阻燃劑在高分子材料中的作用機理與應(yīng)用

>> 杭州富通昭和線纜材料研究開發(fā)有限公司 閆孝敏 于友姬 李國昌

阻燃劑在高分子材料中的作用機理與應(yīng)用

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一 引言

我國平均每年的大小火災(zāi)都會造成5億元以上的經(jīng)濟損失，從世界范圍看，由火災(zāi)造成的損失是難以估量的。由于電線電纜越來越廣泛的應(yīng)用，其可燃性而引起的火災(zāi)愈發(fā)受到人們重視，電線電纜用高分子聚合材料大部分是由碳、氫、氧等元素組成，基本屬于易燃、可燃材料，并且燃燒過程中熱量釋放速率大、熱值高、火焰?zhèn)鞑タ?、不易熄滅，從而使高分子聚合材料用阻燃劑和阻燃材料的研制生產(chǎn)及其推廣應(yīng)用得以迅速發(fā)展。本文試圖從燃燒四要素著手，通過分析阻燃劑作用機理及其在線纜材料中的作用，希望能給讀者一定的參考價值。

二 燃燒的要素及阻止燃燒的方法

一般電線電纜用絕緣護套料都是高分子材料，高分子材料的燃燒是一個典型的氧化還原反應(yīng)如圖1所示：

圖1 燃燒過程

圖1中，當(dāng)高分子材料受到熱源輻射時，熱傳給高分子材料，高分子材料繼而向內(nèi)部進行熱傳導(dǎo)，當(dāng)熱量到達一定溫度時材料會發(fā)生熱裂解，隨著裂解的擴散，裂解材料遇到空氣中的氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)形成燃燒。萬變不離其宗，燃燒的四要素：可燃物、氧氣、達到著火點以上的溫度（熱源）、自由基反應(yīng)。任一要素不滿足即可達到阻燃效果。

我們可以通過采用合適的阻燃劑阻斷高分子材料受到熱傳導(dǎo)后的②——⑥環(huán)節(jié)中的任一環(huán)節(jié)達到阻燃效果：

a、 阻燃劑發(fā)生吸熱反應(yīng)阻斷②③環(huán)節(jié)的熱輻射與熱傳導(dǎo)；

b、 提高高分子樹脂本身的耐熱性從而抑制環(huán)節(jié)④的熱裂解；

c、 阻燃劑受熱反應(yīng)后形成隔膜屏蔽熱與氧氣，阻斷⑤⑥環(huán)節(jié)的進行；

d、 阻燃劑受熱反應(yīng)后捕獲活性自由基，阻止氧化還原反應(yīng)；

三 常用高分子阻燃劑與阻燃機理

阻燃劑按不同分類方式可以分成很多種類，按其元素種類分為：鹵系、磷系、鹵-磷系、氮系、硅系、鋁鎂系等，按化學(xué)結(jié)構(gòu)分為無機阻燃劑、有機阻燃劑、阻燃助劑三大類。下面以表格形式直觀解析常用阻燃劑及阻燃機理如表1所示：

表1 常用阻燃劑及阻燃機理

四 阻燃劑在實際工作中的應(yīng)用

不同種類阻燃劑的阻燃機理有所不同，那么在實際應(yīng)用中又有什么樣的各自

優(yōu)缺點呢，接下來通過對無鹵阻燃劑Mg(OH)2及溴系阻燃劑RBr在125℃輻照交聯(lián)聚烯烴電纜料中的應(yīng)用來具體闡述無鹵阻燃劑與鹵系阻燃劑的優(yōu)缺點。

4.1 生產(chǎn)實際

以125℃輻照交聯(lián)聚烯烴電纜料為基礎(chǔ)材料，在其中添加不同阻燃劑，對比分析不同阻燃劑所發(fā)揮的不同阻燃效果及對材料整體性能的影響。A配方中加入無鹵阻燃劑Mg(OH)2，B配方中主要加入鹵系阻燃劑中溴系阻燃劑及少量無鹵阻燃劑Mg(OH)2，具體添加比例見下圖2。

圖2 A、B兩種材料阻燃劑配方及添加比例

分別以無鹵阻燃劑和溴系阻燃劑為主體阻燃材料的A、B兩款料的性能具體會有怎樣的差異呢？我們對兩種材料及加工后的電線做了對比性能測試，結(jié)果見下表2：

表2 A、B原材料及做成電線后性能測試

比對性能顯示：

①A材料的體積電阻率低于B材料兩個數(shù)量級；

②A材料斷裂伸長率較小，比B材料斷裂伸長率性能低很多；

③A材料老化后抗拉強度殘率與斷裂伸長率殘率都偏低；

④A、B材料氧指數(shù)一致，但是做成電線后，A產(chǎn)品的VW-1燃燒試驗結(jié)果較差。

4.2 阻燃劑在聚烯烴中的應(yīng)用

聚烯烴簡單來說為烯烴的聚合物。由乙烯、丙烯、1-丁烯、1-戊烯、1-己烯、1-辛烯、4-甲基-1-戊烯等α-烯烴以及某些環(huán)烯烴單獨聚合或共聚合而得到的一類熱塑性樹脂的總稱。聚烯烴材料也可以簡單定義為以聚乙烯、聚丙烯為主的一切均聚物、共聚物、混合物的總稱。

我們知道聚烯烴在未添加阻燃劑時的氧指數(shù)為15%左右，然而阻燃聚烯烴要求氧指數(shù)至少為24%，我們知道鹵系阻燃劑會與聚合物材料產(chǎn)生協(xié)同阻燃效果，具有添加量少阻燃效果好的特點，而無鹵阻燃劑要達到鹵系阻燃劑等同的阻燃效果，其添加量需要增加到鹵系阻燃劑的3倍左右，一般無鹵阻燃劑添加量要達到配方總量的50%～60%才能達到預(yù)期阻燃效果。這樣一來，大量的無機物的添加勢必會產(chǎn)生無機物與聚合物的混合問題，50%～60%的添加量會導(dǎo)致材料的機械性能、電氣性能及熱老化性能變差。正如表2中實際驗證的結(jié)果。對于含鹵阻燃劑與鹵系阻燃劑各自優(yōu)缺點可以簡單的總結(jié)為下表3：

表3 含鹵阻燃劑與無鹵阻燃劑應(yīng)用對比

五 總結(jié)

無鹵阻燃劑非常環(huán)保，但添加量大，導(dǎo)致物理性能與電性能等會變差，含鹵阻燃劑添加量少阻燃效果良好，同時對其他性能影響較小但對人體與環(huán)境有一定傷害，無論是含鹵材料還是無鹵材料都有各自優(yōu)缺點及市場價值，所以對材料的選擇主要依據(jù)市場與客戶的需求而定，然而既環(huán)保又具有優(yōu)良特性以及能夠與主體材料有很好的協(xié)同效果的阻燃劑將是未來市場的主體需求。