阻燃剂氢氧化铝生产方法及性能研究

2012-10-20苏爱玲

河南化工 2012年5期

关键词：氢氧化铝阻燃性阻燃剂

苏爱玲

(中国铝业山东分公司研究院，山东淄博 255061)

阻燃剂氢氧化铝生产方法及性能研究

苏爱玲

(中国铝业山东分公司研究院，山东淄博 255061)

介绍了阻燃剂氢氧化铝的性质、阻燃机理、各种生产方法和生产工艺，以及它在不同领域的应用性能，并对氢氧化铝阻燃剂的发展前景进行了分析和预测。

氢氧化铝;阻燃剂;生产方法;应用性能

Abstract:The property，flame retardance mechanism，different production method，production technic，and application performance of Al(OH)3flame retardant are introduced.In the end，the development of Al(OH)3flame retardant in the future are analysised.

Key words:Al(OH)3;flame retardannt;production method;application performance

0 前言

随着科学技术的进步和发展，人们生活水平的提高，化学建材塑料加工品及有机高分子聚合材料越来越广泛地应用于建筑、交通、电气、通讯、装潢等领域，由于这些材料固有的易燃性，由此带来的火灾隐患已经成为全球关注的安全问题，为了减少高分子材料的可燃性和火焰传播速度，阻燃剂得以迅速发展。阻燃剂是能使聚合物及相关材料不易燃烧和能减慢燃烧速度的一种助剂。阻燃化已成为高分子材料改性的重要内容之一。世界各国相继制定了有关材料阻燃的法规，对高分子材料的阻燃性提出了越来越高的要求，甚至在一些领域成为高分子材料所必须具备的性能。

阻燃剂分为有机和无机两类。无机类阻燃剂热稳定性好、不产生腐蚀性气体、难挥发、效果持久、毒性小、价格低廉，主要品种有氢氧化铝、氢氧化镁、红磷、氧化锑、氧化锡、硼酸锌、氢氧化锆等。其中氢氧化铝具有阻燃、消烟、填充三大功能，其惰性强、无毒、不会产生二次污染，在国内外被誉为无公害阻燃剂。氢氧化铝不仅白度值高，而且有优良的色度指标，对着色的遮盖性小，从而使制品美观，色调高雅;在树脂中分散性好，加入较多时，不易发生弯曲发白现象;能与多种物质产生阻燃的协同效应，阻燃效果显著;来源丰富，价格低廉，在国内外市场上其消耗量占无机阻燃剂的80%以上，占阻燃剂总量的50%以上。因此氢氧化铝是一种应用前景广阔的阻燃剂。

1 氢氧化铝的性质及阻燃特性

1.1 氢氧化铝的性质

氢氧化铝为两性氢氧化物，用硫酸铝或氯化铝溶液与NaOH、Na2CO3或氨作用而得。氢氧化铝为白色粉末，无味、无毒，密度2.42 kg/m3，粒径范围0.4 ～ 20 μm，加热到一定温度开始失水，变成Al2O3，不溶于水或醇，溶于热硫酸、盐酸及碱中。在橡胶工业中，氢氧化铝多用作阻燃剂，但也可作为补强填充剂使用[1]。

1.2 氢氧化铝的阻燃特性

氢氧化铝又称三水合氧化铝，兼具填充、阻燃、抑烟等多重功能，是用量最大的安全环保无机阻燃剂，氢氧化铝在240～350℃范围内完成了脱水反应，释放出3个分子结晶水，吸收了大量的热能，降低温度产生的大量水蒸气又能稀释可燃气体，分解生成的Al2O3与其它碳化物一起形成一道阻燃屏障，阻止火焰蔓延。但当氢氧化铝微粒尺寸变小时，表面能升高，位于表面的原子占相当大的比例。由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，使上述过程极易进行，从而提高了阻燃性能。

2 氢氧化铝阻燃剂的生产方法

2.1 水热合成法

活性铝粉与水接触，达到反应条件时剧烈反应，最终产物为极细的灰白色粉末，反应产物均为Al(OH)3，用此方法可制备出平均粒径为80 nm以下的粉末[2]。

2.2 尿素水解中和法

将铝灰等和硫酸作用制成硫酸铝溶液，净化除杂后加入适量尿素，在不断搅拌下加热进行水解，制成氢氧化铝。将所得的沉淀经表面处理后则得到氢氧化铝阻燃剂成品。

2.3 种分法

在铝酸钠溶液中加入一定粒度的氢氧化铝细种子，在一定的分解温度下，种分一段时间后，然后进行过滤、洗涤、烘干，产品进行分级。

2.4 碳分法

在过饱和铝酸钠溶液中通入混合二氧化碳气体进行分解，在一定的分解工艺制度下可以制得氢氧化铝晶体。

2.5 机械粉碎法

机械粉碎法是将普通冶金级氢氧化铝经洗涤、烘干后采用气流磨或球磨将其加工成微粉氢氧化铝。机械法生产的微粉氢氧化铝粒度较粗且粒度分布范围较宽，颗粒形貌不规则，最大颗粒粒度可达几十微米，产品使用性能差，抗折强度、延伸率较低，与化学法氢氧化铝相比，其氧指数小，阻燃效果差。

2.6 铝酸纳法

烧碱同铝灰按2∶1(物质的量比)比例在加热条件下反应，制成铝酸钠溶液;再用硫酸同铝灰按1.25∶1比例于105～120℃下反应制取硫酸铝溶液。将两者混合中和至pH值为6.5左右，生成氢氧化铝沉淀，经水洗抽滤，于75～85℃干燥10～12 h，粉碎后进行表面处理，即可制成氢氧化铝阻燃剂。上述过程可用如下反应式来表示:

目前，工业用氢氧化铝阻燃剂主要采用铝酸盐分解法制备，但产品的颗粒大，粒径不均匀，会影响阻燃效果发挥。颗粒超细化、纤维化可以改善氢氧化厂铝的阻燃性能，但各种方法都有各自的优缺点，将两种或两种以上的方法结合起来使用，充分发挥各种方法的优点从而获得优质的氢氧化铝阻燃剂是一个重要的研究方向。

3 氢氧化铝阻燃剂的应用及发展趋势

3.1 氢氧化铝阻燃剂的应用

氢氧化铝阻燃剂是合成材料的无卤阻燃剂之一。它具有阻燃、消烟、填充三大功能，燃烧时无二次污染，不但在聚合物中分散性好，而且又易与其它添加物产生阻燃协同效应，可广泛用于电工、电线、电缆、日用品、建筑材料、运输等塑料和橡胶制品中。

3.1.1 电缆料行业

当前我国国内电缆工业(电力电缆、装备线、通讯电缆)消耗塑料总量约22万t/a，年增长率5%以上，而交联料和低烟无卤阻燃材料会有较大的增长，达到15%以上。

3.1.2 橡胶行业

橡胶弹性体无机氢氧化物可以在一系列橡胶中作阻燃添加剂，根据制品的厚度、阻燃要求以及氢氧化物特性不同，天然橡胶一般使用40% ～70%阻燃剂，氢氧化铝因其成本低成为市场上销售最大的无机氢氧化物阻燃剂。

3.1.3 塑料行业

使用氢氧化铝作为阻燃剂的热塑性塑料中最常见的是聚氯乙烯。氢氧化铝取代碳酸钙可以非常容易地掺和到增塑的聚氯乙烯中。为了达到高标准的阻燃性，一是氢氧化铝和磷酸酯类增塑剂并用，另一种方法是将氢氧化铝和硼酸锌并用，这些配方已用于PVC的电线、电缆料中。此外，在聚乙烯和聚丙烯等可燃性聚烯烃塑料制品中加入高填充量的氢氧化铝，不但阻燃，而且通过近年来新的表面处理技术，可使高填充量的聚烯烃通过复合反应较易进行模铸加工，改善了产品的拉伸强度和抗冲击性能，使其广泛应用在电气导管和设备外套方面。另外，氢氧化铝阻燃填料还用于复合绝缘子、覆铜板等行业。

3.2 氢氧化铝阻燃剂的发展趋势

3.2.1 氢氧化铝颗粒的微粉化

氢氧化铝粒径大小直接影响其阻燃性和填充性。增加氢氧化铝粒子的表面积，使粒子表面水蒸气压力上升，有利于阻燃性的提高。现代填充技术发现，超细无机刚性粒子可对高分子材料起到增韧增强效果。因此超细氢氧化铝粒子不仅使体系阻燃性能提高，也可解决其影响力学性能这一难题。美国Alcoa公司开发出了新型的改性超细氢氧化铝阻燃剂，其粒径小至0.2～5μm，这种产品与普通型号氢氧化铝的阻燃效果相同，添加量却可大大减少，不会影响塑料产品的其它性能。

3.2.2 高效的表面处理剂

开发高效的表面处理剂，氢氧化铝单独使用时，添加量必须60份以上(以100份纯基体树脂为基准)[3]，但高填充量会影响塑料的加工性能和力学性能。若能开发高效廉价的偶联剂，在氢氧化铝添加量很高时，也不影响其加工及力学性能，那将大大促进氢氧化铝的应用。因此，开发高效的偶联剂，改善与高聚物的相容性是当前研究的方向之一。