高分子材料-高分子材料阻燃技術應用及發(fā)展探析_研究報告

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高分子材料因其性能優(yōu)異、價格低廉而被廣泛地應用于國民經(jīng)濟和人民生活的各個領域，但是大多數(shù)高分子材料屬于易燃、可燃材料，在燃燒時熱釋放速率大，熱值高，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤�，不易熄滅，有時還產(chǎn)生濃煙和有毒氣體，對人們生命安全和環(huán)境造成巨大的危害。因此，如何提高高分子材料的阻燃性，已經(jīng)成為當前消防工作一個急需解決的問題。

一、高分子材料的燃燒及阻燃機理

高分子材料在空氣中受熱時，會分解生成揮發(fā)性可燃物，當可燃物濃度和體系溫度足夠高時，即可燃燒。所以高分子材料的燃燒可分為熱氧降解和燃燒兩個過程，涉及傳熱、高分子材料在凝聚相的熱氧降解、分解產(chǎn)物在固相及氣相中的擴散、與空氣混合形成氧化反應場及氣相中的鏈式燃燒反應等一系列環(huán)節(jié)。當高分子材料受熱的熱源熱量能夠使高分子材料分解，且分解產(chǎn)生的可燃物達到一定濃度，同時體系被加熱到點燃溫度后，燃燒才能發(fā)生。而己被點燃的高分子材料在點燃源穩(wěn)定后能否繼續(xù)燃燒則取決于燃燒過程的熱量平衡。當供給燃燒產(chǎn)生的熱量等于或大于燃燒過程各階段所需的總熱量時，高分子材料燃燒才能繼續(xù)，否則將中止或熄滅。從高分子材料的燃燒機理可看出，阻燃作用的本質是通過減緩或阻止其中一個或幾個要素實現(xiàn)的。其中包括六個方面:提高材料熱穩(wěn)定性、捕捉游離基、形成非可燃性保護膜、吸收熱量、形成重質氣體隔離層、稀釋氧氣和可燃性氣體。目前常采用的阻燃劑行為主要是通過冷卻、稀釋、形成隔離膜的物理途徑和終止自由基的化學途徑來實現(xiàn)。一般阻燃機理分為氣相阻燃機理、凝聚相阻燃機理和中斷熱交換阻燃機理。燃燒和阻燃都是十分復雜的過程，涉及很多影響和制約因素，將一種阻燃體系的阻燃機理嚴格劃分為某一種是很難的，一種阻燃體系往往是幾種阻燃機理同時起作用。

二、高分子材料阻燃劑的分類

阻燃劑是用于提高材料抗燃性，即阻止材料被引燃及抑制火焰?zhèn)鞑サ闹鷦�。按阻燃劑與被阻燃基材的關系，阻燃劑可分為添加型及反應型兩大類。前者與基材的其他組分不發(fā)生化學反映，只是以物理方式分散于基材中，多用于熱塑性高分子材料。后者或者為高分子材料的單體，或者作為輔助試劑而參與合成高分子材料的化學反應，最后成為高分子材料的結構單元，多用于熱固性高分子材料。按阻燃元素種類，阻燃劑常分為鹵系、有機磷系及鹵-磷系、氮系、磷-氮系、銻系、鋁-鎂系、無機磷系、硼系、鉬系等。

(一)鹵系阻燃劑

鹵系阻燃劑是目前世界上產(chǎn)量最大的有機阻燃劑之一，添加量少、阻燃效果顯著。含氯的阻燃劑主要有氯化石蠟、氯化聚乙烯等;含溴阻燃劑因阻燃效果較好，應用極為廣泛，逐漸取代氯系阻燃劑。鹵系阻燃劑阻燃機理比較清楚，但其阻燃的同時，也帶來了一些嚴重的問題，放出大量的有毒氣體(如HCl,HBr等)，鹵化氫氣體易吸收空氣中的水分形成氫鹵酸，具有很強的腐蝕作用，并產(chǎn)生大量的煙霧，這些煙霧、有毒氣體和腐蝕性氣體給滅火、逃離和恢復工作帶來很大的困難。

(二)磷系阻燃劑

有機磷系阻燃劑包括磷酸酯、亞磷酸酯、有機鹽類、氧化膦、含磷多元醇及磷氮化合物等，但應用最廣的是含鹵磷酸酯。有機磷系阻燃劑主要在火災初期的高分子材料分解階段起作用。

它能促進高分子材料脫水炭化，從而使高分子材料不能產(chǎn)生可燃性氣體，并且由于不揮發(fā)性磷化合物起凝結劑的作用，使炭化物形成保護性炭膜，以隔絕外界的空氣和熱。

(三)無機阻燃劑

無機阻燃劑的阻燃作用主要是通過比容大的填料的蓄熱和導熱使材料達不到分解溫度，或通過阻燃劑受熱分解吸熱使材料溫升減緩或終止來實現(xiàn)。其阻燃機理是在受熱時釋放出結晶水，蒸發(fā)，分解并放出水蒸汽，此反應吸收大量燃燒熱，降低了材料的表面溫度，使高分子材料的熱分解和燃燒率大大降低;分解時產(chǎn)生的大量水蒸汽稀釋了可燃性氣體的濃度也起到阻燃作用，并有一定冷卻作用;熱解生成的氧化鎂氧化鋁等產(chǎn)物與燃燒時塑料表面的炭化產(chǎn)物結合生成保護膜，即可切斷熱能和氧的入侵又可阻止小分子的可燃性氣體逸出，亦達到阻燃效果。這類物質具有熱穩(wěn)定性好、阻燃、無毒、不揮發(fā)、不產(chǎn)生腐蝕性氣體、發(fā)煙量小、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點，是低鹵無鹵阻燃體系的主要原料。

(四)含硅阻燃劑

有機硅阻燃劑是一種新型的無鹵阻燃劑，也是一種成炭抑煙劑，包括硅烷共聚物和硅樹脂。目前具有代表性的有機硅阻燃劑是美國通用公司生產(chǎn)的SFR-100，它是一種呈透明狀的硅酮聚合物，通常與一種或多種協(xié)同劑(硬脂酸鎂、聚磷酸銨與季戊四醇的混合物、氫氧化物等)并用。研究發(fā)現(xiàn)在高分子材料中加入有機硅阻燃劑，能促進炭層的形成，降低聚合物的燃燒性。

(五)氧化銻阻燃劑

氧化銻化合物品種有三氧化二銻、五氧化二銻、銻酸鈉等�？蓡为毷褂靡嗫蓮秃鲜褂�，與鹵系阻燃劑等具有協(xié)同效應和抑煙效果。粒子愈細愈可使阻燃性能得到改進，但是其最大的缺陷是在燃燒時產(chǎn)生的煙霧有較大的毒性，這是歐盟一些國家阻燃專家提出的禁止使用十溴聯(lián)苯醚等的主要理由。

(六)本質阻燃高分子材料

本質阻燃高分子材料指那些由于具有特殊的化學結構而使自身具有阻燃性的高分子材料，它們不需要改性就具有耐高溫，抗氧化，不易燃等特點。近年來，人們研制了一些新型的本質阻燃高分子材料，其中芳基乙炔聚合物在高溫下裂解形成的炭層可在氧化環(huán)境下承受極高溫度(1500-2000℃)，有希望作為燒蝕材料用于火箭導彈系統(tǒng)和宇宙飛船的重返大氣設備中;主鏈含有硅、硼的無機-有機雜化共聚物在空氣中受強熱時可形成炭-陶瓷保護膜，阻止材料在高溫下進一步被氧化。但在現(xiàn)階段，此類化合物或者價格高昂，或者制造及加工工藝復雜，其應用相當有限，但它們代表了阻燃高分子材料的一個發(fā)展方向。

三、高分子材料阻燃技術的進展

(一)微膠囊技術

微膠囊化一般是指將物質包裹于數(shù)微米至數(shù)百微米的微小容器中，從而起到保護和控制釋放等作用。目前，將無機或有機的阻燃劑進行微膠囊化的研究正處于阻燃劑新技術的熱點，并已從研制階段進入實用階段。囊材主要有兩類，一類是天然高分子材料，如動物膠、各種蛋白質、淀粉、纖維素等。另一類是人工合成的高分子，如聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚酰胺、聚酯、環(huán)氧樹脂等。囊材不與包裹的阻燃劑發(fā)生化學反應，當制品一旦遇火受高熱時，囊壁立即熔融破裂，從而釋放出阻燃劑。

阻燃劑微膠囊的大小、囊壁的厚度、強度以及阻燃劑的釋放度等物理性質均會影響阻燃劑的阻燃效果。微膠囊化在改善阻燃劑的形態(tài)、效能以及減少環(huán)境污染等方面都有所作用。

(二)納米技術

1965年，BlumStin研究聚甲基丙烯酸甲脂/納米粘土復合材料時第一次發(fā)現(xiàn)其熱性能明顯提高。1976年，日本專利中第一次報道納米復合材料具有潛在的阻燃性能。但直到近年來國外多名學者開展對納米復合材料熱穩(wěn)定性的研究以后，其阻燃性能的研究也才真正開始。研究發(fā)現(xiàn)，當尼龍/層狀硅酸納米復合材料中的層狀硅酸鹽(粘土)含量僅為5%以下時就具有良好的熱穩(wěn)定性，其HRR(熱釋放速率)峰比不用時降低了50%以上，并且不損害材料的其它性能。這說明聚合物納米復合材料具有良好的熱性能，可用于阻燃技術。納米技術在阻燃中的應用主要是納米粒子填充技術。

(三)接枝和交聯(lián)改性技術

接枝和交聯(lián)是使高分子材料功能化的一種有效方法，近年來這一技術也已用于使高分子材料阻燃化。接枝包括化學接枝和光敏接枝等，通過接枝共聚以提高聚合物的熱穩(wěn)定性及阻燃性多系凝聚相阻燃模式，即借助于成炭來實現(xiàn)的。因為接枝單體能在聚合物的表面形成粘附的絕緣層，特別是無機絕緣層，對改善聚合物的阻燃性尤為有效。而使高分子材料本身交聯(lián)，或者高分子材料的熱裂解產(chǎn)物在凝聚相中交聯(lián)，也可減少可燃產(chǎn)物的生成量而改善材料的阻燃性，多以輻射交聯(lián)為主。

(四)膨脹技術

在眾多的阻燃體系中，最近發(fā)展的膨脹阻燃體系由于在燃燒過程中發(fā)煙量少、無滴落和無毒氣等優(yōu)點而引起人們的注意。膨脹阻燃體系一般需三種主要成分：炭化劑、炭化促進劑、發(fā)泡劑。膨脹型阻燃劑最早用于涂料業(yè)，配制用于船舶、建筑裝飾材料、電纜外皮等的耐火涂層。近年來，國外己有一些比較成熟的膨脹阻燃體系用于塑料、橡膠等材料及制品。

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高分子材料阻燃技術應用及發(fā)展探析