Hydroxid hlinitý (ATH)je najpoužívanejšie plnivo spomaľujúce horenie v polymérnych materiáloch šetrné k životnému prostrediu a jeho spracovateľský výkon priamo ovplyvňuje účinnosť prípravy a konečný výkon kompozitných materiálov. Tento článok systematicky analyzuje rozdiely medzi obyčajným ATH a ATH s nízkou viskozitou v povrchových vlastnostiach, reologickom správaní, mechanizme disperzie a adaptabilite spracovania z pohľadu materiálovej vedy, čím poskytuje teoretický základ pre výber v priemyselných aplikáciách.
Obyčajný ATH sa zvyčajne vyrába pomocou Bayerovho procesu so širokou distribúciou veľkosti častíc (1-25 μm), vysokou povrchovou energiou (asi 70-100 mJ/m²) a zrejmou polaritou. Jeho kryštálová štruktúra sa skladá hlavne z α-Al(OH)3 a povrchová hustota hydroxylových skupín môže dosiahnuť 4-8 OH/nm². Tieto aktívne miesta sú náchylné na vytváranie sietí vodíkových väzieb, čo vedie k zvýšeným medzimolekulovým interakciám.
ATH s nízkou viskozitou sa pripravuje úpravou povrchu alebo špeciálnymi kryštalizačnými procesmi a povrchová energia sa môže znížiť na 30-50 mJ/m². Medzi kľúčové technológie patria:
· Povrchová vrstva organického silanu/mastnej kyseliny (miera pokrytia môže dosiahnuť viac ako 85%)
· Kontrola rastu kryštálov na vytvorenie pravidelnejšieho tvaru
· Čiastočná esterifikácia povrchových hydroxylových skupín (miera modifikácie zvyčajne > 60 %)
Pri vysokých šmykových rýchlostiach (1000 s ⁻¹) môže byť viskozita taveniny plniaceho systému ATH s nízkou viskozitou (60 % množstvo náplne) znížená o 40-60 % v porovnaní s bežným ATH. Tento rozdiel pramení z:
· Koeficient trenia medzi časticami sa znižuje (z 0,35 na 0,15-0,20)
· Kombinácia rozdielov v obsahu vody (nízka viskozita ATH zvyčajne <0,2%)
Bežný suspenzný systém ATH vykazuje značnú medzu klzu (zvyčajne > 50 Pa), zatiaľ čo modifikovaný ATH s nízkou viskozitou môže znížiť medzu klzu pod 10 Pa, čo výrazne zlepšuje výkonnosť iniciácie toku v počiatočnom štádiu spracovania.
Rozptyl obyčajnýchATHv polymérnej tavenine sa riadi aglomeračným fragmentačným disociačným modelom, ktorý vyžaduje vysoké šmykové napätie (>105Pa) na dosiahnutie účinnej disperzie. Experimenty ukázali, že energia potrebná na úplnú disperziu je 2-3 krát vyššia ako energia ATH s nízkou viskozitou.
Nízka viskozita ATH znižuje povrchovú energiu, skracuje čas infiltrácie o 60-70% a proces disperzie je viac v súlade s mechanizmom medzifázového sklzu. Pri rovnakých šmykových podmienkach sa čas potrebný na dosiahnutie rovnakej úrovne disperzie skráti o viac ako 40 %.
Počas procesu extrúzie s dvoma závitovkami vykazuje plniaci systém ATH s nízkou viskozitou:
· Tlak hlavy znížený o 25-35%
· Znížte krútiaci moment o 20-30%
·Maximálne množstvo náplne sa môže zvýšiť o 15-20 percentuálnych bodov
ATH s nízkou viskozitou má významné výhody v štádiu rýchleho plnenia:
· Zvýšte dĺžku toku o 30-50%
· Zvýšte pevnosť zvarovej línie o 20-25%
· Znížená anizotropia produktu (rozdiel v rýchlosti zmršťovania sa znížil z 1,2 % na 0,4 %)
V systémoch na báze rozpúšťadiel môže ATH s nízkou viskozitou pripraviť kaly s vyšším obsahom pevných látok (až 75-80 %) pri zachovaní vhodnej konštrukčnej viskozity.
Je potrebné poznamenať, že optimalizácia výkonu spracovania môže viesť k ďalším zmenám výkonu:
Spomaľovač horenia: ATH s nízkou viskozitou môže oddialiť nástup teploty rozkladu ATH v dôsledku prítomnosti povrchovej vrstvy (zvyčajne zvýšenej o 10-20 ℃), ale vplyv možno minimalizovať optimalizáciou rýchlosti nanášania (odporúča sa kontrolovať na 5-8 %).
Mechanické vlastnosti: Mierny pokles pevnosti medzifázového spojenia môže byť kompenzovaný kombináciou spojovacích činidiel. Štúdie ukázali, že použitie zmiešaných spojovacích činidiel (silán+titanát) môže obnoviť pevnosť v ťahu na viac ako 95 % pevnosti v bežných ATH systémoch.
Nízka viskozitaATHdosiahla významné zlepšenie spracovateľského výkonu prostredníctvom povrchového inžinierstva, najmä znížením viskozity a zlepšením účinnosti disperzie pri vysokých šmykových rýchlostiach. Výber ATH by sa mal systematicky hodnotiť na základe špecifických podmienok spracovania, požiadaviek na plnenie a požiadaviek na konečný výkon. Pre aplikačné scenáre, ktoré sledujú efektívne spracovanie a vysoké plnenie, sú technické výhody ATH s nízkou viskozitou zrejmé; V konvenčných aplikáciách má bežné ATH stále výhody z hľadiska nákladov. Budúci výskum by sa mal zamerať na dizajn multifunkčného povrchu, aby sa dosiahla lepšia rovnováha medzi výkonom spracovania a konečným výkonom.
