氢氧化铝的阻燃特性研究与应用

　　近年来 ,高分子聚合物材料在建筑、运输及日常生活 用品等方面得到了广泛应用。但因其易燃、发烟量大 ,成了火灾的直接活化剂 ,对人、物造成严重危害 ,由此带来的火灾隐患已成为全球关注的问题 ,因此该类材料的阻燃性已成为重要课题之一。

　　阻燃剂可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 、不挥发、效果持久、没有毒性、价格低廉 ,主要品种有氢氧化铝(VK-LA50 , VK-LA100)、氢氧化镁(VK-MHT01)、红磷、氧化锑、氧化锡、硼酸锌、氢氧化锆(VK-RH30)等。其中氢氧化铝(VK-LA50 , VK-LA100)具有阻燃、消烟、填充 3 大功能 ,在化学上是惰性的、无毒、不会产生二次污染, 在国内外被誉为无公害阻燃剂。它不仅白度值高 ,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 ,阻燃效果好 ;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50 %以上。

　　氢氧化铝(VK-LA50 , VK-LA100)的性质：

　　(Aluminium hydroxide)，化学式Al(OH)3，是铝的氢氧化物。氢氧化铝既能与酸反应生成盐和水又能与强碱反应生成盐和水，因此也是一种两性氢氧化物。化学式Al(OH)3，是铝的氢氧化物。由于又显一定的酸性，所以又可称之为铝酸(H3AlO3)。但实际与碱反应时生成的是四羟基合铝酸盐([Al(OH)4]-)。因此通常在把它视作一水合偏铝酸(HAlO2·H2O)，按用途分为工业级和医药级两种。

　　氢氧化铝受热分解成 Al2O3 和水，反应如下 :

　　2α2Al2O3·3H2O →Al2O3 + 3H2O。在 240～500 ℃

　　范围内测得的数据表明 , 本反应的吸热量为 1967. 2kJ/ kg ,吸收这样大的热量是使其具有阻燃作用的最主要原因。氢氧化铝受热脱水和相变非常复杂 ,根据差热曲线上有 3 个吸热峰可推断 ,其结晶水的失去分 3 个阶段进行。第 1 个吸热峰在230 ℃左右 ,相当于α2三水合氧化铝转化为α2氧化铝单水合物 ,即α2 Al2O3·3H2O →α2 Al2O3·H2O+ 2H2O。第 2 个吸热峰在 300 ℃左右 ,相当于α2 三水合氧化铝分解为Χ2Al2O3 ,即α2Al2O3·3H2O →Χ2Al2O3 + 3H2O。第 3 个吸热峰在 530 ℃左右 ,相当于α2氧化铝单水合物分解转化为γ2Al2O3 ,即α2Al2O3·H2O →γ2Al2O3 + H2O。氢氧化铝开始脱水的温度、最大吸热峰因氢氧化铝颗粒大小及分布、加热条件及杂质含量的不同而有些差异 ,因此 ,选用氢氧化铝(VK-LA50 , VK-LA100)作阻燃剂时 ,要根据聚合物基体材料的热分解温度及成型加工温度的要求选择好氢氧化铝的质量指标。

　　氢氧化铝(VK-LA50 , VK-LA100)的阻燃机理

　　关于氢氧化铝(VK-LA50 , VK-LA100)的阻燃机理 ,因配合使用的高聚物的类别不一 ,对其自然过程的描述也不尽一 致。在 20 世纪 80 年代末至 90 年代初 ,国内外学者对此进行了较深入的探讨。例如 P. D. Moran对加了不同量 ATH 阻燃剂的环氧树脂 ,分别在N2O - N2 及 O2 - N2 混合气体中测定其一氧化二氮指数及氧指数 ,所得的两条曲线相似 ,表明氧化剂的改变对火焰反应并不敏感 ,阻燃作用是由于凝聚相生成的保护膜对燃烧具有抑制作用 ;测定 ATH 样品的热失重曲线 ( TGA) ,并在 PVC 体系中考察了其氧指数的变化 ,结果发现 ,ATH 的阻燃作用取决于其吸热脱水作用。通过试验还发现 ,掺有 ATH 的高聚物在 210 ℃时开始降解 ,温度升至 300～350 ℃时 ,ATH 便大量吸热脱水 ,使高聚物温升速度缓慢 ,降解减缓 ,这是 ATH 阻燃的主要原因。此外 ,它还会在聚合物表面形成Al2O3 保护膜 ,既阻挡了氧气的进入 ,又防止了可燃性气体的逸出 ,还避免了烟灰的形成 ,起到了较好的阻燃抑烟作用。

　　一般的观点认为 ATH 的阻燃作用是以上几种机理协同作用的结果。因此 ,ATH 的阻燃机理可以归纳如下 :

　　(1)吸热作用。在300～350 ℃脱水吸热 ,抑制聚合物的温升 ;

　　(2)稀释作用。ATH 填充 ,使可燃性高聚物的浓度下降。ATH 脱水放出的水汽稀释可燃性气体和氧气的浓度 ,可阻止燃烧 ;

　　(3)覆盖作用。ATH 脱水后在可燃物表面生成 Al2O3 保护膜 ,隔绝氧气 ,可阻止继续燃烧 ;

　　(4) 碳化作用。阻燃剂在燃烧条件下产生强烈脱水性物质 , 使塑料碳化而不易产生可燃性挥发物 ,从而阻止火焰蔓延。

　　氢氧化铝(VK-LA50 , VK-LA100)的应用

　　氢氧化铝(VK-LA50 , VK-LA100)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 3 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。