Гидроксид алюминия: почему его нельзя использовать напрямую?

Неорганические амфотерные гидроксиды – гидроксид алюминия (Al(OH)3, ATH) – обладают высокоэффективными антипиреновыми, дымоподавляющими и наполняющими свойствами. При термическом разложении он не выделяет токсичных или коррозионных газов и может использоваться в качестве антипирена в полимерных органических материалах. В настоящее время использование ATH в качестве антипирена растет с каждым годом, и ATH стал важнейшим неорганическим антипиреном во всем мире.

Сначала модификация, затем антипирен

Как правило, производители наполняют горючие материалы порошкообразным гидроксидом алюминия (ATH) или покрывают поверхность горючих материалов антипиреном, содержащим ATH, для улучшения огнестойкости полимерных органических материалов.

Кроме того, поскольку ATH содержит три гидроксильные группы (-OH), его поверхность асимметрична и высокополярна. Поверхностные гидроксильные группы обладают гидрофильными и олеофобными свойствами, что делает их склонными к агломерации при добавлении в полимерные органические материалы, что напрямую влияет на механические свойства материала.

Поэтому гидроксид алюминия необходимо модифицировать перед использованием.

Модификация поверхности гидроксида алюминия

Модификация поверхности — одна из ключевых технологий оптимизации свойств неорганических порошковых материалов, играющая решающую роль в улучшении эксплуатационных характеристик и ценности неорганических порошков. Поверхностная модификация неорганических частиц заключается в адсорбции или инкапсуляции одного или нескольких веществ на поверхности неорганических частиц с образованием композитной структуры типа «ядро-оболочка». Этот процесс, по сути, представляет собой композитный процесс с использованием различных веществ.

Типы и характеристики модификаторов

Существует множество типов модификаторов поверхности порошков, но не существует стандартного метода их классификации. Модификаторы для модификации неорганических порошков в основном делятся на две категории: поверхностно-активные вещества и связующие агенты.

(1) Связующие агенты

Связующие агенты подходят для различных композитных систем, состоящих из органических полимеров и неорганических наполнителей. После модификации поверхности связующими агентами повышается совместимость и диспергируемость неорганического материала с полимером. Поверхность неорганического материала становится олеофильной и гидрофобной, что увеличивает его сродство к органическому полимеру.

Связующие агенты разнообразны и могут быть разделены на четыре основные категории в зависимости от их химической структуры и состава: органические комплексы, силаны, титанаты и алюминаты.

(2) Поверхностно-активные вещества

Поверхностно-активные вещества – это вещества, которые могут существенно изменять поверхностные или межфазные свойства материала при использовании в очень малых количествах. К ним относятся анионные, катионные и неионогенные поверхностно-активные вещества, такие как высшие жирные кислоты и их соли, спирты, амины и сложные эфиры. Их молекулярная структура характеризуется длинноцепочечной алкильной группой на одном конце, подобной структуре полимерных молекул, и полярными группами, такими как карбоксильные, эфирные и аминогруппы, на другом конце.

Как можно определить эффект модификации?

Надежен ли модифицированный гидроксид алюминия? Насколько он надежен? Для этого необходимо оценить и охарактеризовать эффект модификации.

В настоящее время огнезащитное действие антипиренов на основе гидроксида алюминия можно оценить прямыми методами, такими как определение кислородного индекса материала, индекса горючести в вертикальной и горизонтальной плоскостях, дымообразования, термогравиметрического анализа и механических свойств при горении; или косвенно, путем измерения поглощения порошка, индекса активации и величины поглощения масла для косвенной оценки эффекта модификации.

(1) Поглощение

Немодифицированный гидроксид алюминия имеет на своей поверхности гидрофильные и олеофобные гидроксильные группы, что позволяет ему растворяться в воде или свободно оседать на дно. После модификации поверхность гидроксида алюминия становится гидрофильной и олеофобной, а его поверхностные свойства полностью противоположны свойствам немодифицированной формы. Он не растворяется и не осаждаться на дно, а может только плавать на поверхности. Однако модифицированный ATH хорошо растворяется или осаждаться в маслах (например, в жидком парафине).

(2) Индекс активации

Немодифицированный ATH обладает очень сильной полярностью благодаря природе своих поверхностных гидроксильных групп (-ОН), что позволяет ему свободно растворяться или осаждаться в воде с аналогичными свойствами. После модификации ATH образует слой липофильных групп, прикреплённых к его поверхности, с инкапсулированными внутри поверхностными гидроксильными группами (-ОН). Чем лучше эффект модификации, тем выше степень покрытия поверхности ATH липофильными группами и тем больше модифицированного ATH плавает на поверхности воды.

(3) Коэффициент абсорбции масла

Для измерения коэффициента абсорбции масла необходимо добавить касторовое масло к ATH и перемешать. До модификации ATH, благодаря своим гидрофильным и олеофобным свойствам, требует большего количества касторового масла для образования сфер. После модификации поверхности он становится гидрофильным и олеофобным, что улучшает диспергируемость АТН в полимере и уменьшает пустоты, образующиеся при агломерации порошка.