高分子材料的阻燃技術(shù)探討

趙青雨

（青島大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 山東 青島 266071）

1 引言

近年來(lái)，全球阻燃材料研發(fā)技術(shù)不斷提升，為高分子材料的安全使用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在此背景下，本文對(duì)高分子材料阻燃機(jī)理以及阻燃技術(shù)應(yīng)用的探討與研究也就具備較強(qiáng)理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

2 高分子材料的阻燃機(jī)理

2.1 氣相阻燃機(jī)理

阻燃劑氣相阻燃原理即在高分子材料燃燒反應(yīng)進(jìn)行過(guò)程中，利用添加于高分子材料中的阻燃劑發(fā)生的熱分解化學(xué)反應(yīng)，借助該反應(yīng)生成的諸如H2O、NH3、CO等惰性氣體，使高分子材料燃燒時(shí)周?chē)h(huán)境中的氧氣含量和該材料燃燒所產(chǎn)生的可燃性氣體含量大幅度降低。同時(shí)利用阻燃劑受熱后化學(xué)分解吸熱的基本原理，吸收周?chē)h(huán)境中的大量熱能，降低高分子可燃性材料的化學(xué)反應(yīng)溫度，使所有效果協(xié)同作用，作用于高分子材料的化學(xué)燃燒反應(yīng)并終止該反應(yīng)進(jìn)程，達(dá)到高分子材料阻燃的目的，保障人身財(cái)產(chǎn)安全。一般而言，高分子氣相阻燃材料主要包括氫氧化鎂、氫氧化鋁、水鎂石以及部分碳酸鹽[1]，該類(lèi)阻燃劑在化學(xué)燃燒時(shí)受熱分解，直接吸收周?chē)h(huán)境中的大量熱能，產(chǎn)生H2O、NH3等惰性氣體，起到良好隔絕氧氣和燃燒產(chǎn)生的有毒物質(zhì)的作用，阻燃效果較為優(yōu)良。高分子材料的另一類(lèi)氣相阻燃機(jī)理即利用自由基抑制化學(xué)作用，諸如高分子氣相阻燃劑中的鹵銻阻燃體系。該類(lèi)型高分子材料燃燒時(shí)，將產(chǎn)生大量的游離于化學(xué)物質(zhì)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)外的活性自由基，利用該自由基加速化學(xué)燃燒中的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速度，使高分子材料燃燒速度進(jìn)一步加快[2]。

2.2 凝聚相阻燃機(jī)理

利用高分子材料化學(xué)燃燒時(shí)，在高分子材料凝聚相阻燃劑與空氣接觸的表層，化學(xué)反應(yīng)后生成膨脹碳層，以膨脹碳層積聚后疏松多孔的物理性質(zhì)達(dá)到隔熱、防火和阻燃的目的，也就是通常所說(shuō)的高分子材料的凝聚相阻燃機(jī)理。圖1即為兩類(lèi)高分子材料阻燃機(jī)理示意[3]。

圖1 高分子材料阻燃機(jī)理示意

3 阻燃劑的分類(lèi)

3.1 鹵系阻燃劑

高分子材料阻燃劑中，鹵系阻燃劑包括高分子材料中的聚氯乙烯等，由于該類(lèi)高分子材料結(jié)構(gòu)中含有大量氯元素，而氯元素能較好地起到阻燃作用，鹵系阻燃劑的應(yīng)用范圍也就隨之?dāng)U大。目前，由于鹵系阻燃劑對(duì)周邊環(huán)境的巨大危害而受到越來(lái)越多的質(zhì)疑和挑戰(zhàn)，鹵系阻燃劑在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生大量有毒煙霧——?dú)怏w鹵化氫，且鹵系助燃劑使用與周邊環(huán)境沉淀區(qū)和生態(tài)區(qū)長(zhǎng)期共存，很容易在生物鏈中日益積累而影響周邊環(huán)境和人類(lèi)生存健康，因此，歐洲部分發(fā)達(dá)國(guó)家甚至頒布規(guī)定，嚴(yán)格限制部分溴系阻燃劑的使用[4]，一定程度上加速了其他高效科學(xué)、無(wú)毒無(wú)害阻燃劑產(chǎn)品的研發(fā)，見(jiàn)表1。

表1 常用溴系阻燃劑介紹

3.2 無(wú)鹵阻燃劑

無(wú)機(jī)類(lèi)阻燃劑大多為堿性氫氧化物、水鎂石、碳酸鹽和新開(kāi)發(fā)的無(wú)機(jī)類(lèi)高分子阻燃材料。其中，氫氧化鋁阻燃是占據(jù)較大阻燃劑市場(chǎng)份額的重要類(lèi)別，幾乎與含溴阻燃劑的市場(chǎng)占有份額相媲美，但氫氧化鋁阻燃劑實(shí)際阻燃效果更良好，具備抑制煙霧作用強(qiáng)、腐蝕程度較低和價(jià)格便宜等諸多優(yōu)勢(shì)，使其市場(chǎng)增長(zhǎng)率大約為每年5%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他類(lèi)別阻燃劑年均市場(chǎng)增長(zhǎng)率。在無(wú)機(jī)類(lèi)無(wú)鹵阻燃劑實(shí)踐應(yīng)用過(guò)程中，氫氧化鎂阻燃劑與氫氧化鋁阻燃效果較為類(lèi)同，但氫氧化鎂阻燃劑發(fā)揮效用時(shí)的實(shí)際分解溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氫氧化鋁分解溫度，整體吸熱總量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氫氧化鋁吸熱總量，甚至超出氫氧化鋁吸熱總量的17%，實(shí)際阻燃效用也就遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于氫氧化鋁阻燃物。通常情況下，利用氫氧化鋁和氫氧化鎂的聯(lián)合使用，調(diào)整兩類(lèi)物質(zhì)比例以達(dá)到較強(qiáng)的協(xié)同效應(yīng)，可大幅度節(jié)約阻燃劑應(yīng)用成本。三氧化銻阻燃機(jī)理與鹵系阻燃劑作用類(lèi)同，但是三氧化銻可單獨(dú)使用，低于0.3μm的超細(xì)三氧化銻可應(yīng)用在纖維阻燃中。目前，無(wú)機(jī)無(wú)鹵阻燃劑正朝著納米級(jí)方向發(fā)展，納米氫氧化鎂、納米氫氧化鋁和納米級(jí)層狀材料石墨烯等諸多無(wú)機(jī)阻燃材料正處于緊張研發(fā)進(jìn)程[5]。

無(wú)鹵阻燃劑中的有機(jī)類(lèi)阻燃物主要涵蓋有機(jī)磷、氮、有機(jī)硅等化學(xué)物質(zhì)。有學(xué)者實(shí)例研究發(fā)現(xiàn)，在無(wú)溶劑的化學(xué)條件下，制備高分子聚合的含硫元素的有機(jī)磷阻燃劑，能借助該阻燃劑高分子材料中磷、硫元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的協(xié)同阻燃作用，快速增強(qiáng)高分子材料的阻燃效果。三嗪系阻燃劑則堪稱(chēng)有機(jī)氮類(lèi)阻燃劑代表，包括三聚氫氨及其衍生物，該類(lèi)高分子聚合阻燃劑熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)良，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，不易生產(chǎn)對(duì)周?chē)h(huán)境有害的物質(zhì)，且化學(xué)燃燒后成碳性良好，與其它高分子聚合物材料的相容性較好，更具備良好的阻燃作用，實(shí)際使用范圍較廣。有機(jī)硅阻燃劑則憑借良好的環(huán)境適應(yīng)性和環(huán)境友好性，在諸多阻燃材料中脫穎而出。借助有機(jī)硅阻燃劑制備過(guò)程中高分子阻燃材料的力學(xué)性能優(yōu)良、耐沖擊、耐磨損、耐高寒等諸多特質(zhì)，結(jié)合有機(jī)硅阻燃劑材料和其他阻燃劑材料的協(xié)同阻燃作用，阻燃效果大幅度優(yōu)化。該類(lèi)有機(jī)硅阻燃劑材料燃燒生成的含硅層能參與成碳過(guò)程，從而提高有機(jī)硅阻燃劑材料的成炭阻燃效果，在工業(yè)領(lǐng)域及建筑領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，圖2即為含硅阻燃高分子涂料的制備。

圖2 含硅阻燃高分子涂料制備示意

4 阻燃高分子材料的應(yīng)用

4.1 建筑材料領(lǐng)域中的應(yīng)用

隨著我國(guó)建筑行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和人類(lèi)生活物質(zhì)水平的不斷提升，建筑材料的阻燃性是否優(yōu)良逐步成為居民判斷工程結(jié)構(gòu)是否能保障生命安全的重要內(nèi)容，也成為居民購(gòu)買(mǎi)房屋建筑的重要考量因素，因此，急需制備阻燃性能優(yōu)秀的高分子材料，并將其應(yīng)用于建筑工程室內(nèi)外裝修、門(mén)窗管道埋設(shè)等，保障建筑工程結(jié)構(gòu)安全，節(jié)約工程建造成本。一般而言，常用的建筑材料大多為聚乙烯、聚丙烯、環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂等，但該類(lèi)化合物阻燃防火性能較差，并不能滿(mǎn)足建筑工程使用要求。因此，需對(duì)該類(lèi)高分子物質(zhì)進(jìn)行阻燃性能加強(qiáng)和改造，保證使用安全的同時(shí)，降低建筑材料制造成本[6]。

4.2 工程材料領(lǐng)域中的應(yīng)用

阻燃高分子材料除了在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用，還可進(jìn)一步應(yīng)用于電氣工程、汽車(chē)工程領(lǐng)域，不僅在一定程度上實(shí)現(xiàn)了高分子材料的成本優(yōu)化與控制，而且為電氣工程和汽車(chē)工程的質(zhì)量提升與安全性保障奠定了重要基礎(chǔ)，更極大限度促進(jìn)了高分子材料的使用安全。曾有學(xué)者將三氧化二銻無(wú)機(jī)阻燃劑添加到聚氯乙烯物質(zhì)中，改良升級(jí)得到阻燃性能更加優(yōu)良、用量更小而效果更佳的聚氯乙烯高分子復(fù)合材料，并將其用作電纜材料，有效增強(qiáng)了電纜材料的阻燃性能。也有學(xué)者選擇阻燃性能優(yōu)異的次磷酸鹽和對(duì)苯二甲酸乙二胺的復(fù)合搭配，將其放置于丙烯晴或聚乙烯的三元共聚物中，得到性能優(yōu)秀的難燃高分子結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠應(yīng)用于汽車(chē)工程的方向盤(pán)、后視鏡等的加工制備，為汽車(chē)應(yīng)用安全做出了應(yīng)有貢獻(xiàn)。

4.3 其他領(lǐng)域中的應(yīng)用

隨著當(dāng)代科技的不斷進(jìn)步和高分子阻燃材料研發(fā)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，阻燃高分子材料在電子設(shè)備、新能源設(shè)備甚至通信設(shè)備中的應(yīng)用越來(lái)越普遍，發(fā)揮著越來(lái)越不容忽視的價(jià)值。手機(jī)、電腦、服務(wù)器等基礎(chǔ)電子設(shè)備往往選用高分子樹(shù)脂作為電子覆銅板制備原材料，但實(shí)際使用時(shí)，對(duì)該類(lèi)高分子樹(shù)脂抗剝強(qiáng)度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度甚至阻燃性能等的要求往往較高，有學(xué)者則借助此契機(jī)，選擇阻燃耐火性能良好的雙馬來(lái)酰亞安樹(shù)脂作為有機(jī)基體制備覆銅板，將其應(yīng)用于電子通信設(shè)備領(lǐng)域，為電子設(shè)備的安全使用保駕護(hù)航。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，高分子材料在為我國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供巨大便利的同時(shí)，其易燃性質(zhì)和有毒有害氣體排放特質(zhì)等都在時(shí)時(shí)刻刻威脅著普通民眾的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全。研究、探索、優(yōu)化、改良和創(chuàng)新高分子材料阻燃性大幅度提升的科學(xué)方法，盡可能減少高分子材料燃燒后所釋放的有毒物質(zhì)氣體含量，或避免該類(lèi)有毒氣體、可燃?xì)怏w與周?chē)h(huán)境的接觸，而達(dá)到化學(xué)阻燃和物理阻燃的結(jié)合，將是未來(lái)高分子阻燃材料研究人員面臨的重要課題。