчение в потоке воздуха, шаровое измельчение и среднее измельчение). Ключевые параметры процесса включают подачу энергии, выбор среды, контроль атмосферы и возможную модификацию поверхности на месте.
·Обычный ATH: Кристаллическая структура не повреждена, но явление агломерации является серьезным (из-за высокой поверхностной энергии и сильных водородных связей). Грубые поверхности и острые края могут легко образовывать точки концентрации напряжений в композитных материалах.
·Измельчение ATH: Была достигнута значительная морфологическая регуляция.
·Размер и распределение частиц: средний диаметр (D50) может быть уменьшен до 1-3 мкм или даже до субмикронного уровня, а распределение частиц по размерам (PSD) уже. Согласно лазерному дифракционному анализу стандарта ISO 13320, диапазон распределения значительно сокращается.
·Внешний вид: имеет тенденцию к более правильной, почти сферической или квазисферической форме. Сфероидизация не только уменьшает удельную поверхность, но, что более важно, значительно уменьшает края и углы частиц, что является залогом улучшения сыпучести и механических свойств композиционных материалов.
·Состояние поверхности: под действием высокоэнергетической механической силы кристаллическая структура поверхности частицы подвергается частичному искажению или аморфизации, а активные центры увеличиваются, обеспечивая более идеальную подложку для последующей модификации поверхности.
Химический состав обоих - Al(OH)₃, и основная реакция термического разложения постоянна (эндотермическое разложение начинается примерно при 200 ℃ с образованием Al₂O₃ и H₂O). Но микроразличия приводят к разному поведению:
·Обычный ATH: начало разложения и пиковые температуры относительно концентрированы, а эндотермический пик шире. Крупные частицы могут вызвать неравномерную внутреннюю теплопередачу, влияя на однородность эффективности огнезащитного состава.
·Шлифование ATH:
·Лучшая диспергируемость приводит к более равномерному распределению в матрице, более синхронизированной передаче тепла и разложению, а также к более эффективному поглощению тепла и эффекту охлаждения.
·Большая удельная площадь поверхности (которая все еще может увеличиваться из-за ультратонкого измельчения при том же весе после сфероидизации) означает большую площадь реакции контакта с пламенем/источником тепла, что может быстрее рассеивать тепло и выделять водяной пар для разбавления горючих газов.
·Остаток разложения (Al₂O₃) может образовывать более плотный и непрерывный защитный керамический слой благодаря более мелким частицам предшественника, что приводит к лучшему барьерному эффекту.
Это ядро, определяющее конечные механические свойства композиционных материалов.
·Обычный ATH: Сильнополярные поверхности плохо совместимы с неполярными/слабополярными полимерами (такими как ПП, ПЭ, ЭВА). Межфазная связь слабая, образуя «слабый пограничный слой». При высоких уровнях наполнения (часто требующих >60% для соответствия стандартам огнестойкости) прочность на разрыв, ударная вязкость и удлинение при разрыве материала серьезно ухудшаются.
·Шлифование ATH:
·Улучшенная физическая адаптируемость: сферические частицы обладают превосходной текучестью в расплавленных полимерах, имеют более плотную упаковку и уменьшенное внутреннее напряжение, более низкую вязкость расплава (при том же объеме наполнения) и значительно улучшают производительность обработки (например, скорость экструзии и текучесть при впрыске).
·Улучшение связывания поверхности: поверхность, активированная механической силой, более склонна к химическому связыванию или сильной адсорбции с модификаторами поверхности (такими как силан, титанат, алюминатные связующие агенты). Поверхностная энергия модифицированного измельченного ATH снижается, а смачиваемость и переплетение с полимерными цепями улучшаются, достигая перехода от «физического заполнения» к «улучшению поверхности раздела».
| Параметр производительности | Обычный АТН | Шлифование ATH (особенно после модификации поверхности) |
| Огнезащитная эффективность | Удовлетворительно, может соответствовать стандарту при большом объеме наполнения | Более того, это может уменьшить объем наполнения (уменьшение пространства на 5-15%) при том же уровне огнезащиты. |
| Механические свойства | Сильный износ, высокая хрупкость | Значительное удержание, с гораздо более высокими показателями удерживания ударной вязкости и прочности на разрыв, чем у обычных систем наполнения ATH. |
| Обрабатываемость | Высокая вязкость расплава, высокий крутящий момент, высокое энергопотребление. | Хорошая ликвидность, температура обработки может быть снижена, производственная мощность может быть увеличена, а износ оборудования может быть уменьшен. |
| Внешний вид продукта | Шероховатость поверхности, низкая глянцевитость | Гладкая поверхность, деликатное прикосновение, повышенный блеск, способствует окрашиванию. |
| Электрические свойства | Из-за поглощения влаги и примесей объемное сопротивление нестабильно. | Более стабильный, особенно подходит для полей с высокими требованиями к электрическим характеристикам, таких как провода и кабели. |
Шлифовка АТНЭто не простой заменитель обычного ATH, а высокоэффективный огнестойкий материал, который обеспечивает комплексное проектирование поверхности морфологии структуры посредством передовых механохимических процессов. Его основная ценность заключается в:
1. Внутреннее противоречие между высокой текучестью при наполнении и обработке, а также механическими свойствами было разрешено за счет оптимизации формы (ультраизмельчение, сфероидизация).
2. Путем активации и модификации поверхности существенно улучшилась адгезия поверхности раздела с полимерной матрицей, превратив «инертный наполнитель» в «функционально улучшающий компонент».
3. Повышая однородность и эффективность огнезащитных средств, он обеспечивает возможность «снижения и повышения эффективности» безгалогенных огнезащитных составов и разработки продуктов с более тонкими стенками или более высокими характеристиками.
