阻燃高分子材料的開發(fā)及其應(yīng)用研究進(jìn)展

宋成偉

遼寧省檢驗(yàn)檢測認(rèn)證中心 遼寧沈陽 1 1 0 0 4 0

阻燃材料應(yīng)用廣泛，尤其在高層建筑中阻燃材料對于防止或減輕火災(zāi)而導(dǎo)致的損失起到舉足輕重的作用。阻燃材料的種類繁多，從大的方面可以分為有機(jī)阻燃材料、無機(jī)阻燃材料以及有機(jī)-無機(jī)復(fù)合阻燃材料，當(dāng)前使用的阻燃材料大多是在高分子材料中添加阻燃劑之后能夠?qū)崿F(xiàn)阻燃效果的材料。通常來說，有機(jī)阻燃材料阻燃效果好，添加劑比較少，但是有機(jī)阻燃材料在燃燒過程中會產(chǎn)生大量的有毒有害氣體，從而限制了其在某些方面的應(yīng)用。無機(jī)材料一般利用一些氫氧化物、氧化物或無機(jī)鹽等無機(jī)物制備，具有制備工藝簡單、原材料無毒、在高溫下無煙、不易揮發(fā)以及價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但是無機(jī)阻燃材料中存在大量的添加劑。氫氧化鋁、氫氧化鎂是常用的無機(jī)阻燃劑，可以當(dāng)作助劑添加到工程塑料或者橡膠當(dāng)中以達(dá)到較好的阻燃、防火的效果。

1 高分子材料的燃燒及阻燃機(jī)理

1.1 氣相阻燃機(jī)理

氣相阻燃是指在氣相中中斷或者抑制分子鏈的燃燒行為。這類阻燃材料使用的阻燃劑主要有鹵系阻燃劑、部分磷系阻燃劑和胺類化合物。鹵系阻燃劑和部分磷系阻燃劑在燃燒過程中生成自由基R·，這些自由基會捕捉可燃?xì)怏w中的H·和O·游離基，從而抑制了高分子鏈的熱降解行為。胺類化合物受熱后可分解為小分子氣體，如氨氣(NH3)、氮?dú)?N2)等惰性氣體，稀釋可燃?xì)怏w的濃度，從而中斷了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)[1]。

1.2 凝聚相阻燃機(jī)理

凝聚相阻燃是指聚合物燃燒在固相中被中斷或抑制的阻燃行為。這類阻燃劑主要包含磷系阻燃劑和氮系阻燃劑。磷系阻燃劑燃燒時會與聚合物熱解的水反應(yīng)生成各類磷酸鹽，這些磷酸鹽會催化成炭，進(jìn)而隔絕熱量和可燃?xì)怏w的傳遞，從而中斷燃燒行為。氮系阻燃劑在高溫下會生成隔氧、隔熱的炭層，起到阻燃作用。

1.3 中斷熱交換阻燃機(jī)理

中斷熱交換阻燃機(jī)理是指聚合物在燃燒過程中，熱量傳遞被中斷或者溫度被降低，使基體的溫度低于燃燒所需的臨界溫度，從而發(fā)生自熄的行為。這類阻燃劑主要有金屬氫氧化物阻燃劑和部分氮系阻燃劑。金屬氫氧化物阻燃劑在高溫時受熱會產(chǎn)生水蒸氣，從而降低體系的溫度，中斷熱量向聚合物的傳遞，進(jìn)而達(dá)到阻燃的目的。部分氮系阻燃劑，如三聚氰胺的鹽類，受熱會升華，吸收大量的熱，降低高分子材料的表面溫度，從而達(dá)到中斷熱交換的目的[2]。

2 阻燃高分子的開發(fā)

2.1 分子內(nèi)雜化型阻燃高分子

分子內(nèi)雜化型阻燃高分子也稱本征型阻燃高分子材料，主要是指在高分子合成的過程中，向聚合物的主鏈或側(cè)鏈中引入氮、硅、磷、鹵族元素等具有阻燃效果的原子或基團(tuán)。這些原子及官能團(tuán)能夠在高分子材料進(jìn)行燃燒后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生一定量的難燃?xì)怏w，從而有效抑制火勢的蔓延。制備分子內(nèi)雜化型阻燃高分子材料時，需要首先利用分子設(shè)計的方法合成出含有磷、硅、氮等原子及相應(yīng)官能團(tuán)的聚合單體，這些單體之后通過聚合反應(yīng)制備出具有良好阻燃性能的分子內(nèi)雜化樹脂材料。常見的阻燃高分子材料有：聚乙烯材料、聚氯乙烯材料、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等。

2.2 含硅阻燃高分子

大量的文獻(xiàn)顯示，將硅元素引入到高分子材料中，不但能夠極大改善樹脂材料的耐濕熱性能，而且可大幅度提高高分子材料的熔點(diǎn)和燃點(diǎn)，從而制備出阻燃性能優(yōu)異的高分子復(fù)合材料。此外，硅元素的引入能夠賦予高分子材料新的性能，如：良好的介電性能，優(yōu)異的力學(xué)性能等等，在一定程度上拓展了高分子材料的應(yīng)用范圍。

2.3 添加劑-阻燃高分子

與分子內(nèi)雜化型阻燃劑不同，添加型阻燃高分子的制備是通過物理共混的方法，向不具備阻燃性或阻燃性較差的高分子材料中加入相應(yīng)的添加劑，從而大幅度提高高分子材料的阻燃性。每一種添加劑都具有其獨(dú)特的性能，對高分子材料阻燃性能有較大提升，且添加型高分子材料在消防安全方面表現(xiàn)出越來越重要的作用。根據(jù)阻燃添加劑的不同可以將其分為無機(jī)類添加劑阻燃高分子、有機(jī)類添加劑阻燃高分子和復(fù)合類添加劑阻燃高分子3種。在實(shí)際的生產(chǎn)生活中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)相關(guān)情況選擇不同種類的材料，從而實(shí)現(xiàn)高分子材料阻燃性能的最大優(yōu)化[3]。

3 阻燃材料發(fā)展趨勢

3.1 無鹵素、無磷阻燃材料

鹵素阻燃材料阻燃性能良好，是當(dāng)今市場上阻燃材料的主打產(chǎn)品。但是，鹵素阻燃材料在高溫或燃燒時會產(chǎn)生鹵化氫等有毒、有害、有腐蝕性的氣體，可以導(dǎo)致環(huán)境污染，火災(zāi)現(xiàn)場的人們呼吸困難，導(dǎo)致電路短路以及金屬物件的腐蝕。紅磷阻燃劑阻燃效率高、用量少，在多個行業(yè)受到青睞。但是，紅磷阻燃劑穩(wěn)定性需要進(jìn)一步研究和加強(qiáng)，另外紅磷容易產(chǎn)生爆炸以及容易著色，燃燒時也會產(chǎn)生大量的有毒有害氣體。據(jù)了解，英國、澳大利亞等國家明確規(guī)定塑料制品須進(jìn)行燃燒毒性試驗(yàn)，這就要求開發(fā)新的無鹵素、無磷阻燃材料。

3.2 無有毒有害氣體及煙塵阻燃材料

在火災(zāi)中，大多數(shù)人并非因?yàn)楦邷囟劳觯鄶?shù)是由于可燃物在燃燒過程釋放出有毒、有害氣體，導(dǎo)致中毒或吸氧不足而死。因而，研發(fā)新型無毒、無害、燃燒過程不產(chǎn)生或較少產(chǎn)生有毒、有害氣體和煙塵、阻燃性能良好的阻燃材料是當(dāng)前阻燃領(lǐng)域重點(diǎn)研究方向。目前主要通過添加過渡金屬氧化物、鎂-鋅復(fù)合物、金屬氫氧化物、氧化錫、二茂鐵、氧化銅等抑煙劑解決火災(zāi)中煙塵過多的問題。新型抑煙劑，燃燒無有毒、有害氣體產(chǎn)生的阻燃劑是今后阻燃材料研發(fā)的趨勢。

4 結(jié)語

在工業(yè)領(lǐng)域中，阻燃高分子材料的應(yīng)用非常廣泛，新型阻燃高分子材料的開發(fā)不但能夠提高人們生活生產(chǎn)中的安全性，而且能夠節(jié)約能源，促進(jìn)新興工業(yè)的發(fā)展。目前對高分子阻燃材料的研究主要集中于環(huán)境友好型無鹵材料的開發(fā)，在未來的生產(chǎn)研究中，各類高效阻燃高分子材料的開發(fā)及復(fù)合阻燃添加劑配方的復(fù)配是阻燃材料的發(fā)展方向。