硼酸鹽阻燃劑概述

張光輝

摘 要：硼酸鹽是一種重要的阻燃材料，目前廣泛的應(yīng)用建筑、橡膠、塑料及電器等行業(yè)，文章就硼酸鹽阻燃劑的分類(lèi)、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)、阻燃性能的測(cè)試方法、研究現(xiàn)狀、未來(lái)的發(fā)展方向和應(yīng)用前景做了簡(jiǎn)要陳述。

關(guān)鍵詞：硼酸鹽；阻燃劑；概述

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化不斷的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)也得到了快速的發(fā)展，但同時(shí)也引發(fā)了一系列嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題，例如2010年11月15日上海的特大火災(zāi)造成，造成49人死亡、70人受傷；2013年5月11日晚，安徽宿孚玉鎮(zhèn)居民住宅發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)5人死亡。這一起起火災(zāi)帶給人血的教訓(xùn)，引發(fā)了人們的深刻反思，除了在日常生活中規(guī)范操作和高度重視之外，還應(yīng)從其它源頭做起，那就是研發(fā)具有阻燃性能的材料，盡可能杜絕此種重大事故再次發(fā)生。近年來(lái)，阻燃劑市場(chǎng)發(fā)展迅猛，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2007年全球阻燃劑市場(chǎng)消費(fèi)為170萬(wàn)噸， 2008年為195萬(wàn)噸， 2010年為230余萬(wàn)噸，2014年有望達(dá)到近300萬(wàn)噸。我國(guó)也在2007年3月1日頒布了《阻燃制品標(biāo)識(shí)管理辦法（實(shí)行）》，規(guī)范阻燃劑的使用，防止阻燃劑對(duì)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生影響。

1 硼酸鹽阻燃劑特點(diǎn)

阻燃劑的種類(lèi)很多，按照使用方法可分為添加型和反應(yīng)型；按照組成可分為有機(jī)阻燃劑、無(wú)機(jī)阻燃劑、無(wú)機(jī)-有機(jī)阻燃劑。有機(jī)阻燃劑主要有鹵系、磷系、六溴水散體、磷酸酯、十溴-三氧化二銻、鹵代磷酸酯等，其優(yōu)點(diǎn)是與有機(jī)物有很好的親和力，在塑料等阻燃體系中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但缺點(diǎn)是阻燃過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的有毒有害氣體和煙霧，為后續(xù)的救援造成了很大的影響，這就限制了其應(yīng)用。無(wú)機(jī)阻燃劑，主要有硼酸鹽類(lèi)、氫氧化物、磷酸的銨鹽、鹵化銨、硼酸等，其由于具有無(wú)毒、無(wú)煙、無(wú)鹵、無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用在建筑，裝修等很多行業(yè)，并且需求量占整個(gè)阻燃市場(chǎng)的50%以上，并有逐年遞增的趨勢(shì)。

硼酸鹽就是一種應(yīng)用最廣的阻燃劑，目前，我國(guó)生產(chǎn)的硼酸鹽阻燃劑主要有偏硼酸鈣、五硼酸銨、偏硼酸鈉、氟硼酸按、硼酸鋅、偏硼酸鋇、氟硼酸鋅等，硼砂有防止殘焰的作用，但對(duì)防止灼焦的作用不大；而硼酸有阻止無(wú)焰灼燒的作用，但對(duì)防止殘焰的作用又不明顯，將兩者混合可以發(fā)揮協(xié)同阻燃效果，防止無(wú)焰灼燒的效果很好。在硼系阻燃劑中，硼酸鈣是一種新型的阻燃劑，硼酸鋅是一種應(yīng)用最為廣泛的阻燃劑，將其添加在織物、塑料等高聚物中，有許多優(yōu)點(diǎn)：（1）硼酸鋅阻燃劑的安全無(wú)毒、價(jià)格低廉、性能良好。（2）添加硼酸鋅后，織物等燃燒有利于生成多孔碳層，碳層能被B2O3所穩(wěn)定。（3）硼酸鋅與其它阻燃劑混合使用，具有協(xié)同效應(yīng)，可以減少煙霧量，起到降低成本的作用。（4）硼酸鋅在阻燃樹(shù)脂時(shí)，可減少高溫熔滴，防止了二次火災(zāi)的發(fā)生。（5）硼酸鋅與Al（OH）3阻燃劑協(xié)同，可生成多孔硬質(zhì)玻璃陶瓷狀物質(zhì)，起到隔熱和吸附可燃與助燃?xì)怏w的作用，阻止燃燒的進(jìn)一步進(jìn)行。目前，硼酸鹽阻燃劑已在船舶、化工、建筑和軍事等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

2 硼酸鹽阻燃劑的結(jié)構(gòu)

硼酸鹽是由金屬陽(yáng)離子和硼氧聚陰離子以離子鍵結(jié)合形成的，由于硼原子可以采取sp2雜化和sp3雜化，分別形成平面三角形BO3和四面體BO4單元，BO3和BO4單元可以單獨(dú)存在，也可以通過(guò)頂點(diǎn)氧原子互相連接，形成聚合程度不同的硼氧聚陰離子，而硼氧聚陰離子可以發(fā)生縮聚反應(yīng)脫水，通過(guò)氧原子與質(zhì)子結(jié)合形成OH-，在其它基團(tuán)連接下發(fā)生形變，在水含量高時(shí)連接方式發(fā)生改變，這就導(dǎo)致硼氧聚陰離子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，硼酸鹽種類(lèi)繁多。

3 硼酸鹽阻燃劑性能測(cè)試方法

目前，硼酸鹽阻燃劑性能的測(cè)試方法很多，歸納起來(lái)主要有以下幾種： 極限氧指數(shù)法、垂直燃燒法、熱分析法等。

極限氧指數(shù)（LOD）法的原理是將待樣品置于垂直流動(dòng)的氮?dú)夂脱鯕獾幕旌蠚夥罩校淖冊(cè)诰S持總流量不變添加下，改變氧氣的流量，測(cè)量使待測(cè)樣品保持平衡燃燒時(shí)的最低氧濃度（體積百分?jǐn)?shù)），用以判斷材料的阻燃性能。

垂直燃燒法的原理是垂直地夾住試樣一端，對(duì)材料的自由端施加一定的火焰，通過(guò)測(cè)定續(xù)燃時(shí)間、灼焰時(shí)間、燃燒長(zhǎng)度或成炭率來(lái)評(píng)價(jià)材料的阻燃性能。

熱分析法是一種廣泛應(yīng)用于材料可燃性和阻燃性能評(píng)價(jià)的方法。包括熱重法（TGA）、差式掃描量熱法 （DSC）和差熱分析（DTA）等。TGA法是在程序控溫下，測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度的關(guān)系。分析物質(zhì)在分解過(guò)程中的質(zhì)量變化及失重速度，進(jìn)而對(duì)材料燃燒過(guò)程中的穩(wěn)定性和可燃性作出評(píng)價(jià)。而DTA法和DSC法則是在相同條件下定量分析材料在不同溫度的重量及熱效應(yīng)的變化情況，進(jìn)而得出阻燃劑對(duì)材料的熱分解過(guò)程變化以及燃燒性能的影響，對(duì)材料的阻燃性能和阻燃機(jī)理做出判斷。

4 硼酸鹽阻燃劑的研究現(xiàn)狀

近些年來(lái)，人們已經(jīng)對(duì)硼酸鹽納米阻燃劑進(jìn)行了大量的研究，并且發(fā)現(xiàn)，阻燃劑的阻燃效果與阻燃材料的顆粒尺度有關(guān)，也就是說(shuō)，顆粒越小，阻燃效果越好。不同形貌的阻燃劑，阻燃效果也不相同。例如：中南大學(xué)吳志平等[1]人制備了超細(xì)硼酸鋅并測(cè)定其成炭率，研究了2ZnO·3B2O3·3.5H2O 的阻燃性和抑煙效果；蘇達(dá)根等[2]人制備了納米硼酸鋅，并通過(guò)測(cè)定極限氧指數(shù)法研究其阻燃性； S. l. Li等[3]人制得了2ZnO·3B2O3·3.5H2O 納米片，并發(fā)現(xiàn)2ZnO·3B2O3·3.5H2O 納米片極大地提高了PE的阻燃性能；Ayhan Mergen 等[4]采用2ZnO·3B2O3·3.0-3.5H2O制得了4ZnO·B2O3·H2O，并研究了添加不同量4ZnO·B2O3·H2O的PVC的阻燃性能，發(fā)現(xiàn)納米材料的阻燃劑性能較普通阻燃劑明顯提高，添加量較少。

5 硼酸鹽阻燃劑的發(fā)展方向

無(wú)機(jī)阻燃劑由于具有毒性小、抑煙效果好等特點(diǎn)，目前已廣泛的應(yīng)用于建材、紡織、油漆等各行各業(yè)。但是，無(wú)機(jī)阻燃劑添加量大，阻燃效果差，這就限制了其發(fā)展。近年來(lái)，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，將阻燃材料制備成納米型，不但可以提高材料的阻燃性和熱穩(wěn)定性，還可以減少添加量。這就促使了納米阻燃劑的飛速發(fā)展。

相信未來(lái)，阻燃劑市場(chǎng)將會(huì)被高效、抑煙、無(wú)毒、廉價(jià)的無(wú)極阻燃劑占據(jù)。阻燃劑未來(lái)的發(fā)展方向必然是向著：粒徑超細(xì)化、表面改性處理和協(xié)同復(fù)合技術(shù)三個(gè)主要方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]吳志平， 舒萬(wàn)艮， 胡云楚，等. 超細(xì)硼酸鋅阻燃劑的制備及其性能研究[J].中國(guó)塑料， 2005， 19（3）： 83-86.

[2]蘇達(dá)根， 區(qū)翠花， 鐘明峰， 等. 納米硼酸鋅的制備及對(duì)木材阻燃性能影響研究 [J]. 貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2008， 37（3）： 61-64.

[3]Ayhan Mergen， P.H.Kemp， The chemistry of borates，part 1.Consolidate Limited[M] S.W.I， London， 1956， 68-72.