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阻燃剂“氢氧化铝”为啥这么牛?

2022-10-12 已有316人浏览 皖燃科技

一、什么是阻燃剂

阻燃剂是一种用于改善可燃、易燃材料燃烧性能的特殊助剂,它可以使材料具有难燃性、自熄性、和消烟性,并可有效提高材料的安全使用性能。

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阻燃剂一般可分为有机阻燃剂和无机阻燃剂两类。有机阻燃剂阻燃效果突出,适用范围广,一直受到广泛的应用。但它的缺点同样突出,具有腐蚀性,燃烧时产生烟雾,同时伴有毒气产生。

而无机阻燃剂具有热稳定性相对较好,不产生腐蚀性气体及毒气,对环境的影响较小。相比于有机阻燃剂,无机阻燃剂更加符合环保和消防安全的要求,无机阻燃剂也是近年来大家研究的重点,市场潜力巨大。

无机阻燃剂有氢氧化铝氢氧化镁、氧化镁、三氧化二锑、四硼酸钠等,其中氢氧化铝是应用最为广泛的无机阻燃剂,它具有阻燃、消烟、填充的功能,尤其是经过表面改性的超细氢氧化铝,还可以提高材料的力学性能。

表1:几种阻燃剂阻燃效果比较


二、氢氧化铝阻燃剂的优势

虽说有机阻燃剂中的溴系阻燃剂具有阻燃效率高、添加量少、适用范围广等优点,但为了顺应阻燃剂市场高阻燃、低烟雾、无害化的发展趋势,无机阻燃剂的开发和利用逐渐得到了更多的助力的支持。

超细氢氧化铝常温下物理和化学性质稳定,燃烧时不会产生二次污染,白度高,具有优良的色度指标。且纳米氢氧化铝不仅可提高阻燃聚合物的有限氧指数,增加阻燃性能,且有助于改善聚合物制品的表面光洁度和力学、电学性能,增强其抗漏电、耐电弧和耐磨损能力。另外,氢氧化铝与其它阻燃剂的复合使用效果十分理想,是一种具有广阔前景的无机阻燃剂。

三、氢氧化铝的阻燃机理

氢氧化铝的阻燃机理相对来说较为复杂,由以下几种机理相互协同组成:

1)反应吸热

上面我们讲到,氢氧化铝受热反应生成氧化铝和水,这个反应是一个吸热反应,反应式为:


在此过程中,不但吸收了热量延缓了聚合物的燃烧,同时反应放出的水蒸气还冲淡了可燃气体和氧气,还会参加冷凝相的反应。

2)稀释作用

除了1)中所提到的水蒸气能冲淡可燃性气体和氧气外,由于氢氧化铝还起到了填充作用,导致单位体积内的聚合物减少,而填充的氢氧化铝起到了稀释作用。

3)覆盖作用

反应生成的氧化铝和其它碳化物一起形成了一个阻燃屏障,抑制了火焰的蔓延。

4)碳化作用

阻燃剂在燃烧条件下产生强烈脱水性物质,使塑料碳化而不易产生可燃性挥发物,从而阻止火焰蔓延。


三、不同行业对氢氧化铝的要求

优异的性能,使得氢氧化铝在多个行业领域都有所表现。但当其在不同行业使用时,对质量也时有不同的要求。

1、EVA发泡材料

EVA发泡材料是指以EVA和低密度聚乙烯为原料,并加入其它助剂后经模压发泡或注塑发泡所制成的发泡类绝热材料。由于对环境比较良好,因此大量被用于室内以及公共场所,所以对阻燃性能有很高的要求。

EVA发泡材料的阻燃体系一般采用单一的氢氧化铝,添加量达到60%左右。由于添加量大,所以对它稳定性要求苛刻,PH要求稳定,产品不能有一丝杂质,这使得氢氧化铝的生产过程要求十分严格,价格也高出其他纳米级产品。


2、硅橡胶制品

硅胶专用氢氧化铝阻燃剂需要加入多种硅烷表面处理,筛除粗颗粒,去除杂质,使粉体尽可能与硅橡胶结合良好,不对机械性能造成影响,同时起到阻燃和填充的双重功效。另外氢氧化铝可单独使用也可与氮磷系阻燃剂配合使用,具体比例需按配方添加。

3、油墨涂料

油墨和涂料都是重要的印刷材料,前者主要用在印刷行业,后者同时具备保护及装饰的作用。两者没有明显的界限,对氢氧化铝阻燃剂的要求基本一致,即需要具备吸油率低,无杂质,白度高,不沉淀等特性。


4、TPU

TPU中文名称为热塑性聚氨酯弹性体,其具有卓越的高张力、高拉力、强韧和耐老化的特性,是一种成熟的环保材料。添加在TPU/TPE材料里的氢氧化铝,首先要求其粒径要在2.0微米以下,粒度分布均匀,可以更好的和其他材料融合,提升物质的耐磨耐撕裂。

其次,要对氢氧化铝做表面活化处理,使得氢氧化铝能够和其他物质产生良好的链接,同时,也增强氢氧化铝的加工流动性,是氢氧化铝能够更加均匀地分布到材料中,产生良好的阻燃效果。

四、氢氧化铝的制备方法

超细氢氧化铝的制备方法有物理法和化学法。物理法通常指机械法;化学法则包含有种分法、溶胶-凝胶法、沉淀法、水热合成法、碳分法、超重力法等。

(1)机械法

机械法是通过搅拌磨和气流磨等设备将经洗涤、干燥处理的非工业级氢氧化铝粉碎研磨成粒度较细的ATH粉末。该方法生产的ATH粉体形状不规则,粒度粗,分布广,一般在5~15μm范围内,产品性能较差。将此方法生产的氢氧化铝用于电线、电缆的生产中,其加工性能、延展性和阻燃性能远不及化学法生产的氢氧化铝。机械法虽制备过程简单、实验成本较低但产品杂质含量较高且粒度分布不均匀,因此无法广泛应用。

(2)种分法

常用的种分法其核心是在制备好的铝酸钠溶液中加入超细ATH晶种,从而制备更纯更细的ATH粉体。其中,晶种的品质是影响ATH粉体粒度的重要因素。

(3)溶胶-凝胶法

此方法主要是通过在一定水浴温度、搅拌速率及pH值的条件下水解铝的化合物进而生成氢氧化铝胶体,然后在一定条件下转变成凝胶,最后经干燥研磨制得粒径较小的氢氧化铝粉体。

(4)沉淀法

沉淀法的方式有直接和均匀沉淀两类。直接沉淀是指在铝酸盐溶液中加入沉淀剂,在一定条件下制得高纯超细氢氧化铝。沉淀过程中,沉淀剂与溶液的混合程度是影响最后产品性质的关键因素。均匀沉淀法与直接沉淀不同,其沉淀生长速度较缓慢。

(5)水热合成法

水热法主要通过对密闭反应容器加热的方式,使原料在有机溶剂介质中高温高压反应制备ATH的方法。

(6)碳分法

碳分法是将CO2通入铝酸钠溶液中,通过控制反应条件来制备氢氧化铝。