阻燃剂的应用
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摘要 本文阐述了阻燃剂的阻燃机理，阻燃剂的分类，分析了常用的阻燃剂以及广泛用于阻燃的技术。
关键词 阻燃剂；机理；分类；阻燃技术
中图分类号TQ569 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）50-0115-02
随着科技的快速发展，橡胶、塑料、合成纤维等高分子聚合材料及其制品得到了飞速的发展，它们逐步代替传统的钢材、金属、水泥、木材及棉等工业材料，广泛地应用于工业、农业和军事等国民经济的各个部门。由于高分子聚合材料大部分是由碳、氢、氧等元素组成，基本上都属于易燃、可燃材料，并且在燃烧过程中热释放速率大、热值高、火焰传播速度快、不易熄灭，甚至在燃烧时产生大量浓烟和有毒性气体，对环境造成巨大危害，对人们的生命和财产安全造成巨大的威胁。据统计，2010年，全国共发生火灾131 705起，死亡1 108人，直接财产损失17.7亿元。据国内外火灾数据统计表明，在火灾中70％的人员伤亡是由烟和有毒气体的产生造成的。因此，提高聚合材料的阻燃性能成为一个急需解决的社会课题，已经引起了世界各国政府和研究者们的广泛关注。有关专家指出在使用可燃和易燃材料时，应对材料进行阻燃处理，在提高材料阻燃烧性能的同时，应尽量减少材料热分解或燃烧时放出的烟和有毒气体和，因为这两者往往是火灾中最先产生且最具危险性的因素。作为塑料行业中仅次于增塑剂的第二添加剂―阻燃剂的研究开发步伐正在不断加快，以适应更高的阻燃要求。
1阻燃剂的阻燃机理
阻燃剂是通过若干机理发挥其阻燃作用的，如吸热作用、覆盖作用、抑制链反应、不燃气体的窒息作用等。
1.1 吸热作用
任何燃烧在较短的时间所放出的热量是有限的，如果能在较短的时间吸收火源所放出的一部分热量，那么火焰温度就会降低，辐射到燃烧表面和作用于将已经气化的可燃分子裂解成自由基的热量就会减少，燃烧反应就会得到一定程度的抑制。在高温条件下，阻燃剂发生了强烈的吸热反应，吸收燃烧放出的部分热量，降低可燃物表面的温度,有效地抑制可燃性气体的生成，阻止燃烧的蔓延。Al（OH）3阻燃剂的阻燃机理就是通过提高聚合物的热容，使其在达到热分解温度前吸收更多的热量，从而提高其阻燃性能。这类阻燃剂充分发挥其结合水蒸汽时大量吸热的特性，提高其自身的阻燃能力。
1.2 覆盖作用
在可燃材料中加入阻燃剂后，阻燃剂在高温下能形成玻璃状或稳定泡沫覆盖层，隔绝氧气，具有隔热、隔氧、阻止可燃气体向外逸出的作用，从而达到阻燃目的。如有机阻磷类阻燃剂受热时能产生结构更趋稳定的交联状固体物质或碳化层。碳化层的形成一方面能阻止聚合物进一步热解，另一方面能阻止其内部的热分解产生物进入气相参与燃烧过程。
1.3 抑制链反应
根据燃烧的链反应理论，维持燃烧所需的是自由基。阻燃剂可作用于气相燃烧区，捕捉燃烧反应中的自由基，从而阻止火焰的传播，使燃烧区的火焰密度下降，最终使燃烧反应速度下降直至终止。如含卤阻燃剂，它的蒸发温度和聚合物分解温度相同或相近，当聚合物受热分解时，阻燃剂也同时挥发出来。此时含卤阻燃剂与热分解产物同时处于气相燃烧区，卤素便能够捕捉燃烧反应中的自由基，从而阻止火焰的传播，使燃烧区的火焰密度下降，最终使燃烧反应速度下降直至终止。
1.4 不燃气体窒息作用
阻燃剂受热时分解出不燃气体，将可燃物分解出来的可燃气体的浓度冲淡到燃烧下限以下。同时也对燃烧区内的氧浓度具有稀释的作用，阻止燃烧的继续进行，达到阻燃的作用。
2 阻燃剂的分类
2.1按所含阻燃元素分类
按所含阻燃元素可将阻燃剂分为卤系阻燃剂、磷系阻燃剂、氮系阻燃剂、磷－卤系阻燃剂、磷－氮系阻燃剂等几类。卤系阻燃剂在热解过程中，分解出捕获传递燃烧自由基的X及HX，HX能稀释可燃物裂解时产生的可燃气体，隔断可燃气体与空气的接触。磷系阻燃剂在燃烧过程中产生了磷酸酐或磷酸，促使可燃物脱水炭化，阻止或减少可燃气体产生。磷酸酐在热解时还形成了类似玻璃状的熔融物覆盖在可燃物表面，促使其氧化生成二氧化碳，起到阻燃作用。在氮系阻燃剂中，氮的化合物和可燃物作用，促进交链成炭，降低可燃物的分解温度，产生的不燃气体，起到稀释可燃气体的作用。磷－卤系阻燃剂、磷－氮系阻燃剂主要是通过磷－卤、磷－氮协同效应作用达到阻燃目的，具有磷－卤、磷－氮的双重效应，阻燃效果比较好。
2.2 按组分分类
按组分的不同可分无机盐类阻燃剂、有机阻燃剂和有机、无机混合阻燃剂三种。无机阻燃剂是目前使用最多的一类阻燃剂，它的主要组分是无机物，应用产品主要有氢氧化铝、氢氧化镁、磷酸一铵、磷酸二铵、氯化铵、硼酸等。有机阻燃剂的主要组分为有机物，主要的产品有卤系、磷酸酯、卤代磷酸酯等。还有一部分有机阻燃剂用于纺织织物的耐久性阻燃，如六溴水散体、十溴－三氧化二锑阻燃体系，具有较好的耐洗涤的阻燃性能。有机、无机混合阻燃剂是无机盐类阻燃剂的改良产品，主要用非水溶性的有机磷酸酯的水乳液，部分代替无机盐类阻燃剂。在三大类阻燃剂中，无机阻燃剂具有无毒、无害、无烟、无卤的优点，广泛应用于各类领域，需求总量占阻燃剂需求总量一半以上，需求增长率有增长趋势。
2.3 按使用方法分类
按使用方法的不同可把阻燃剂分为添加型和反应型。添加型阻燃剂主要是通过在可燃物中添加阻燃剂发挥阻燃剂的作用。反应型阻燃剂则是通过化学反应在高分子材料中引入阻燃基团，从而提高材料的抗燃性，起到阻止材料被引燃和抑制火焰的传播的目的。在阻燃剂类型中，添加型阻燃剂占主导地位，使用的范围比较广，约占阻燃剂的85％，反应型阻燃剂仅占15％。
3 常用阻燃剂
3.1氯系阻燃剂
氯系阻燃剂中，产量最大的是氯化烷烃(又名氯化石蜡或氯蜡)，氯化石蜡有含量40%和70%两种，40%氯蜡主要用于（PVC）的辅增塑剂，70%的如国产氯蜡―70，主要用作阻燃剂，另外，它还可用于布类、木材的防火防水处理、橡胶填料以及用作印刷油墨的调合剂等。
3.2磷系阻燃剂
磷系阻燃剂有磷酸酯类、含卤素磷酸酯类和其它无机磷酸酯等，其中磷酸酯通常采用氧氯化磷与酚类反应制得，或在叔胺存在的条件下与酸类反应制得，其品种主要有：磷酸三四苯酚酯（TCP），磷酸三苯酚酯（TPP），磷酸三二甲苯酚酯（TXP），磷酸甲苯酚二苯酚酯（CDP）。
3.3溴类阻燃剂
近年来，溴类燃剂出现较大的增长趋势，其品种主要有四溴双酚A（TBA），十溴二苯醚（DBDPO），八溴二苯醚（OCTA），三溴苯酚（TBP）。TBA主要用于酚醛树脂、不饱和聚酯树脂等热固性树脂，如聚苯乙烯、AS、ABS等热塑性树脂的助燃剂，它的阻燃效果很高，而且在环氧树脂，不饱和聚酯树脂中，还可作为反应型阻燃剂，并能获得较好的效果。
3.4 无机系阻燃剂
无机系阻燃剂主要用作卤素系阻燃剂的助剂或填充剂，占主导地位的是三氧化二锑及氢氧化铝。三氧化二锑用作阻燃剂时，由于要添加到树脂中去，对固体粒度要求很高，一般均在0.5u以下，对特殊需要的品种，已出现有0.02u的超微粒新品种。近年来，三氧化二锑阻燃剂的需要量呈上升趋势。氢氧化铝主要用于聚氯乙烯，聚乙烯，聚苯乙烯和酯酸乙烯和酯酸乙烯共聚物等热固性树脂的阻燃，其特点是在燃烧时不产生有毒气体。
4 广泛用于阻燃的技术
4.1 物理方法
4.1.1添加法
添加法是将阻燃剂与聚合物混合加工成型，使高分子材料具有阻燃性。通常，难燃级的聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等通用树脂大部分采用添加型阻燃剂。
4.1.2共混法
将阻燃聚合物和非阻燃聚合物共混使后者具有一定的阻燃特性，也是塑料技术中经常采用的方法之一，可使用共混的聚合物有聚氯乙烯、过氯乙烯、氯化聚乙烯等。
4.1.3稀释法
将大量的惰性无机添料充填到塑料里，以稀释塑料的浓度，减少可燃物的数量，改善塑料的阻燃性能。常用的无机添料有碳酸钙、高岭土长石、霄石、二氧化碳、滑石粉和粉煤灰等。
4.2 化学方法
4.2.1合成法
将芳环或芳杂环引入塑料大分子中，增加大分子的芳香性，从而提高塑料的耐热性，这类新型的耐热塑料有聚酰亚胺、芳香族聚酯、聚苯醚。
4.2.2共聚法
两种或两种以上的不同单体进行聚合反应称之为共聚法。将含有阻燃元素的单体共聚，可以生成达到阻燃作用的聚合物。环氧树脂、聚碳酸树脂、聚氨脂不饱和聚脂等通常使用共聚法。
4.2.3接枝法
在一定条件下，基础聚合物与阻燃性好的单体进行接枝反应，以达到阻燃性的方法称为接枝法。例如：丙丁苯树脂接枝上氯乙烯单体，所得材料的物理机械性能比ABS和聚氯乙烯（PVC）的共混物好。
4.2.4交联法
一种或多种阻燃差的线性分子，在加热辐射或交联剂存在的条件下交联，使线性结构变为网状或体状结构，或者通过辐射移去一个或多个氢原子而使碳碳之间直接交联。由于交联 而使大分子链节不断断裂，提高了塑料的耐热性和阻燃性。例如：交联聚乙烯的阻燃性高于普通聚乙烯。
5 结论
阻燃体系是一个复杂的体系，对阻燃剂的开发要求很高，高效的同时，还要不影响基材的物性，还要考虑是否能抑烟。随着阻燃剂市场的不断发展和无机、无卤阻燃剂的开发，有机含卤类阻燃剂的淘汰将会加速；复配阻燃体系将会在未来的阻燃剂中扮演重要角色。新技术在阻燃剂的应用将更深入，并将推动阻燃剂科学向更快、更全面的方向发展。
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