Hydroxyde d’aluminium : pourquoi ne peut-on pas l’utiliser directement ?
Les hydroxydes amphotères inorganiques, comme l’hydroxyde d’aluminium (Al(OH)₃, ATH), possèdent d’excellentes propriétés ignifuges, anti-fumée et de remplissage. Lors de sa décomposition thermique, il ne produit ni gaz toxiques ni corrosifs et peut être utilisé comme charge ignifuge dans les matériaux organiques polymères. Actuellement, l’utilisation de l’ATH comme ignifugeant est en constante augmentation et il est devenu l’ignifuge inorganique le plus important au monde.
Modification préalable, puis ignifugeage
Généralement, les fabricants incorporent de l’hydroxyde d’aluminium (ATH) en poudre dans les matériaux inflammables ou appliquent un revêtement ignifuge contenant de l’ATH à leur surface afin d’améliorer les propriétés ignifuges des matériaux organiques polymères.
De plus, la présence de trois groupes hydroxyle (-OH) confère à l’ATH une surface asymétrique et fortement polaire. Les groupes hydroxyle de surface présentent des propriétés hydrophiles et oléophobes, ce qui les rend sujets à l’agglomération lorsqu’ils sont ajoutés à des matériaux organiques polymères, affectant directement les propriétés mécaniques du matériau.
Par conséquent, l’hydroxyde d’aluminium doit subir une modification de surface avant utilisation.
Modification de surface de l’hydroxyde d’aluminium
La modification de surface est une technologie clé pour optimiser les propriétés des poudres inorganiques. Elle joue un rôle crucial dans l’amélioration de leurs performances et de leur valeur ajoutée. La modification de surface des particules inorganiques consiste en l’adsorption ou l’encapsulation d’une ou plusieurs substances à leur surface, formant ainsi une structure composite cœur-coquille. Ce procédé est essentiellement un procédé composite impliquant différentes substances.
Types et caractéristiques des modificateurs
Il existe de nombreux types de modificateurs de surface pour poudres, mais aucune méthode de classification standard n’est établie. Les modificateurs utilisés pour la modification des poudres inorganiques se divisent principalement en deux catégories : les tensioactifs et les agents de couplage.
(1) Agents de couplage
Les agents de couplage conviennent à divers systèmes de matériaux composites constitués de polymères organiques et de charges inorganiques. Après modification de surface par des agents de couplage, la compatibilité et la dispersibilité du matériau inorganique avec le polymère sont améliorées. La surface du matériau inorganique passe d’hydrophile et oléophobe à oléophile et hydrophobe, augmentant ainsi son affinité avec le polymère organique.
Les agents de couplage sont divers et peuvent être classés en quatre grandes catégories selon leur structure et leur composition chimiques : les complexes organiques, les silanes, les titanates et les aluminates.
(2) Tensioactifs
Les tensioactifs sont des substances qui, utilisées en très faible quantité, peuvent modifier significativement les propriétés de surface ou interfaciales d’un matériau. Ils comprennent des tensioactifs anioniques, cationiques et non ioniques, tels que les acides gras supérieurs et leurs sels, les alcools, les amines et les esters. Leur structure moléculaire est caractérisée par une longue chaîne alkyle à une extrémité, similaire à celle des polymères, et des groupements polaires tels que des groupements carboxyle, éther et amino à l’autre extrémité.
Comment déterminer l’effet de la modification ?
L’hydroxyde d’aluminium modifié est-il fiable ? Dans quelle mesure ? Cela nécessite d’évaluer et de caractériser l’effet de la modification.
Actuellement, l’effet ignifuge des retardateurs de flamme à base d’hydroxyde d’aluminium peut être évalué par des méthodes directes, telles que la mesure de l’indice d’oxygène, des indices d’inflammabilité verticale et horizontale, de la production de fumée, l’analyse thermogravimétrique et l’étude des propriétés mécaniques lors de la combustion ; ou indirectement, en mesurant l’absorbance de la poudre, l’indice d’activation et le coefficient d’absorption d’huile afin d’évaluer indirectement l’effet de la modification.
(1) Absorbance
L’hydroxyde d’aluminium non modifié présente des groupements hydroxyle hydrophiles et oléophobes en surface, ce qui lui permet de se dissoudre dans l’eau ou de se déposer librement au fond. Après modification, la surface de l’hydroxyde d’aluminium devient hydrophile et oléophobe, avec des propriétés de surface totalement opposées à celles de la forme non modifiée. Il ne peut ni se dissoudre ni se déposer au fond et flotte uniquement en surface. Cependant, l’ATH modifié se dissout ou précipite bien dans les huiles (comme la paraffine liquide).
(2) Indice d’activation
L’ATH non modifié présente une polarité très forte due à la nature de ses groupes hydroxyle de surface (-OH), ce qui lui permet de se dissoudre ou de se déposer librement dans l’eau aux propriétés similaires. Après modification, l’ATH possède une couche de groupes lipophiles fixée à sa surface, encapsulant ainsi les groupes hydroxyle de surface (-OH). Plus l’effet de la modification est important, plus le taux de couverture de la surface de l’ATH par les groupes lipophiles est élevé, et plus l’ATH modifié flotte à la surface de l’eau.
(3) Capacité d’absorption d’huile
La mesure de la capacité d’absorption d’huile nécessite l’ajout d’huile de ricin à l’ATH et l’agitation. Avant modification, l’ATH, en raison de ses propriétés hydrophiles et oléophobes, requiert une plus grande quantité d’huile de ricin pour former des sphères. Après modification de surface, il devient hydrophile et oléophobe, améliorant la dispersibilité de l’ATH dans le polymère et réduisant les vides formés par l’agglomération de la poudre.