一文了解“無公害阻燃劑”——超細氫氧化鋁

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行阻燃處理是必須的。

建筑起火

阻燃劑可分為有機與無機兩類，而在無機類阻燃劑中，氫氧化鋁由于具有阻燃、消煙、填充3大功能，在化學上是惰性的、無毒、不會產(chǎn)生二次污染，因此在國內(nèi)外均被譽為“無公害阻燃劑”。

一、氫氧化鋁阻燃劑的優(yōu)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(yōu)點，但為了順應阻燃劑市場高阻燃、低煙霧、無害化的發(fā)展趨勢，無機阻燃劑的開發(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性質(zhì)穩(wěn)定，燃燒時不會產(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(shù)，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。

二、氫氧化鋁的阻燃機理

國內(nèi)外市場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℃左右時開始吸熱分解，放出3個結(jié)晶水。

2Al(OH)₃→Al₂O₃+ 3H₂O

分解時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(xù)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。

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Al(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

氫氧化鋁作為無機阻燃劑，雖然有無毒、不揮發(fā)、價廉、燃燒時無二次污染等優(yōu)點，但是其添加量必須在50%以上時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機填料的相容性和力學性能，為此需要對氫氧化鋁進行表面處理及與其他阻燃劑混合使用組成實用的阻燃體系，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(jié)合。為了改善ATH與聚合物間的粘結(jié)力和界面親和性，采用偶聯(lián)劑對ATH阻燃劑進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。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?jié)裥浴?/p>

改性氫氧化鋁粉體

2、與無機阻燃劑的協(xié)同效應

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

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，F(xiàn)e、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]可以促進材料燃燒時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(nèi)起作用，而且也使ATH的用量減少，體系的阻燃性能提高，力學性能也得到了改善。

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關時，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(jié)晶形態(tài)，并具有與聚酯樹脂相近的折光系數(shù)，近年來國內(nèi)外常用聚酯樹脂加氫氧化鋁制成新型裝飾材料——“人造瑪瑙”。

2、環(huán)氧樹脂

在環(huán)氧樹脂中，氫氧化鋁有顯著提高氧指數(shù)的作用，如在100份環(huán)氧樹脂中添加80份氫氧化鋁，氧指數(shù)可從原來的20.0提高到27.5，這樣的環(huán)氧樹脂可用于密封材料、澆鑄件、環(huán)氧樹脂玻璃纖維片等。經(jīng)氫氧化鋁填充的環(huán)氧樹脂在制作變壓器、絕緣器材、開關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、電纜料中。

電線電纜

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，而且通過近年來新的表面處理技術，可使高填充量的聚烯烴通過復合反應較易進行模鑄加工，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。

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。

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