Im Bereich der Polymerverbundwerkstoffe ist die Anwendung vonAluminiumhydroxid (ATH)als wirksamer halogenfreier flammhemmender Füllstoff ist von entscheidender Bedeutung. Die schlechte Kompatibilität und die Tendenz zur Aggregation zwischen ATH und Harzmatrix schränkten jedoch lange Zeit ihre volle Leistungsfähigkeit ein. Herkömmliches Trockenmischen führt häufig zu einer ungleichmäßigen Verteilung und zur Bildung von Spannungsschwachstellen. Die Einführung der Nassmahltechnologie bietet eine wissenschaftliche und effiziente Lösung für dieses Problem.
Beim Nassmahlen handelt es sich nicht um einen einfachen Prozess zur Reduzierung der Partikelgröße, sondern um eine gemeinschaftliche Technik, die in einem flüssigen Medium gleichzeitig Partikelverfeinerung, Oberflächenmodifikation und Grenzflächenaktivierung erreicht.
Beim Nassmahlen werden hochfrequente Schlag-, Scher- und Reibungskräfte durch Mahlperlen (z. B. Zirkonoxid) in einer Flüssigphasenumgebung, in der Mahlhilfsmittel (z. B. Dispergiermittel) vorhanden sind, auf die Aufschlämmung ausgeübt. Diese Kraft kann die harten ATH-Aggregate effektiv depolymerisieren und dazu führen, dass die ursprünglichen Kristallpartikel zerbrechen.
·Reduzierung der Partikelgröße: Stabilisieren und kontrollieren Sie die D50-Partikelgröße im Submikrometer- oder sogar Nanometerbereich. Gemäß der klassischen De-Gennes-Infiltrationstheorie verringern kleinere Partikelgrößen den Kapillardruck (Δ P ∝ γ/r, wobei γ die Oberflächenspannung und r der Porenradius ist), der erforderlich ist, um Mikroporen und Defekte auf der Oberfläche von mit Harzschmelze gefüllten Partikeln zu überwinden, und fördern so die Mikroinfiltration.
Die Flüssigphasenumgebung des Nassmahlens bietet einen idealen Reaktionsort für die „Online“-Oberflächenmodifikation. Während oder nach dem Mahlvorgang können gleichzeitig Oberflächenmodifikatoren (wie Silan-Haftvermittler, Titanat-Haftvermittler, Fettsäuren usw.) zugegeben werden.
·In-situ-Pfropfreaktion: Am Beispiel von Silan-Haftvermittlern (wie KH-550, KH-560) werden deren Alkoxygruppen unter der Katalyse von Wasser zu Silanol hydrolysiert und gehen dann eine Kondensationsreaktion mit Hydroxylgruppen auf der ATH-Oberfläche ein, um starke kovalente Si-O-Al-Bindungen zu bilden. Seine organischen langen Ketten (wie Amino- und Epoxidgruppen) erstrecken sich in Richtung der Harzmatrix und können an der Härtungsreaktion des Harzes teilnehmen oder physikalische Verflechtungen bilden.
·Grundlegende Verbesserung der Grenzflächenenergie: Die modifizierte ATH-Oberfläche ändert sich von hydrophil zu oleophil (hydrophob), und ihre freie Oberflächenenergie (γ _ s) liegt näher an der freien Oberflächenenergie (γ _ l) des Harzes. Gemäß der Benetzungsgleichung von Young (γ – sv=γ – sl+γ – lv cos θ) deuten eine Verringerung des Kontaktwinkels θ und eine Erhöhung des cos θ auf eine grundlegende Verbesserung der Benetzungsfähigkeit (Ausbreitung) des Harzes gegenüber Partikeln hin. Die deutliche Abnahme der Grenzflächenspannung (γ _stl) ist die direkte thermodynamische Triebkraft für die Verbesserung der Benetzbarkeit.
Dispergiermittel (wie Polyelektrolyte und Polymertenside) in Nassschleifschlämmen sorgen für eine langfristige DispersionsstabilitätATHPartikel in der flüssigen Phase durch einen dualen Mechanismus aus elektrostatischer Abstoßung und sterischer Hinderung. Dieser stabile Zustand bildet die Grundlage für die Vordispergierung beim anschließenden Mischen mit Harzen.
·Elektrostatische Stabilität (DLVO-Theorie): Ionische Dispergiermittel adsorbieren auf der Oberfläche von Partikeln und bilden eine Doppelschicht. Wenn sich Partikel nähern, zerstreuen sie sich aufgrund der elektrostatischen Abstoßung.
·Stabilität der sterischen Hinderung: Die langen Ketten der Polymerdispergiermittel bilden eine Adsorptionsschicht auf der Oberfläche der Partikel. Bei der Annäherung der Partikel kommt es durch die überlappenden Adsorptionsschichten zu einer Abnahme der Konformationsentropie der Polymerketten und einem Anstieg des osmotischen Drucks, was zu einer starken Abstoßungskraft führt.
Diese vordispergierte stabile Struktur kann während des Misch-, Trocknungs- oder Aushärtungsprozesses von ATH-Aufschlämmung und Harz maximal beibehalten werden, wodurch eine „perfekte Übertragung“ in die Harzmatrix erreicht wird.
Durch die Nassmahltechnologie verarbeitetes ATH erreicht eine tiefe Integration von Makro bis Mikro und von der Physik bis zur Chemie im Harz, was sich letztendlich in der umfassenden Verbesserung der Eigenschaften des Verbundmaterials widerspiegelt:
·Ausgezeichnete Dispersionsgleichmäßigkeit: Unter dem Rasterelektronenmikroskop (REM) können ATH-Partikel beobachtet werden, die gleichmäßig in der kontinuierlichen Harzphase im Nanometer-/Submikronbereich verteilt sind, ohne sichtbare Aggregate.
·Stärkere Grenzflächenbindung: Die modifizierte Grenzfläche bildet eine wirksame „flexible Schicht“ oder chemische Bindung, die eine effektive Spannungsübertragung ermöglicht und die mechanische Festigkeit (Zugfestigkeit, Schlagfestigkeit) und Haltbarkeit des Materials deutlich verbessert.
·Stabile Flammschutzwirkung und physikalische Eigenschaften: Eine gleichmäßige Verteilung gewährleistet die synergistische, effiziente und stabile Barrierewirkung der Flammschutzkomponenten im Brandfall und vermeidet gleichzeitig eine lokale Leistungsverschlechterung durch Füllstoffagglomeration.
·Verbesserte Verarbeitungsrheologie: Gute Partikelbenetzung, weniger Agglomeration, kann die Viskosität der Verbundmaterialschmelze deutlich reduzieren, die Füllmenge und die Verarbeitungsfließfähigkeit erhöhen.
Die Nassmahltechnik überwindet systematisch das Problem der Infiltration und Ausbreitung vonAluminiumhydroxidin der Harzmatrix durch den dreifachen synergistischen Effekt von physikalischer Zerkleinerung, chemischer Modifikation und Dispersionsstabilisierung. Es reduziert thermodynamisch die Grenzflächenenergie und sorgt kinetisch für eine verteilte Antriebskraft und einen Stabilitätsmechanismus, wodurch eine innige Bindung zwischen dem Füllstoff und der Matrix im Nanomaßstab erreicht wird. Dabei handelt es sich nicht nur um eine technologische Innovation, sondern auch um eine tiefgreifende Anwendung der Theorie der Kolloid- und Grenzflächenwissenschaft, die einen wichtigen technologischen Weg für die Entwicklung der nächsten Generation leistungsstarker, hochfüllender und funktionalisierter Polymerverbundmaterialien darstellt.
