氫氧化鋁阻燃劑的優(yōu)勢及應用分析

發(fā)布時(shí)間：2020-11-25 11-25 15:05 作者：

近年，高分子材料被廣泛用于日常生活中，但由于其易燃、發(fā)煙大等特性，極易成為火災的直接活化劑，因為對高分子材料進(jìn)行阻燃處理是必須的。

阻燃劑可分為有機與無(wú)機兩類(lèi)，而在無(wú)機類(lèi)阻燃劑中，氫氧化鋁由于具有阻燃、消煙、填充3大功能，在化學(xué)上是惰性的、無(wú)毒、不會(huì )產(chǎn)生二次污染，因此在國內外均被譽(yù)為“無(wú)公害阻燃劑”。

一、氫氧化鋁阻燃劑的優(yōu)勢

雖說(shuō)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(yōu)點(diǎn)，但為了順應阻燃劑市場(chǎng)高阻燃、低煙霧、無(wú)害化的發(fā)展趨勢，無(wú)機阻燃劑的開(kāi)發(fā)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(xué)性質(zhì)穩定，燃燒時(shí)不會(huì )產(chǎn)生二次污染，白度高，具有優(yōu)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(xué)、電學(xué)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(wú)機阻燃劑。

二、氫氧化鋁的阻燃機理

國內外市場(chǎng)上作為阻燃劑用的氫氧化鋁，主要是α-三水合氧化鋁(ATH)，常用α-Al2O3·3H2O表示。氫氧化鋁受熱至200～220℃左右時(shí)開(kāi)始吸熱分解，放出3個(gè)結晶水。

2Al(OH)3→Al2O3+ 3H2O

分解時(shí)Al(OH)3吸熱達1967.2 kJ/kg，吸收這樣大的熱量是其具有阻燃作用的最主要原因。

氫氧化鋁

其阻燃機理大致可以歸納如下：

（1）吸熱作用。在200～350℃脫水吸熱，抑制聚合物的溫升；

（2）稀釋作用。Al(OH)3填充，使可燃性高聚物的濃度下降。Al(OH)3脫水放出的水汽稀釋可燃性氣體和氧氣的濃度，可阻止燃燒；

（3）覆蓋作用。Al(OH)3脫水后在可燃物表面生成Al2O3保護膜，隔絕氧氣，可阻止繼續燃燒；

（4）碳化作用。阻燃劑在燃燒條件下產(chǎn)生強烈脫水性物質(zhì)，使塑料碳化而不易產(chǎn)生可燃性揮發(fā)物，從而阻止火焰蔓延。

三、氫氧化鋁的制備方法

制備氫氧化鋁阻燃劑的方法有水熱合成法、碳分法、液相共沉淀法、超重力反應沉淀法等。

納米氫氧化鋁電鏡圖

1.水熱合成法

活性鋁粉與水接觸，只要達到反應條件，則劇烈反應，最終產(chǎn)物為極細的灰白色粉末，其產(chǎn)物均為Al(OH)3和AlO(OH)，用此法可以制備出平均粒徑為80nm以下的粉末。

2.碳分法

用二氧化碳氣體通入鋁酸鈉溶液，使其析出氫氧化鋁。采用此法可制備出超細擬薄水鋁石和活性氫氧化鋁。

3.液相共沉淀法

采用氫氧化鋁和氨水變速滴加混合物法，可得到顆粒尺寸小于5nm的Al(OH)3沉淀，而且在該反應液中加入一定量表面活性劑，還可合成出粒徑細小，尺寸分布范圍窄的納米產(chǎn)品。

4.超重力反應沉淀法

利用超重力反應沉淀法制得了粒度可控(15-30nm)，粒度分布窄的納米lA(OH)3粉體，制成的產(chǎn)品可廣泛添加在各種防火涂料、聚合物材料之中。

四、氫氧化鋁的改性研究

氫氧化鋁作為無(wú)機阻燃劑，雖然有無(wú)毒、不揮發(fā)、價(jià)廉、燃燒時(shí)無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，但是其添加量必須在50%以上時(shí)才能充分顯示阻燃效果。這么高的填充量勢必影響高聚物與無(wú)機填料的相容性和力學(xué)性能，為此需要對氫氧化鋁進(jìn)行表面處理及與其他阻燃劑混合使用組成實(shí)用的阻燃體系，減少其用量，提高阻燃效果，以下便是部分改性方法。

1 表面改性

無(wú)機阻燃劑具有較強的極性及親水性，同非極性聚合物材料間相容性差，界面難以形成良好的結合。為了改善ATH與聚合物間的粘結力和界面親和性，采用偶聯(lián)劑對ATH阻燃劑進(jìn)行表面處理是最為行之有效的方法之一。

ATH常用的偶聯(lián)劑是硅烷和鈦酸酯類(lèi)。經(jīng)硅烷處理后的ATH阻燃效果好，能夠有效提高聚酯的彎曲強度和環(huán)氧樹(shù)脂的拉伸強度；經(jīng)乙烯基硅烷處理的ATH，可用于提高交聯(lián)乙烯-醋酸乙烯共聚物的阻燃性、耐熱性、抗濕性。

改性氫氧化鋁粉體

2 與無(wú)機阻燃劑的協(xié)同效應

少量的阻燃增效劑可以顯著(zhù)改善ATH填充體系的性能，如提高阻燃性、抑制滴落、改善力學(xué)性能。與ATH起協(xié)同作用的無(wú)機阻燃劑范圍很廣泛，主要有以下3種類(lèi)型。

①金屬氧化物。ATH可與諸多金屬氧化物產(chǎn)生協(xié)同作用，曾有文獻報道ATH能與Ni、Zn、Mn、Zr、Sb、Fe、Ti的氧化物并用產(chǎn)生協(xié)同效應。其中，Fe、Sb的氧化物對提高阻燃效率和分散性作用較為突出。

②硼化物。ATH能與硼酸銨、硼砂、偏硼酸鋇等起協(xié)同作用，效果良好且應用廣泛的硼酸鋅[Zn3(BO3)2·3H2O]可以促進(jìn)材料燃燒時(shí)碳化和具有抑煙作用。

③堿土金屬氫氧化物。堿土金屬氫氧化物主要指Mg(OH)2。ATH的分解溫度為200℃，Mg(OH)2的分解溫度為430℃，將兩者并用可以彌補ATH因其分解溫度較低而導致材料阻燃性能下降的缺陷，并且可以使復合阻燃劑在材料氧化分解過(guò)程中一直具有較好的阻燃效果。

3 與含磷阻燃劑的協(xié)同效應

含磷阻燃劑包括:有機磷阻燃劑(如磷酸酯、膦酸酯、含鹵磷酸酯等)和無(wú)機磷阻燃劑(如磷酸鹽、紅磷等)等，它們對ATH都有較好的協(xié)同效應，尤其是無(wú)機磷阻燃劑與ATH的協(xié)同效應最為明顯。

4 與多種阻燃劑復配

ATH與單種阻燃劑發(fā)生增效作用是有限的，因而常常是把多種阻燃劑復配在一起，使它們相互增效，取長(cháng)補短，達到降低阻燃劑的用量，提高材料阻燃性能、加工性能和力學(xué)性能的目的。

Iinuma等研究了ATH、Mg(OH)2、紅磷三者復配體系。增效情況表明，Mg(OH)2、紅磷不但能使ATH阻燃體系在較寬的溫度范圍內起作用，而且也使ATH的用量減少，體系的阻燃性能提高，力學(xué)性能也得到了改善。

五、氫氧化鋁阻燃劑的應用

1.不飽和聚酯

在用不飽和聚酯澆注制作各種高壓或低壓電器開(kāi)關(guān)時(shí)，添加氫氧化鋁可使制品具有阻燃性、消煙性以及抗電弧性。由于高白氫氧化鋁的白度達93%以上，有一定的結晶形態(tài)，并具有與聚酯樹(shù)脂相近的折光系數，近年來(lái)國內外常用聚酯樹(shù)脂加氫氧化鋁制成新型裝飾材料——“人造瑪瑙”。

人造瑪瑙

2.環(huán)氧樹(shù)脂

在環(huán)氧樹(shù)脂中，氫氧化鋁有顯著(zhù)提高氧指數的作用，如在100份環(huán)氧樹(shù)脂中添加80份氫氧化鋁，氧指數可從原來(lái)的20.0提高到27.5，這樣的環(huán)氧樹(shù)脂可用于密封材料、澆鑄件、環(huán)氧樹(shù)脂玻璃纖維片等。經(jīng)氫氧化鋁填充的環(huán)氧樹(shù)脂在制作變壓器、絕緣器材、開(kāi)關(guān)裝置等方面也有很大的發(fā)展前途。

3.熱塑性塑料

使用氫氧化鋁作為阻燃劑的熱塑性塑料中最常見(jiàn)的是聚氯乙烯。氫氧化鋁可以取代碳酸鈣非常容易地摻和到增塑的聚氯乙烯中。為了達到高標準的阻燃性，一是氫氧化鋁和磷酸酯類(lèi)增塑劑并用，另一種方法是將氫氧化鋁和硼酸鋅并用，這些配方已用于PVC的電線(xiàn)、電纜料中。

此外，在聚乙烯和聚丙烯等可燃性聚烯烴塑料制品中加入高填充量的氫氧化鋁，不但阻燃，而且通過(guò)近年來(lái)新的表面處理技術(shù)，可使高填充量的聚烯烴通過(guò)復合反應較易進(jìn)行模鑄加工，改善了產(chǎn)品的拉伸強度和抗沖擊性能，使其廣泛應用在電氣導管和設備外套方面。

電線(xiàn)

4.合成橡膠

氫氧化鋁在橡膠中不但可以作阻燃劑，而且可作補強劑用于丁苯橡膠的膠乳泡沫橡膠和地毯底層的橡膠粘接劑，也可用于鋪墊用的氯丁橡膠。另外，氫氧化鋁對于提高硅橡膠的耐漏電起痕性能也起到了重要作用。

橡膠玩具

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