Nel campo dei materiali compositi polimerici, l'applicazione diidrossido di alluminio (ATH)in quanto efficiente riempitivo ritardante di fiamma privo di alogeni è fondamentale. Tuttavia, la scarsa compatibilità e la tendenza ad aggregarsi tra l'ATH e la matrice resinosa ne hanno limitato a lungo le piene prestazioni. La tradizionale miscelazione a secco porta spesso a dispersioni non uniformi e alla formazione di punti deboli da stress. L’introduzione della tecnologia di macinazione a umido fornisce una soluzione scientifica ed efficiente a questo problema.
La macinazione a umido non è un semplice processo di riduzione delle dimensioni delle particelle, ma un'ingegneria collaborativa che consente di ottenere simultaneamente la raffinazione delle particelle, la modificazione della superficie e l'attivazione dell'interfaccia in un mezzo liquido.
La macinazione a umido applica forze di impatto, taglio e attrito ad alta frequenza al liquame attraverso sfere di macinazione (come la zirconia) in un ambiente in fase liquida in cui sono presenti coadiuvanti di macinazione (come i disperdenti). Questa forza può depolimerizzare efficacemente gli aggregati duri di ATH e causare la rottura delle particelle cristalline originali.
·Riduzione della dimensione delle particelle: stabilizza e controlla la dimensione delle particelle D50 a livello inferiore al micron o addirittura nanometrico. Secondo la classica teoria dell’infiltrazione di de Gennes, le dimensioni più piccole delle particelle riducono la pressione capillare (Δ P ∝ γ/r, dove γ è la tensione superficiale e r è il raggio dei pori) necessaria per superare i micropori e i difetti sulla superficie delle particelle riempite con resina fusa, promuovendo così la microinfiltrazione.
L'ambiente in fase liquida della macinazione a umido fornisce un sito di reazione ideale per la modifica della superficie "online". Durante o dopo il processo di macinazione, è possibile aggiungere contemporaneamente modificatori superficiali (come agenti di accoppiamento silano, agenti di accoppiamento titanato, acidi grassi, ecc.).
·Reazione di innesto in situ: prendendo come esempio gli agenti di accoppiamento silanico (come KH-550, KH-560), i loro gruppi alcossilici vengono idrolizzati in silanolo sotto la catalisi dell'acqua e quindi subiscono una reazione di condensazione con gruppi idrossilici sulla superficie ATH per formare forti legami covalenti Si-O-Al. Le sue lunghe catene organiche (come i gruppi amminici ed epossidici) si estendono verso la matrice della resina e possono partecipare alla reazione di indurimento della resina o formare un entanglement fisico.
·Miglioramento fondamentale dell'energia interfacciale: la superficie modificata dell'ATH cambia da idrofila a oleofila (idrofobica) e la sua energia libera superficiale (γ _ s) è più vicina all'energia libera superficiale (γ _ l) della resina. Secondo l'equazione di bagnatura di Young (γ - sv=γ - sl+γ - lv cos θ), una diminuzione dell'angolo di contatto θ e un aumento del cos θ indicano un miglioramento fondamentale della capacità bagnante (diffusione) della resina verso le particelle. La significativa diminuzione della tensione interfacciale (γ _stl) è la forza trainante termodinamica diretta per il miglioramento della bagnabilità.
I disperdenti (come polielettroliti e tensioattivi polimerici) nei fanghi di macinazione a umido mantengono la stabilità della dispersione a lungo termineATparticelle in fase liquida attraverso un duplice meccanismo di repulsione elettrostatica e impedimento sterico. Questo stato stabile pone le basi per la pre-dispersione nella successiva miscelazione con resine.
·Stabilità elettrostatica (teoria DLVO): i disperdenti ionici si adsorbono sulla superficie delle particelle, formando un doppio strato. Quando le particelle si avvicinano, si disperdono a causa della repulsione elettrostatica.
·Stabilità dell'impedimento sterico: Le lunghe catene di polimeri disperdenti formano uno strato di adsorbimento sulla superficie delle particelle. Quando le particelle si avvicinano, gli strati di adsorbimento sovrapposti provocano una diminuzione dell’entropia conformazionale delle catene polimeriche e un aumento della pressione osmotica, determinando una forte forza repulsiva.
Questa struttura stabile predispersa può essere mantenuta al massimo durante il processo di miscelazione, essiccazione o indurimento dell'impasto liquido e della resina ATH, ottenendo un "trasferimento perfetto" nella matrice resinosa.
L'ATH elaborato tramite la tecnologia di macinazione a umido raggiunge una profonda integrazione dal macro al micro e dalla fisica alla chimica nella resina, che in definitiva si riflette nel miglioramento completo delle proprietà del materiale composito:
·Eccellente uniformità di dispersione: al microscopio elettronico a scansione (SEM), le particelle di ATH possono essere osservate distribuite uniformemente nella fase continua della resina su scala nanometrica/submicronica, senza aggregati visibili.
·Legame d'interfaccia più forte: l'interfaccia modificata forma un efficace "strato flessibile" o legame chimico, consentendo la trasmissione efficace dello stress e migliorando significativamente la resistenza meccanica (trazione, resistenza agli urti) e la durata del materiale.
·Efficienza ritardante di fiamma e proprietà fisiche stabili: la dispersione uniforme garantisce l'effetto barriera sinergico, efficiente e stabile dei componenti ritardanti di fiamma in un incendio, evitando al contempo il degrado locale delle prestazioni causato dall'agglomerazione del riempitivo.
·Reologia di lavorazione migliorata: una buona bagnatura delle particelle, una minore agglomerazione, possono ridurre significativamente la viscosità del materiale composito fuso, aumentare la quantità di riempimento e la fluidità della lavorazione.
La tecnologia della macinazione ad umido supera sistematicamente il problema dell'infiltrazione e della dispersione del materialeidrossido di alluminionella matrice resinosa attraverso il triplo effetto sinergico di frantumazione fisica, modificazione chimica e stabilizzazione della dispersione. Riduce l’energia interfacciale termodinamicamente e fornisce una forza motrice dispersa e un meccanismo di stabilità cineticamente, ottenendo così un legame intimo tra il riempitivo e la matrice su scala nanometrica. Questa non è solo un’innovazione tecnologica, ma anche un’applicazione approfondita della teoria della scienza dei colloidi e delle interfacce, fornendo un percorso tecnologico chiave per lo sviluppo della prossima generazione di materiali compositi polimerici funzionalizzati, ad alte prestazioni e ad alto riempimento.
