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超细氢氧化铝粉体的制备及其表面改性概述

作者: 网络 时间:2020-07-07 来源:转载
摘要:氢氧化铝(ATH)兼有阻燃、消烟、填充等多重功能,不会产生二次污染,能与多种物质产生协同阻燃效应,被广泛地应用于复合材料的阻燃添加剂,己成为用量最大的环保型无机阻燃剂。当A...

氢氧化铝(ATH)兼有阻燃、消烟、填充等多重功能,不会产生二次污染,能与多种物质产生协同阻燃效应,被广泛地应用于复合材料的阻燃添加剂,己成为用量最大的环保型无机阻燃剂。当ATH用作阻燃添加剂时,其含量和粒径对复合材料的阻燃性能和力学性能有很大影响。为了达到一定的阻燃等级,通常ATH的添加量较大,当添加量一定时,粒度越细阻燃效果越好。因此,为了更好地发挥氢氧化铝粉体的阻燃效果,且在添加量增大时,降低粉体对复合材料力学性能的影响,超细化、纳米化是ATH阻燃剂发展的新趋势。
 

但超细粉体的粒径很小,表面能高,很容易发生团聚,很难均匀地分散到高分子基体中;并且氢氧化铝粉体是典型的极性无机材料,与有机聚合物特别是非极性聚烯烃的亲和性差,界面结合力小,从而导致材料混炼、成型时流动性差,加工性能和力学性能恶化。因此,如何降低超细氢氧化铝颗粒之间的团聚,改善氢氧化铝粉体与高分子基体的界面相容性,提高它们在高分子基体中的分散性,从而获得性能优异的阻燃复合材料,就成为超细ATH在阻燃填充材料领域中应用的关键性问题。
 


(图片来源:网络)
 

1、超细氢氧化铝的制备
 

超细氢氧化铝的制备方法有物理法和化学法。物理法通常指机械法;化学法则包含有种分法、溶胶-凝胶法、沉淀法、水热合成法、碳分法、超重力法等。
 

(1)机械法

机械法是通过搅拌磨和气流磨等设备将经洗涤、干燥处理的非工业级氢氧化铝粉碎研磨成粒度较细的ATH粉末。该方法生产的ATH粉体形状不规则,粒度粗,分布广,一般在5~15μm范围内,产品性能较差。将此方法生产的氢氧化铝用于电线、电缆的生产中,其加工性能、延展性和阻燃性能远不及化学法生产的氢氧化铝。机械法虽制备过程简单、实验成本较低但产品杂质含量较高且粒度分布不均匀,因此无法广泛应用。
 

(2)种分法

常用的种分法其核心是在制备好的铝酸钠溶液中加入超细ATH晶种,从而制备更纯更细的ATH粉体。其中,晶种的品质是影响ATH粉体粒度的重要因素。
 

(3)溶胶-凝胶法

此方法主要是通过在一定水浴温度、搅拌速率及pH值的条件下水解铝的化合物进而生成氢氧化铝胶体,然后在一定条件下转变成凝胶,最后经干燥研磨制得粒径较小的氢氧化铝粉体。
 

(4)沉淀法

沉淀法的方式有直接和均匀沉淀两类。直接沉淀是指在铝酸盐溶液中加入沉淀剂,在一定条件下制得高纯超细氢氧化铝。沉淀过程中,沉淀剂与溶液的混合程度是影响最后产品性质的关键因素。均匀沉淀法与直接沉淀不同,其沉淀生长速度较缓慢。
 

(5)水热合成法

水热法主要通过对密闭反应容器加热的方式,使原料在有机溶剂介质中高温高压反应制备ATH的方法。
 

(6)碳分法

碳分法是将CO2通入铝酸钠溶液中,通过控制反应条件来制备氢氧化铝。
 

(图片来源:网络)
 

2、超细氢氧化铝的表面改性
 

(1)表面改性剂

目前,用于超细氢氧化铝表面改性的主要改性剂有表面活性剂、偶联剂等。常见的表面活性剂有:十二烷基苯磺酸钠、硬脂酸钠及硅油等。其改性机理是其分子一端的极性基团与无机材料发生化学反应或者物理吸附,包覆在其表面,而分子的另一端是长链烷基因与聚合物具有相似的结构而有极强的相容性。
 

偶联剂的改性机理是其分子中的一部分官能团与超细无机材料以化学的方式相结合;另外部分碳链以物理或化学的方式与高分子材料结合,而使无机材料与有机高分子材料紧密连接起来,常见的偶联剂有如下几种:硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂。
 

(图片来源:网络)

 

(2)改性方法

目前,主要以干法改性和湿法改性的方式对ATH进行表面改性。干法改性其特点是将粉体原料和改性剂或分散剂放入特定设备,调节合适的转速进行搅拌混合,而使改性剂包覆于氢氧化铝粉体表面的方法,此方法适合大批量生产。湿法改性是指将改性剂加入提前配好的具有一定液固比的氢氧化铝浆料中,在一定温度下充分搅拌分散进行改性的方法。此方法的特点是操作复杂,但表面包覆均匀,改性效果较好。
 

(3)改性机理

氢氧化铝的表面改性是指在其表面吸附或者包覆另外一种或者多种物质,形成具有核-壳结构的复合体。其表面改性主要表现为有机改性,改性方式可分为两类,其中物理法是指使用表面活性剂如高级脂肪酸、醇、胺、酯等表面包覆处理,以增加颗粒间距,阻碍颗粒间的团聚,同时提高氢氧化铝与有机高分子之间的亲和力,增加阻燃性能,改善加工工艺,并进一步提高有机高聚物的抗冲击能力。
 

化学法则是指利用偶联剂对氢氧化铝进行表面改性,通过其分子的基团与改性粉体表面发生反应形成化学键,而达到改性的效果,由于偶联剂分子对有机物具有亲和性,可以与有机高分子发生反应,使ATH与有机高聚物紧密结合在一起,进而改善复合材料的性能。硅烷、钛酸酯、铝酸酯偶联剂和硬脂酸改性剂的改性机理均是由于其分子中同时存在亲无机基团和亲有机基团,这两种基团使偶联剂可作为氢氧化铝和有机材料的分子桥,将二者紧密连接在一起。
 

(4)改性效果表征
 

目前可用两种方法对氢氧化铝粉体的改性效果进行评价。其中,直接法是指通过测定改性氢氧化铝填充后形成的复合材料的阻燃、力学等性能,对改性效果做出评价。此方法的特点是过程较复杂,但测试效果可靠。间接法是通过测定氢氧化铝粉体改性前后表面的物理化学性质对改性效果做出的评价。具体的评价指标包括:
 

活化指数。氢氧化铝作为一种无机极性材料,会在水中自然沉降。经改性后的粉体表面呈非极性,疏水性增强,使其在水中无法沉降。活化指数的变化反应了粉体表面的活化程度,即对粉体的改性处理效果的进行了表征。
 

吸油值。吸油值是表征氢氧化铝在聚合物中分散性的重要指标,反应了粉体的孔隙率和比表面积的大小。经表面改性提高了粉体在聚合物中的分散性,减少了由于粉体之间的团聚而形成的空隙,故表面改性可使粉体的吸油值降低。
 

分散稳定性。此方法是通过比较不同改性剂改性氢氧化铝粉体在分散介质中的分散情况来表征表面改性的效果,可采用扫描电镜观察其形貌和分散性。


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