1 阻燃矿物材料的技术发展趋势
在环境保护意识深入人心的今天,卤系阻燃材料因燃烧时释放出有毒的气体和烟雾,造成二次灾害,人们逐渐倾向于无机阻燃剂的开发和应用。然而,阻燃矿物材料在应用时添加量较大,造成制品的力学性能和加工性能下降。因此,在阻燃领域内,开发高效、低烟、无毒、无公害、性能良好的阻燃剂是人们长期的奋斗目标,超细化、活性化、复合化成为阻燃矿物材料的技术发展趋势。
阻燃矿物材料超细化的目的是增加阻燃添加剂与聚合物基体两者之间的接触面积,以增强添加剂与聚合物界面的相互作用和亲和性,改善无机物和聚合物基体的相容性;如果无机阻燃剂粉体的粒径达到纳米级,由于纳米微粒本身所具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应等特殊性能,上述的增强效应更加显著。这样就能够促使阻燃矿物材料更均匀地分散在聚合物基体中,在聚合物连续相中起到理想的阻燃作用,以增加阻燃高聚物的阻燃性能,或者在保持原有阻燃性能前提下,降低阻燃剂的使用量。如此,不但可以改善或者消除阻燃矿物材料原有的缺陷,而且可以充分利用阻燃矿物材料对环境无污染或者污染较少的优势。这是阻燃矿物材料超细化的一个发展趋势。
阻燃矿物材料超细化的另一个趋势就是朝着高长径比的超细化方向发展。比如,云母用作聚合物的阻燃剂时,在聚苯乙烯醚树脂、聚苯乙烯树脂、玻璃纤维和有机磷化合物组成的混合物中加入云母(云母的加入量为树脂总质量的1%~5%),该阻燃体系的阻燃级别可达到UL 94 V-0级。
另外,阻燃矿物材料的超细化还需要进一步进行表面改性处理,这也是阻燃矿物材料加工技术的发展趋势之一。随着颗粒粒径的进一步减小,当达到微米级和纳米级时,表面积急剧增加,粉体越细,其表面能越大,表面吸附能越大,结果在超细颗粒之间产生强烈的吸引力,造成超细颗粒具有强烈的团聚倾向,极易形成二次聚集体、三次聚集体。其结果不仅缩短超细粉体的存放时间,而且在添加到聚合物中时,往往没有分散开就相互吸引团聚形成巨大的粒子基团,其原有的表面效应、小尺寸效应、量子效应等随之丧失,失去超细粉体的功效。这是超细微粉体添加型聚合物最为薄弱的环节。而对其进行表面改性处理是为了改善阻燃剂与高聚物之间的相容性,减轻由于添加大量阻燃剂造成的高聚物机械性能的下降。降低超细颗粒的聚集倾向,增加超细颗粒的稳定性,延长其存放时间,简化添加过程来改善在基体中的分散性。而这对纳米矿物阻燃剂粉体来说,由于纳米矿物阻燃剂的粒径已经超细,经表面处理后就会具有更大的表面活性,当燃烧时其热分解速度也会更迅速,吸热能力更强。同时,当阻燃材料燃烧时,超细的纳米材料颗粒能覆盖在材料表面并生成一层均匀的焦炭层,此炭层起到绝热、隔氧、抑烟和防熔滴的作用,从而起到更加良好的阻燃效果。
另外,在不同超细粉体的生产过程中,有些是经粉碎、分级的单一过程完成的,有些要经过有水参与的过程。为避免生产过程中超细颗粒聚集现象的发生,需要采取必要的措施实现这一目的。一个理想的方法是选用在超细粉体的生产过程中,边生产超细颗粒边进行超细颗粒的表面处理的生产工艺。
目前,多功能阻燃剂的开发成为重点。阻燃剂的发展方向是将现有的较好的阻燃剂进行复配,以求较低的成本、良好的阻燃和抑烟效果,甚至具有某些特殊功能。其最基本的要求是不损害被阻燃物的原有性能,如对高聚物不降低其力学性能、电学性能等;对纤维制品不影响其耐用性、手感等。同时要求阻燃剂具有一些特定的功能,例如同时具有抗静电功能的阻燃剂,具有耐热、耐辐射功能的阻燃材料等。常见的多功能阻燃剂体系有:锑-卤体系、磷-卤体系和磷-氮体系等。也就是说,超细化技术的实施,还可以把Al(OH)3、Mg(OH)2、MgCO3等无机阻燃矿物材料作为有机阻燃剂的载体,包括含卤阻燃剂等超优化组合配比,并进一步包裹在微胶囊中,即可得到多功能阻燃材料。由此可知,如果阻燃矿物材料的超细化、微胶囊化和表面改性处理这三种技术在同一工艺过程或体系中完成,将成为未来多功能阻燃剂加工技术的主要发展趋势。
2 阻燃矿物材料的应用发展趋势
从国际上总的发展趋向看,对阻燃产品的性能要求越来越严格,越来越全面。
首先,要求阻燃剂本身无毒。
其次,要求有复合功能的阻燃产品,既要不损害阻燃物的原有性能,还要具有某些特定的使用功能,如抗静电功能、屏蔽功能、导电性及耐热、耐辐射等。
第三,要综合平衡阻燃体系各组分的物理的、化学的、阻燃作用的,实际使用状态下的多方而的性能。
第四,必须用精确的表征各项性能的分析测试方法有效地评价阻燃特性,以便获得最优化的配制方法。
因此,以矿物材料为基础的阻燃剂成为阻燃剂领域中备受关注和极具发展前景的系列品种。而在各矿物系列中,由于三水氧化铝有利的成本结构,它肯定会保持其显著的优势,还可以预见,随着价格更切合实际的产品进入市场,象水镁矿这样产品的用途,尤其是在热塑塑料方面,也会增大。
目前全球氢氧化铝占无机阻燃剂消费量的80%以上,我国有多家企业进行生产,广泛应用于各种塑料、涂料、聚氨酯弹性体和橡胶制品中。氢氧化镁比氢氧化铝性能更优越,可广泛用于聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、高抗冲击聚苯乙烯和ABS等塑料、橡胶行业。
总的来说,在使用以矿物材料为基础的阻燃剂方面,持续增长的前景看好。
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