Na področju polimernih zaviralcev gorenja,aluminijev hidroksid (ATH)ima dolgo osrednji položaj na trgu zaviralcev gorenja zaradi svojih prednosti nestrupenosti, dušenja dima, prijaznosti do okolja in relativno nizkih stroškov. Vendar pa navaden ATH, pripravljen s tradicionalno metodo obarjanja, pogosto izpostavi omejitvam, kot so velika količina polnila, slaba združljivost in huda mehanska izguba pri izpolnjevanju vedno bolj zahtevnih visokozmogljivih zahtev polimernih materialov. V zadnjih letih se je brusilni ATH (znan tudi kot "modificirani ATH" ali "ultrafini ATH"), globoko obdelan s tehnologijo fizične obdelave, pojavil kot nova sila, ki vodi do pomembne nadgradnje tehnologije uporabe ATH. Ta članek bo poglobljeno analiziral bistvene razlike med zemeljskim ATH in navadnim ATH s strokovnih vidikov znanosti o materialih, površinske fizikalne kemije in inženiringa vmesnikov kompozitnih materialov.
Navadni ATH: običajno se nanaša na aluminijev hidroksid, ki se neposredno obori z mokrimi kemičnimi postopki, kot je Bayerjev postopek (razgradnja raztopine natrijevega aluminata) ali postopek z amonijevim bikarbonatom. Njegova kristalna morfologija je večinoma nepravilna ploščasta, prizmatična ali sferična, s široko porazdelitvijo velikosti delcev (D50 običajno v območju 10-50 μm), hidrofilno površino, ki vsebuje veliko število hidroksilnih skupin (- OH) in kaže močno polarnost.
Brušenje ATH: Z uporabo navadnega ATH kot surovine se globoka predelava izvaja z mehanokemijskim postopkom. Ta proces ni preprosto "drobljenje", temveč proces doseganja prečiščevanja delcev, sferoidizacije in rekonstrukcije površinskih fizikalno-kemijskih lastnosti pod visoko intenzivno mehansko energijo (kot je mletje z zračnim tokom, kroglično mletje in srednje mletje). Ključni procesni parametri vključujejo vnos energije, izbiro medija, nadzor atmosfere in možno modifikacijo površine na kraju samem.
·Navadni ATH: kristalna struktura je nedotaknjena, vendar je pojav aglomeracije resen (zaradi visoke površinske energije in močne vodikove vezi). Grobe površine in ostri robovi lahko zlahka tvorijo točke koncentracije napetosti v kompozitnih materialih.
· Mletje ATH: Dosežena je bila pomembna morfološka regulacija.
·Velikost in porazdelitev delcev: mediani premer (D50) se lahko zmanjša na 1-3 μm ali celo pod mikronsko raven, porazdelitev velikosti delcev (PSD) pa je ožja. Glede na lasersko difrakcijsko analizo standarda ISO 13320 je razpon porazdelitve znatno zmanjšan.
·Videz: nagiba se k bolj pravilni, skoraj sferični ali kvazi sferični obliki. Sferoidizacija ne le zmanjša specifično površino, ampak, kar je še pomembneje, močno zmanjša robove in vogale delcev, kar je ključno za izboljšanje pretočnosti in mehanskih lastnosti kompozitnih materialov.
·Površinsko stanje: pod delovanjem visokoenergijske mehanske sile se kristalna struktura površine delcev delno popači ali amorfizira, aktivna mesta pa se povečajo, kar zagotavlja bolj idealno podlago za kasnejšo modifikacijo površine.
Kemična sestava obeh je Al(OH)₃, glavna reakcija termične razgradnje pa je dosledna (endotermna razgradnja se začne pri približno 200 ℃, da se tvorita Al₂O₃ in H₂O). Toda mikro razlike vodijo do različnih vedenj:
·Navadni ATH: Začetna in najvišja temperatura razgradnje sta relativno koncentrirani, endotermni vrh pa je širši. Veliki delci lahko povzročijo neenakomeren notranji prenos toplote, kar vpliva na enakomernost učinkovitosti zaviranja gorenja.
· Brušenje ATH:
· Boljša disperzibilnost ima za posledico enakomernejšo porazdelitev v matrici, bolj sinhroniziran prenos toplote in razgradnjo ter učinkovitejšo absorpcijo toplote in hladilne učinke.
·Večja specifična površina (ki se lahko še vedno poveča zaradi ultrafinega prečiščevanja pri enaki teži po sferoidizaciji) pomeni večjo kontaktno reakcijsko površino s plamenom/virom toplote, ki lahko hitreje odvaja toploto in sprošča vodno paro za razredčenje gorljivih plinov.
·Ostanki razgradnje (Al₂O3) lahko tvorijo gostejšo in bolj neprekinjeno zaščitno keramično plast zaradi drobnejših predhodnih delcev, kar ima za posledico boljši učinek pregrade.
To je jedro, ki določa končne mehanske lastnosti kompozitnih materialov.
·Navadni ATH: močne polarne površine so slabo združljive z nepolarnimi/šibko polarnimi polimeri (kot so PP, PE, EVA). Vmesna vez je šibka in tvori "šibko mejno plast". Pri visokih stopnjah polnjenja (pogosto zahtevajo >60 % za izpolnjevanje standardov za zaviranje gorenja) so natezna trdnost, udarna žilavost in raztezek ob pretrganju materiala resno ogroženi.
· Brušenje ATH:
· Izboljšana fizična prilagodljivost: sferični delci imajo odlično fluidnost v staljenih polimerih, s tesnejšim pakiranjem in zmanjšano notranjo napetostjo, nižjo viskoznost taline (pri enaki količini polnjenja) in močno izboljšajo zmogljivost obdelave (kot sta hitrost ekstrudiranja in pretočnost vbrizgavanja).
· Izboljšanje vezave vmesnika: površina, aktivirana z mehansko silo, je bolj nagnjena k kemični vezavi ali močni adsorpciji s površinskimi modifikatorji (kot so silan, titanat, aluminatna spojna sredstva). Površinska energija modificiranega zmletega ATH se zmanjša, omočljivost in prepletenost s polimernimi verigami pa se povečata, s čimer se doseže prehod iz "fizičnega polnjenja" v "izboljšanje vmesnika".
| Razsežnost uspešnosti | Navadni ATH | Brušenje ATH (zlasti po površinski modifikaciji) |
| Učinkovitost zaviranja gorenja | Pošteno, lahko izpolnjuje standard pri visoki prostornini polnjenja | Bolje je, da lahko zmanjša količino polnjenja (5-15 % zmanjšanega prostora) pod isto stopnjo zaviranja gorenja |
| Mehanske lastnosti | Močno poslabšanje, velika krhkost | Znatno zadrževanje z veliko višjimi stopnjami zadrževanja udarne trdnosti in natezne trdnosti kot običajni polnilni sistemi ATH |
| Obdelovalnost | Visoka viskoznost taline, visok navor, velika poraba energije | Dobra likvidnost, temperatura obdelave se lahko zmanjša, proizvodna zmogljivost se lahko poveča in obraba opreme se lahko zmanjša |
| Videz izdelka | Površinska hrapavost, nizek sijaj | Gladka površina, občutljiv na dotik, povečan sijaj, ugodno za barvanje |
| Električne lastnosti | Zaradi absorpcije vlage in nečistoč je prostorninska upornost nestabilna | Bolj stabilen, posebej primeren za polja z visokimi zahtevami glede električne učinkovitosti, kot so žice in kabli |
Brušenje ATHni preprost nadomestek za običajni ATH, temveč visoko zmogljiv material, ki zavira gorenje, ki z naprednimi mehanokemičnimi procesi doseže celostno zasnovo površine strukturne morfologije. Njegova temeljna vrednost je v:
1. Inherentno protislovje med visoko pretočnostjo polnjenja in obdelave ter mehanskimi lastnostmi je bilo razrešeno z optimizacijo oblike (ultra prefinjenost, sferoidizacija).
2. S površinsko aktivacijo in modifikacijo je bil oprijem vmesnika s polimerno matriko bistveno izboljšan, tako da se je "inertno polnilo" spremenilo v "komponento za izboljšanje funkcionalnosti".
3. Z izboljšanjem enakomernosti in učinkovitosti učinkovitosti zaviranja gorenja zagotavlja možnost za "zmanjšanje in povečanje učinkovitosti" formul za zaviranje gorenja brez halogenov in oblikovanje izdelkov s tanjšimi stenami ali večjo zmogljivostjo.
