هيدروكسيد الألومنيوم: لماذا لا يمكن استخدامه مباشرة؟

تتميز هيدروكسيدات الألومنيوم الأمفوتيرية غير العضوية – هيدروكسيد الألومنيوم (Al(OH)3, ATH) – بخصائص عالية الكفاءة كمثبط للهب، ومُخمد للدخان، وخاصية الحشو. عند التحلل الحراري، لا يُنتج غازات سامة أو مُسببة للتآكل، ويمكن استخدامه كمادة مالئة مثبطة للهب في المواد العضوية البوليمرية. يتزايد حاليًا استخدام هيدروكسيد الألومنيوم الأمفوتيرية كمثبط للهب عامًا بعد عام، وقد أصبح أهم مثبط للهب غير عضوي عالميًا.

التعديل أولًا، ثم تثبيط اللهب

عادةً ما يملأ المُصنِّعون المواد القابلة للاشتعال بمسحوق هيدروكسيد الألومنيوم (ATH) أو يُغطون سطحها بطبقة مثبطة للهب تحتوي على هيدروكسيد الألومنيوم لتحسين خصائص تثبيط اللهب في المواد العضوية البوليمرية.

علاوة على ذلك، ولأن هيدروكسيد الألومنيوم يحتوي على ثلاث مجموعات هيدروكسيل (-OH)، فإن سطحه غير متماثل وعالي الاستقطاب. تُظهر مجموعات الهيدروكسيل السطحية خصائص محبة للماء وكارهة للزيت، مما يجعلها عرضة للتكتل عند إضافتها إلى المواد العضوية البوليمرية، مما يؤثر بشكل مباشر على خصائصها الميكانيكية.

لذلك، يجب تعديل سطح هيدروكسيد الألومنيوم قبل الاستخدام.

تعديل سطح هيدروكسيد الألومنيوم

يُعد تعديل السطح من التقنيات الرئيسية لتحسين خصائص مواد المساحيق غير العضوية، ويلعب دورًا حاسمًا في تحسين أداء تطبيقاتها وقيمتها. يشير تعديل سطح الجسيمات غير العضوية إلى امتزاز أو تغليف مادة واحدة أو أكثر على سطح الجسيمات غير العضوية، مما يُشكل بنية مركبة من لب وقشرة. هذه العملية في جوهرها عملية مركبة من مواد مختلفة.

أنواع وخصائص المُعدّلات

هناك أنواع عديدة من مُعدّلات سطح المساحيق، ولكن لا توجد طريقة تصنيف موحدة. تُقسم مُعدّلات تعديل المساحيق غير العضوية بشكل رئيسي إلى فئتين: عوامل التوتر السطحي وعوامل الربط.

(1) عوامل الربط

تُناسب عوامل الربط أنظمة المواد المركبة المتنوعة من البوليمرات العضوية والحشوات غير العضوية. بعد تعديل السطح باستخدام عوامل الربط، تزداد توافقية المادة غير العضوية وقابليتها للتشتت مع البوليمر. يتغير سطح المادة غير العضوية من محب للماء وكاره للزيوت إلى محب للزيوت وكاره للماء، مما يزيد من ألفتها للبوليمر العضوي.

عوامل الربط متنوعة، ويمكن تصنيفها إلى أربع فئات رئيسية بناءً على بنيتها وتركيبها الكيميائي: المركبات العضوية، والسيلانات، والتيتانات، والألومينات.

(2) المواد الخافضة للتوتر السطحي

المواد الخافضة للتوتر السطحي هي مواد يمكنها تغيير خصائص سطح المادة أو سطحها بشكل كبير عند استخدامها بكميات صغيرة جدًا. وتشمل هذه المواد الخافضة للتوتر السطحي الأنيونية، والكاتيونية، وغير الأيونية، مثل الأحماض الدهنية العالية وأملاحها، والكحولات، والأمينات، والإسترات. يتميز تركيبها الجزيئي بوجود مجموعة ألكيل طويلة السلسلة في أحد طرفيها، مشابهة لجزيئات البوليمر، ومجموعات قطبية مثل مجموعات الكربوكسيل والإيثر والأمين في الطرف الآخر.

كيف يُمكن تحديد تأثير التعديل؟

هل هيدروكسيد الألومنيوم المعدل موثوق؟ ما مدى موثوقيته؟ يتطلب هذا تقييم تأثير التعديل وتوصيفه.

حاليًا، يُمكن تقييم تأثير مثبطات اللهب المكونة من هيدروكسيد الألومنيوم من خلال طرق مباشرة، مثل اختبار مؤشر الأكسجين للمادة، ومؤشر الاشتعال الرأسي والأفقي، وإنتاج الدخان، والتحليل الوزني الحراري، والخصائص الميكانيكية أثناء الاحتراق؛ أو بشكل غير مباشر عن طريق قياس امتصاص المسحوق، ومؤشر التنشيط، وقيمة امتصاص الزيت لاختبار تأثير التعديل بشكل غير مباشر.

(1) الامتصاص

يحتوي هيدروكسيد الألومنيوم غير المعدل على مجموعات هيدروكسيل محبة للماء وكارهة للزيت على سطحه، مما يسمح له بالذوبان في الماء أو الترسيب بحرية في القاع. بعد التعديل، يصبح سطح ATH محبًا للماء وكارهًا للزيوت، بخصائص سطحية معاكسة تمامًا للشكل غير المعدل. لا يذوب أو يترسب في القاع، بل يطفو فقط على السطح. مع ذلك، يمكن لـ ATH المعدل أن يذوب أو يترسب جيدًا في الزيوت (مثل البارافين السائل).

(2) مؤشر التنشيط

يتميز ATH غير المعدل بقطبية قوية جدًا نظرًا لطبيعة مجموعات الهيدروكسيل السطحية (-OH)، مما يسمح له بالذوبان أو الترسيب بحرية في الماء ذي الخصائص المشابهة. بعد التعديل، تلتصق بسطح ATH طبقة من المجموعات المحبة للدهون، مغلفة بمجموعات الهيدروكسيل السطحية (-OH). كلما كان تأثير التعديل أفضل، زاد معدل تغطية سطح ATH للمجموعة المحبة للدهون، وزادت نسبة طفو ATH المعدل على سطح الماء.

(3) قيمة امتصاص الزيت

يتطلب قياس قيمة امتصاص الزيت إضافة زيت الخروع إلى ATH وتحريكه. قبل التعديل، يتطلب ATH، نظرًا لخواصه المحبة للماء والكارهة للزيوت، كمية أكبر من زيت الخروع لتكوين الكرات. بعد تعديل السطح، يصبح ATH محبًا للماء والكاره للزيوت، مما يُحسّن قابلية تشتت ATH في البوليمر ويُقلل الفراغات الناتجة عن تكتل المسحوق.