阻燃劑氫氧化鋁生產(chǎn)方法及性能研究

蘇愛玲

(中國鋁業(yè)山東分公司研究院，山東淄博 255061)

阻燃劑氫氧化鋁生產(chǎn)方法及性能研究

蘇愛玲

(中國鋁業(yè)山東分公司研究院，山東淄博 255061)

介紹了阻燃劑氫氧化鋁的性質(zhì)、阻燃機(jī)理、各種生產(chǎn)方法和生產(chǎn)工藝，以及它在不同領(lǐng)域的應(yīng)用性能，并對氫氧化鋁阻燃劑的發(fā)展前景進(jìn)行了分析和預(yù)測。

氫氧化鋁;阻燃劑;生產(chǎn)方法;應(yīng)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

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，人們生活水平的提高，化學(xué)建材塑料加工品及有機(jī)高分子聚合材料越來越廣泛地應(yīng)用于建筑、交通、電氣、通訊、裝潢等領(lǐng)域，由于這些材料固有的易燃性，由此帶來的火災(zāi)隱患已經(jīng)成為全球關(guān)注的安全問題，為了減少高分子材料的可燃性和火焰?zhèn)鞑ニ俣?，阻燃劑得以迅速發(fā)展。阻燃劑是能使聚合物及相關(guān)材料不易燃燒和能減慢燃燒速度的一種助劑。阻燃化已成為高分子材料改性的重要內(nèi)容之一。世界各國相繼制定了有關(guān)材料阻燃的法規(guī)，對高分子材料的阻燃性提出了越來越高的要求，甚至在一些領(lǐng)域成為高分子材料所必須具備的性能。

阻燃劑分為有機(jī)和無機(jī)兩類。無機(jī)類阻燃劑熱穩(wěn)定性好、不產(chǎn)生腐蝕性氣體、難揮發(fā)、效果持久、毒性小、價格低廉，主要品種有氫氧化鋁、氫氧化鎂、紅磷、氧化銻、氧化錫、硼酸鋅、氫氧化鋯等。其中氫氧化鋁具有阻燃、消煙、填充三大功能，其惰性強(qiáng)、無毒、不會產(chǎn)生二次污染，在國內(nèi)外被譽(yù)為無公害阻燃劑。氫氧化鋁不僅白度值高，而且有優(yōu)良的色度指標(biāo)，對著色的遮蓋性小，從而使制品美觀，色調(diào)高雅;在樹脂中分散性好，加入較多時，不易發(fā)生彎曲發(fā)白現(xiàn)象;能與多種物質(zhì)產(chǎn)生阻燃的協(xié)同效應(yīng)，阻燃效果顯著;來源豐富，價格低廉，在國內(nèi)外市場上其消耗量占無機(jī)阻燃劑的80%以上，占阻燃劑總量的50%以上。因此氫氧化鋁是一種應(yīng)用前景廣闊的阻燃劑。

1 氫氧化鋁的性質(zhì)及阻燃特性

1.1 氫氧化鋁的性質(zhì)

氫氧化鋁為兩性氫氧化物，用硫酸鋁或氯化鋁溶液與NaOH、Na2CO3或氨作用而得。氫氧化鋁為白色粉末，無味、無毒，密度2.42 kg/m3，粒徑范圍0.4 ～ 20 μm，加熱到一定溫度開始失水，變成Al2O3，不溶于水或醇，溶于熱硫酸、鹽酸及堿中。在橡膠工業(yè)中，氫氧化鋁多用作阻燃劑，但也可作為補(bǔ)強(qiáng)填充劑使用[1]。

1.2 氫氧化鋁的阻燃特性

氫氧化鋁又稱三水合氧化鋁，兼具填充、阻燃、抑煙等多重功能，是用量最大的安全環(huán)保無機(jī)阻燃劑，氫氧化鋁在240～350℃范圍內(nèi)完成了脫水反應(yīng)，釋放出3個分子結(jié)晶水，吸收了大量的熱能，降低溫度產(chǎn)生的大量水蒸氣又能稀釋可燃?xì)怏w，分解生成的Al2O3與其它碳化物一起形成一道阻燃屏障，阻止火焰蔓延。但當(dāng)氫氧化鋁微粒尺寸變小時，表面能升高，位于表面的原子占相當(dāng)大的比例。由于表面原子數(shù)增多，原子配位不足及高的表面能，使這些表面原子具有高的活性，極不穩(wěn)定，使上述過程極易進(jìn)行，從而提高了阻燃性能。

2 氫氧化鋁阻燃劑的生產(chǎn)方法

2.1 水熱合成法

活性鋁粉與水接觸，達(dá)到反應(yīng)條件時劇烈反應(yīng)，最終產(chǎn)物為極細(xì)的灰白色粉末，反應(yīng)產(chǎn)物均為Al(OH)3，用此方法可制備出平均粒徑為80 nm以下的粉末[2]。

2.2 尿素水解中和法

將鋁灰等和硫酸作用制成硫酸鋁溶液，凈化除雜后加入適量尿素，在不斷攪拌下加熱進(jìn)行水解，制成氫氧化鋁。將所得的沉淀經(jīng)表面處理后則得到氫氧化鋁阻燃劑成品。

2.3 種分法

在鋁酸鈉溶液中加入一定粒度的氫氧化鋁細(xì)種子，在一定的分解溫度下，種分一段時間后，然后進(jìn)行過濾、洗滌、烘干，產(chǎn)品進(jìn)行分級。

2.4 碳分法

在過飽和鋁酸鈉溶液中通入混合二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行分解，在一定的分解工藝制度下可以制得氫氧化鋁晶體。

2.5 機(jī)械粉碎法

機(jī)械粉碎法是將普通冶金級氫氧化鋁經(jīng)洗滌、烘干后采用氣流磨或球磨將其加工成微粉氫氧化鋁。機(jī)械法生產(chǎn)的微粉氫氧化鋁粒度較粗且粒度分布范圍較寬，顆粒形貌不規(guī)則，最大顆粒粒度可達(dá)幾十微米，產(chǎn)品使用性能差，抗折強(qiáng)度、延伸率較低，與化學(xué)法氫氧化鋁相比，其氧指數(shù)小，阻燃效果差。

2.6 鋁酸納法

燒堿同鋁灰按2∶1(物質(zhì)的量比)比例在加熱條件下反應(yīng)，制成鋁酸鈉溶液;再用硫酸同鋁灰按1.25∶1比例于105～120℃下反應(yīng)制取硫酸鋁溶液。將兩者混合中和至pH值為6.5左右，生成氫氧化鋁沉淀，經(jīng)水洗抽濾，于75～85℃干燥10～12 h，粉碎后進(jìn)行表面處理，即可制成氫氧化鋁阻燃劑。上述過程可用如下反應(yīng)式來表示:

目前，工業(yè)用氫氧化鋁阻燃劑主要采用鋁酸鹽分解法制備，但產(chǎn)品的顆粒大，粒徑不均勻，會影響阻燃效果發(fā)揮。顆粒超細(xì)化、纖維化可以改善氫氧化廠鋁的阻燃性能，但各種方法都有各自的優(yōu)缺點，將兩種或兩種以上的方法結(jié)合起來使用，充分發(fā)揮各種方法的優(yōu)點從而獲得優(yōu)質(zhì)的氫氧化鋁阻燃劑是一個重要的研究方向。

3 氫氧化鋁阻燃劑的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

3.1 氫氧化鋁阻燃劑的應(yīng)用

氫氧化鋁阻燃劑是合成材料的無鹵阻燃劑之一。它具有阻燃、消煙、填充三大功能，燃燒時無二次污染，不但在聚合物中分散性好，而且又易與其它添加物產(chǎn)生阻燃協(xié)同效應(yīng)，可廣泛用于電工、電線、電纜、日用品、建筑材料、運(yùn)輸?shù)人芰虾拖鹉z制品中。

3.1.1 電纜料行業(yè)

當(dāng)前我國國內(nèi)電纜工業(yè)(電力電纜、裝備線、通訊電纜)消耗塑料總量約22萬t/a，年增長率5%以上，而交聯(lián)料和低煙無鹵阻燃材料會有較大的增長，達(dá)到15%以上。

3.1.2 橡膠行業(yè)

橡膠彈性體無機(jī)氫氧化物可以在一系列橡膠中作阻燃添加劑，根據(jù)制品的厚度、阻燃要求以及氫氧化物特性不同，天然橡膠一般使用40% ～70%阻燃劑，氫氧化鋁因其成本低成為市場上銷售最大的無機(jī)氫氧化物阻燃劑。

3.1.3 塑料行業(yè)

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。氫氧化鋁取代碳酸鈣可以非常容易地?fù)胶偷皆鏊艿木勐纫蚁┲?。為了達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)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。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(shù)，可使高填充量的聚烯烴通過復(fù)合反應(yīng)較易進(jìn)行模鑄加工，改善了產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度和抗沖擊性能，使其廣泛應(yīng)用在電氣導(dǎo)管和設(shè)備外套方面。另外，氫氧化鋁阻燃填料還用于復(fù)合絕緣子、覆銅板等行業(yè)。

3.2 氫氧化鋁阻燃劑的發(fā)展趨勢

3.2.1 氫氧化鋁顆粒的微粉化

氫氧化鋁粒徑大小直接影響其阻燃性和填充性。增加氫氧化鋁粒子的表面積，使粒子表面水蒸氣壓力上升，有利于阻燃性的提高。現(xiàn)代填充技術(shù)發(fā)現(xiàn)，超細(xì)無機(jī)剛性粒子可對高分子材料起到增韌增強(qiáng)效果。因此超細(xì)氫氧化鋁粒子不僅使體系阻燃性能提高，也可解決其影響力學(xué)性能這一難題。美國Alcoa公司開發(fā)出了新型的改性超細(xì)氫氧化鋁阻燃劑，其粒徑小至0.2～5μm，這種產(chǎn)品與普通型號氫氧化鋁的阻燃效果相同，添加量卻可大大減少，不會影響塑料產(chǎn)品的其它性能。

3.2.2 高效的表面處理劑

開發(fā)高效的表面處理劑，氫氧化鋁單獨使用時，添加量必須60份以上(以100份純基體樹脂為基準(zhǔn))[3]，但高填充量會影響塑料的加工性能和力學(xué)性能。若能開發(fā)高效廉價的偶聯(lián)劑，在氫氧化鋁添加量很高時，也不影響其加工及力學(xué)性能，那將大大促進(jìn)氫氧化鋁的應(yīng)用。因此，開發(fā)高效的偶聯(lián)劑，改善與高聚物的相容性是當(dāng)前研究的方向之一。

3.2.3 氫氧化鋁與其它阻燃劑的協(xié)同作用

少量阻燃增效劑可使氫氧化鋁填充填料的性能有明顯提高，如提高阻燃性、抑制滴落、改善力學(xué)性能。與其協(xié)同作用的無機(jī)阻燃劑范圍很廣泛，主要有 Ni、Zn、Mn、Zr、Sb、Fe、Ti等金屬氧化物和堿土金屬氫氧化物等。

3.2.4 高純化

高純化是指除去氫氧化鋁中的雜質(zhì)，使其中的雜質(zhì)含量低于0.2%。日本輕金屬推出的高純氫氧化鋁品級，其氫氧化鋁含量大于99.9%。美國Alcoa公司開發(fā)出了新品種氫氧化鋁阻燃劑，其氧化鈉含量只有常規(guī)產(chǎn)品的1/10，這種產(chǎn)品作為阻燃絕緣材料很有發(fā)展前途。

4 結(jié)束語

阻燃材料的開發(fā)越來越受到人們的重視，適應(yīng)于各種特性的新型阻燃劑不斷涌現(xiàn)，但就發(fā)展而言，無機(jī)氫氧化鋁阻燃劑目前仍處于主導(dǎo)地位，未來將重點開發(fā)超細(xì)、復(fù)合、高性能的氫氧化鋁阻燃劑，從而提高阻燃效率，不斷滿足工業(yè)阻燃方面的需要。

[1]毛華英.阻燃劑在耐燃運(yùn)輸帶中的應(yīng)用[J].橡膠工業(yè)，1984(5):6.

[2]劉會媛.無機(jī)阻燃劑的制備及改性應(yīng)用[J].河北化工，2004(1):19－21.

[3]馬曉寧，劉 騫，李衛(wèi)濤.超細(xì)氫氧化鋁阻燃劑現(xiàn)狀與前景[J].中國金屬通報，2009(增刊):62.

Production Method and App1ication Performance Research of A1(OH)3F1ame Retardant

SU Ai－Ling
(Shandong Branch Research Institute of Chinalco，Zibo 255061，China)

TQ133.1

A

1003－3467(2012)05－0017－03

2012－02－10

蘇愛玲(1973－)，女，工程師，從事化學(xué)品氧化鋁工藝的研究，電話:15054592086。