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阻燃劑“氫氧化鋁”為啥這么牛?

2022-10-12 已有1630人瀏覽 皖燃科技

一、什么是阻燃劑

阻燃劑是一種用于改善可燃、易燃材料燃燒性能的特殊助劑,它可以使材料具有難燃性、自熄性、和消煙性,并可有效提高材料的安全使用性能。

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阻燃劑一般可分為有機阻燃劑和無機阻燃劑兩類。有機阻燃劑阻燃效果突出,適用范圍廣,一直受到廣泛的應用。但它的缺點同樣突出,具有腐蝕性,燃燒時產生煙霧,同時伴有毒氣產生。

而無機阻燃劑具有熱穩定性相對較好,不產生腐蝕性氣體及毒氣,對環境的影響較小。相比于有機阻燃劑,無機阻燃劑更加符合環保和消防安全的要求,無機阻燃劑也是近年來大家研究的重點,市場潛力巨大。

無機阻燃劑有氫氧化鋁、氫氧化鎂、氧化鎂、三氧化二銻、四硼酸鈉等,其中氫氧化鋁是應用最為廣泛的無機阻燃劑,它具有阻燃、消煙、填充的功能,尤其是經過表面改性的超細氫氧化鋁,還可以提高材料的力學性能。

表1:幾種阻燃劑阻燃效果比較


二、氫氧化鋁阻燃劑的優勢

雖說有機阻燃劑中的溴系阻燃劑具有阻燃效率高、添加量少、適用范圍廣等優點,但為了順應阻燃劑市場高阻燃、低煙霧、無害化的發展趨勢,無機阻燃劑的開發和利用逐漸得到了更多的助力的支持。

超細氫氧化鋁常溫下物理和化學性質穩定,燃燒時不會產生二次污染,白度高,具有優良的色度指標。且納米氫氧化鋁不僅可提高阻燃聚合物的有限氧指數,增加阻燃性能,且有助于改善聚合物制品的表面光潔度和力學、電學性能,增強其抗漏電、耐電弧和耐磨損能力。另外,氫氧化鋁與其它阻燃劑的復合使用效果十分理想,是一種具有廣闊前景的無機阻燃劑。

三、氫氧化鋁的阻燃機理

氫氧化鋁的阻燃機理相對來說較為復雜,由以下幾種機理相互協同組成:

1)反應吸熱

上面我們講到,氫氧化鋁受熱反應生成氧化鋁和水,這個反應是一個吸熱反應,反應式為:


在此過程中,不但吸收了熱量延緩了聚合物的燃燒,同時反應放出的水蒸氣還沖淡了可燃氣體和氧氣,還會參加冷凝相的反應。

2)稀釋作用

除了1)中所提到的水蒸氣能沖淡可燃性氣體和氧氣外,由于氫氧化鋁還起到了填充作用,導致單位體積內的聚合物減少,而填充的氫氧化鋁起到了稀釋作用。

3)覆蓋作用

反應生成的氧化鋁和其它碳化物一起形成了一個阻燃屏障,抑制了火焰的蔓延。

4)碳化作用

阻燃劑在燃燒條件下產生強烈脫水性物質,使塑料碳化而不易產生可燃性揮發物,從而阻止火焰蔓延。


三、不同行業對氫氧化鋁的要求

優異的性能,使得氫氧化鋁在多個行業領域都有所表現。但當其在不同行業使用時,對質量也時有不同的要求。

1、EVA發泡材料

EVA發泡材料是指以EVA和低密度聚乙烯為原料,并加入其它助劑后經模壓發泡或注塑發泡所制成的發泡類絕熱材料。由于對環境比較良好,因此大量被用于室內以及公共場所,所以對阻燃性能有很高的要求。

EVA發泡材料的阻燃體系一般采用單一的氫氧化鋁,添加量達到60%左右。由于添加量大,所以對它穩定性要求苛刻,PH要求穩定,產品不能有一絲雜質,這使得氫氧化鋁的生產過程要求十分嚴格,價格也高出其他納米級產品。


2、硅橡膠制品

硅膠專用氫氧化鋁阻燃劑需要加入多種硅烷表面處理,篩除粗顆粒,去除雜質,使粉體盡可能與硅橡膠結合良好,不對機械性能造成影響,同時起到阻燃和填充的雙重功效。另外氫氧化鋁可單獨使用也可與氮磷系阻燃劑配合使用,具體比例需按配方添加。

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業,后者同時具備保護及裝飾的作用。兩者沒有明顯的界限,對氫氧化鋁阻燃劑的要求基本一致,即需要具備吸油率低,無雜質,白度高,不沉淀等特性。


4、TPU

TPU中文名稱為熱塑性聚氨酯彈性體,其具有卓越的高張力、高拉力、強韌和耐老化的特性,是一種成熟的環保材料。添加在TPU/TPE材料里的氫氧化鋁,首先要求其粒徑要在2.0微米以下,粒度分布均勻,可以更好的和其他材料融合,提升物質的耐磨耐撕裂。

其次,要對氫氧化鋁做表面活化處理,使得氫氧化鋁能夠和其他物質產生良好的鏈接,同時,也增強氫氧化鋁的加工流動性,是氫氧化鋁能夠更加均勻地分布到材料中,產生良好的阻燃效果。

四、氫氧化鋁的制備方法

超細氫氧化鋁的制備方法有物理法和化學法。物理法通常指機械法;化學法則包含有種分法、溶膠-凝膠法、沉淀法、水熱合成法、碳分法、超重力法等。

(1)機械法

機械法是通過攪拌磨和氣流磨等設備將經洗滌、干燥處理的非工業級氫氧化鋁粉碎研磨成粒度較細的ATH粉末。該方法生產的ATH粉體形狀不規則,粒度粗,分布廣,一般在5~15μm范圍內,產品性能較差。將此方法生產的氫氧化鋁用于電線、電纜的生產中,其加工性能、延展性和阻燃性能遠不及化學法生產的氫氧化鋁。機械法雖制備過程簡單、實驗成本較低但產品雜質含量較高且粒度分布不均勻,因此無法廣泛應用。

(2)種分法

常用的種分法其核心是在制備好的鋁酸鈉溶液中加入超細ATH晶種,從而制備更純更細的ATH粉體。其中,晶種的品質是影響ATH粉體粒度的重要因素。

(3)溶膠-凝膠法

此方法主要是通過在一定水浴溫度、攪拌速率及pH值的條件下水解鋁的化合物進而生成氫氧化鋁膠體,然后在一定條件下轉變成凝膠,最后經干燥研磨制得粒徑較小的氫氧化鋁粉體。

(4)沉淀法

沉淀法的方式有直接和均勻沉淀兩類。直接沉淀是指在鋁酸鹽溶液中加入沉淀劑,在一定條件下制得高純超細氫氧化鋁。沉淀過程中,沉淀劑與溶液的混合程度是影響最后產品性質的關鍵因素。均勻沉淀法與直接沉淀不同,其沉淀生長速度較緩慢。

(5)水熱合成法

水熱法主要通過對密閉反應容器加熱的方式,使原料在有機溶劑介質中高溫高壓反應制備ATH的方法。

(6)碳分法

碳分法是將CO2通入鋁酸鈉溶液中,通過控制反應條件來制備氫氧化鋁。


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