อะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ : เพราะเหตุใดจึงไม่สามารถนำมาใช้โดยตรงได้?

แอมโฟเทอริกไฮดรอกไซด์อนินทรีย์—อะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ (Al(OH)3, ATH)—มีคุณสมบัติหน่วงไฟ ดับควัน และบรรจุในวัสดุที่มีประสิทธิภาพสูง เมื่อสลายตัวด้วยความร้อน มันจะไม่ก่อให้เกิดก๊าซพิษหรือก๊าซกัดกร่อน และสามารถใช้เป็นสารตัวเติมหน่วงไฟในวัสดุอินทรีย์พอลิเมอร์ ปัจจุบัน การใช้ ATH เป็นสารหน่วงไฟเพิ่มขึ้นทุกปี และ ATH ได้กลายเป็นสารหน่วงไฟอนินทรีย์ที่สำคัญที่สุดทั่วโลก

การดัดแปลงก่อน แล้วจึงหน่วงไฟ

โดยทั่วไป ผู้ผลิตมักจะเติมอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ (ATH) ผงลงในวัสดุที่ติดไฟได้ หรือเคลือบผิววัสดุที่ติดไฟได้ด้วยสารเคลือบหน่วงไฟที่มี ATH เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติหน่วงไฟของวัสดุอินทรีย์พอลิเมอร์

ยิ่งไปกว่านั้น เนื่องจาก ATH ประกอบด้วยหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) สามหมู่ พื้นผิวจึงไม่สมมาตรและมีขั้วสูง กลุ่มไฮดรอกซิลบนพื้นผิวแสดงคุณสมบัติชอบน้ำและไม่ชอบน้ำมัน ทำให้มีแนวโน้มที่จะเกาะตัวกันเมื่อเติมลงในวัสดุอินทรีย์พอลิเมอร์ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุ

ดังนั้น อะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์จึงจำเป็นต้องได้รับการปรับปรุงพื้นผิวก่อนใช้งาน

การปรับปรุงพื้นผิวของอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์

การปรับปรุงพื้นผิวเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีสำคัญสำหรับการปรับปรุงคุณสมบัติของวัสดุผงอนินทรีย์ให้เหมาะสมที่สุด ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้งานและคุณค่าของผงอนินทรีย์ การปรับปรุงพื้นผิวของอนุภาคอนินทรีย์ หมายถึงการดูดซับหรือการห่อหุ้มสารหนึ่งชนิดหรือมากกว่าบนพื้นผิวของอนุภาคอนินทรีย์ ก่อให้เกิดโครงสร้างคอมโพสิตแบบแกน-เปลือก กระบวนการนี้โดยพื้นฐานแล้วเป็นกระบวนการคอมโพสิตของสารต่างๆ

ประเภทและลักษณะของสารปรับปรุงพื้นผิว

สารปรับปรุงพื้นผิวของผงมีหลายประเภท แต่ยังไม่มีวิธีการจำแนกประเภทมาตรฐาน สารปรับปรุงสำหรับการดัดแปลงผงอนินทรีย์แบ่งออกเป็นสองประเภทหลักๆ คือ สารลดแรงตึงผิวและสารคู่ควบ

(1) สารเชื่อมต่อ

สารเชื่อมต่อเหมาะสำหรับระบบวัสดุผสมต่างๆ ของพอลิเมอร์อินทรีย์และสารตัวเติมอนินทรีย์ หลังจากการปรับปรุงพื้นผิวด้วยสารเชื่อมต่อ ความเข้ากันได้และการกระจายตัวของวัสดุอนินทรีย์กับพอลิเมอร์จะเพิ่มขึ้น พื้นผิวของวัสดุอนินทรีย์จะเปลี่ยนจากสารชอบน้ำและไม่ชอบน้ำมันเป็นสารชอบน้ำมันและไม่ชอบน้ำ ทำให้มีความสัมพันธ์กับพอลิเมอร์อินทรีย์มากขึ้น

สารเชื่อมต่อมีความหลากหลายและสามารถจำแนกได้เป็น 4 ประเภทหลักตามโครงสร้างทางเคมีและองค์ประกอบ ได้แก่ สารเชิงซ้อนอินทรีย์ ไซเลน ไททาเนต และอะลูมิเนต

(2) สารลดแรงตึงผิว

สารลดแรงตึงผิวคือสารที่สามารถเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติพื้นผิวหรือส่วนต่อประสานของวัสดุได้อย่างมีนัยสำคัญเมื่อใช้ในปริมาณที่น้อยมาก สารลดแรงตึงผิวเหล่านี้ประกอบด้วยสารลดแรงตึงผิวประจุลบ ประจุบวก และสารไม่มีประจุ เช่น กรดไขมันที่มีปริมาณสูงและเกลือของกรดไขมัน แอลกอฮอล์ เอมีน และเอสเทอร์ โครงสร้างโมเลกุลของสารหน่วงไฟนี้มีลักษณะเฉพาะคือมีหมู่อัลคิลสายยาวอยู่ที่ปลายด้านหนึ่ง คล้ายกับโมเลกุลของพอลิเมอร์ และมีหมู่โพลาร์ เช่น หมู่คาร์บอกซิล หมู่อีเทอร์ และหมู่อะมิโนอยู่ที่ปลายอีกด้านหนึ่ง

จะหาค่าการดัดแปลงนี้ได้อย่างไร

อะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ที่ผ่านการดัดแปลงมีความน่าเชื่อถือหรือไม่? เชื่อถือได้แค่ไหน? ซึ่งจำเป็นต้องมีการประเมินและอธิบายลักษณะเฉพาะของผลจากการดัดแปลง

ปัจจุบัน ผลของสารหน่วงไฟของอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์สามารถประเมินได้ด้วยวิธีทางตรง เช่น การทดสอบดัชนีออกซิเจนของวัสดุ ดัชนีการติดไฟในแนวตั้งและแนวนอน การเกิดควัน การวิเคราะห์เทอร์โมกราวิเมตริก และคุณสมบัติเชิงกลระหว่างการเผาไหม้ หรือวิธีทางอ้อมโดยการวัดค่าการดูดกลืนแสงของผง ดัชนีการกระตุ้น และค่าการดูดซับน้ำมัน เพื่อทดสอบผลจากการดัดแปลงทางอ้อม

(1) ค่าการดูดกลืนแสง

สาร ATH ที่ไม่ได้ผ่านการดัดแปลงมีหมู่ไฮดรอกซิลที่มีคุณสมบัติชอบน้ำและไม่ชอบน้ำมันบนพื้นผิว ซึ่งทำให้ละลายในน้ำหรือตกตะกอนได้อย่างอิสระที่ก้นภาชนะ หลังจากการปรับเปลี่ยน พื้นผิวของ ATH จะกลายเป็นสารชอบน้ำและไม่ชอบน้ำมัน โดยมีคุณสมบัติพื้นผิวตรงกันข้ามอย่างสิ้นเชิงกับรูปแบบที่ไม่ได้ปรับเปลี่ยน ATH ไม่สามารถละลายหรือตกตะกอนที่ก้นบ่อ และลอยได้เฉพาะบนพื้นผิวเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ATH ที่ผ่านการปรับเปลี่ยนสามารถละลายหรือตกตะกอนได้ดีในน้ำมัน (เช่น พาราฟินเหลว)

(2) ดัชนีการกระตุ้น

ATH ที่ไม่ได้ปรับเปลี่ยนมีขั้วที่แข็งแรงมากเนื่องจากลักษณะของหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) บนพื้นผิว ทำให้สามารถละลายหรือตกตะกอนได้อย่างอิสระในน้ำที่มีคุณสมบัติคล้ายคลึงกัน หลังจากการปรับเปลี่ยน ATH จะมีชั้นหมู่ไลโปฟิลิกเกาะอยู่บนพื้นผิว โดยมีหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) บนพื้นผิวห่อหุ้มอยู่ภายใน ยิ่งผลการดัดแปลงดีเท่าใด อัตราการครอบคลุมหมู่ไลโปฟิลิกบนพื้นผิวของ ATH ก็จะยิ่งสูงขึ้น และ ATH ที่ผ่านการปรับเปลี่ยนก็จะลอยอยู่บนผิวน้ำมากขึ้นเท่านั้น

(3) ค่าการดูดซับน้ำมัน

การวัดค่าการดูดซับน้ำมันจำเป็นต้องเติมน้ำมันละหุ่งลงใน ATH แล้วคนให้เข้ากัน ก่อนการดัดแปลง ATH จำเป็นต้องใช้น้ำมันละหุ่งมากขึ้นในการสร้างทรงกลม เนื่องจากมีคุณสมบัติชอบน้ำและไม่ชอบน้ำมัน หลังจากการปรับปรุงพื้นผิว ATH จะกลายเป็นสารชอบน้ำและไม่ชอบน้ำมัน ช่วยเพิ่มการกระจายตัวของ ATH ในพอลิเมอร์และลดช่องว่างที่เกิดจากการรวมตัวของผง