浅谈高分子材料的阻燃技术

　　摘要：高分子材料的阻燃技术研究口益重要。文章介绍了高分子材料的燃烧、阻燃机理和阻燃剂的分类, 并对国内外高分子材料限燃技术的进展进行了论述。

　　关键词：高分子材料,阻燃剂,阻燃机理

　　1 引言

　　高分子材料因其性能优异、价格低廉而被广泛地应用于国民经济和人民生活的各个领域。但是大多数高分子材料属于易燃、可燃材料，在燃烧时热释放速率大、热值高、火焰传播速度快，不易熄灭，还产生浓烟和有毒气体，造成对人们生命安全的巨大威胁和对环境的危害。因此，如何提高高分子材料的阻燃性，已经成为当前消防工作一个急需解决的问题。

　　2 高分子材料的燃烧及阻燃机理

　　2.1 燃烧机理

　　高分子材料在空气中受热时，会分解生成挥发性可燃物，当可燃物浓度和体系温度足够高时，即可燃烧。所以高分子材料的燃烧可分为热氧降解和燃烧两个过程，涉及传热、高分子材料在凝聚相的热氧降解、分解产物在固相及气相中的扩散、与空气混合形成氧化反应场及气相中的链式燃烧反应等一系列环节。

　　2.2 阻燃机理

　　从高分子材料的燃烧机理可以看出，阻燃作用的本质是通过减缓或阻止其中一个或几个要素来实现的。其中包括6个方面：提高材料热稳定性、捕捉游离基、形成非可燃性保护膜、吸收热量、形成重质气体隔离层、稀释氧气和可燃性气体。目前常采用的阻燃剂行为主要是通过冷却、稀释、形成隔离膜的物理途径和终止自由基的化学途径来实现。一般阻燃机理分为气相阻燃机理、凝聚相阻燃机理和中断热交换阻燃机理。

　　(1) 气相阻燃机理，指在气相中使燃烧中断或延缓链式燃烧反应的阻燃作用。

　　(2) 凝聚相阻燃机理, 阻燃材料在固相中延缓或阻止可产生可燃性气体和自由基的热分解, 在其表面生成难燃、隔热、隔氧的多孔碳层，阻止可燃气进入燃烧气相，致使燃烧中断。

　　(3) 中断热交换阻燃机理。指将阻燃材料燃烧产生的部分热量带走，致使材料不能维持热分解温度，因而不能持续产生可燃气体，于是燃烧自熄。

　　3 高分子材料阻燃剂的分类

　　阻燃剂是用于提高材料抗燃性，即阻止材料被引燃及抑制火焰传播。按阻燃剂与被阻燃基材的关系，阻燃剂可分为添加型及反应型两大类。按阻燃元素种类，阻燃剂常分为卤系、有机磷系及卤-磷系、氮系、磷-氮系、锑系、铝-镁系、无机磷系、硼系、钼系等。目前在工业上用量最大的阻燃剂是卤化物、磷酸酯类、氧化锑、氢氧化铝及硼酸锌等。

　　近年来，出现了一类新的所谓膨胀型阻燃剂，它们多是磷-氮化合物或复合物。

　　3.1 卤系阻燃剂

　　卤系阻燃剂是目前世界上产量最大的有机阻燃剂之一，添加量少、阻燃效果显着。卤系阻燃剂阻燃机理比较清楚，但其阻燃的同时，也带来了一些严重的问题，放出大量的有毒气体 (如HCI, HBr等) ，卤化氢气体易吸收空气中的水分形成氢卤酸，具有很强的腐蚀作用，并产生大量的烟雾。因此，开发新的无卤、具多方效能的新一代高效阻燃剂便成为一大课题。

　　3.2 磷系阻燃剂

　　有机磷系阻燃剂包括磷酸酯、亚磷酸酯、有机盐类、氧化膦、含磷多元醇及磷氮化合物等，但应用最广的是含卤磷酸酯。有机磷系阻燃剂主要在火灾初期的高分子材料分解阶段起作用。

　　3.3 无机阻燃剂

　　无机阻燃剂的阻燃作用主要是通过比容大的填料的蓄热和导热使材料达不到分解温度，或通过阻燃剂受热分解吸热使材料温升减缓或终止来实现。其阻燃机理是在受热时释放出结晶水，蒸发、分解并放出水蒸汽，此反应吸收大量燃烧热，降低了材料的表面温度，使高分子材料的热分解和燃烧率大大降低；分解时产生的大量水蒸汽稀释了可燃性气体的浓度也起到阻燃作用，并有一定冷却作用；热解生成的氧化镁、氧化铝等产物与燃烧时塑料表面的炭化产物结合生成保护膜，即可切断热能和氧的入侵又可阻止小分子的可燃性气体逸出，亦达到阻燃效果。

　　3.4 含硅阻燃剂

　　有机硅阻燃剂是一种新型的无卤阻燃剂，也是一种成炭抑烟剂，包括硅烷共聚物和硅树脂。研究发现在高分子材料中加入有机硅阻燃剂，能促进炭层的形成，降低聚合物的燃烧性。

　　3.5 氧化锑阻燃剂

　　氧化锑化合物品种有三氧化二锑 (Sb2O3) 、五氧化二锑、锑酸钠等。可单独使用亦可复合使用，与卤系阻燃剂等具有协同效应和抑烟效果。粒子愈细愈可使阻燃性能得到改进。

　　3.6 本质阻燃高分子材料

　　本质阻燃高分子材料指那些由于具有特殊的化学结构而使自身具有阻燃性的高分子材料，它们不需要改性就具有耐高温、抗氧化、不易燃等特点。但在现阶段，此类化合物或者价格高昂，或者制造及加工工艺复杂，其应用相当有限，但它们代表了阻燃高分子材料的一个发展方向。

　　4 高分子材料阻燃技术的进展

　　4.1 微胶囊技术

　　微胶囊化一般是指将物质包裹于数微米至数百微米的微小容器中，从而起到保护和控制释放等作用。目前，将无机或有机的阻燃剂进行微胶囊化的研究正处于阻燃剂新技术的热点，并已从研制阶段进入实用阶段。囊材主要有两类，一类是天然高分子材料，如动物胶、各种蛋白质、淀粉、纤维素等。另一类是人工合成的高分子，如聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚酰胺、聚酯、环氧树脂等。

　　4.2 纳米技术

　　近年来，国外多名学者开展对纳米复合材料热稳定性的研究以后，其阻燃性能的研究也才真正开始。研究发现，聚合物纳米复合材料具有良好的热性能，可用于阻燃技术。纳米技术在阻燃中的应用主要是纳米粒子填充技术。

　　4.3 接枝和交联改性技术

　　接枝和交联是使高分子材料功能化的一种有效方法，近年来这一技术也已用于使高分子材料阻燃化。使高分子材料本身交联，或者高分子材料的热裂解产物在凝聚相中交联，也可减少可燃产物的生成量而改善材料的阻燃性，多以辐射交联为主。

　　4.4 膨胀技术

　　在众多的阻燃体系中，最近发展的膨胀阻燃体系由于在燃烧过程中发烟量少、无滴落和无毒气等优点而引起人们的注意。膨胀型阻燃剂最早用于涂料业，配制用于船舶、建筑装饰材料、电缆外皮等的耐火涂层。近年来，国外己有一些比较成熟的膨胀阻燃体系用于塑料、橡胶等材料及制品。

　　参考文献
　　[1] Carlson A W.Flame retardant polypropylene compositions US, 40061 14[P].
　　[2]李风岭, 张棒云.聚烯烃的阻燃技术[J].化工新型材料, 1999 (5) .
　　[3]卢永定, 杨友牛, 陆国勤.低烟低毒无卤-无机填料型阻燃剂[J].阻燃材料与技术, 1998 (6) .
　　[4]欧育湘, 李听.本质阻燃高聚物[J].高分子材料科学与工程, 2000 (16) .