中學階段2種常見阻燃劑的性能分析

但世輝 李茂熾

摘要：分析了中學階段2種常見阻燃劑氫氧化鎂和氫氧化鋁的阻燃機理，通過理論分析和實驗數(shù)據(jù)驗證了二者阻燃效果上的差異，并闡述了造成這種差異的具體原因。

關(guān)鍵詞：阻燃劑;阻燃機理;阻燃率

文章編號：1008-0546（2021）09-0096-02

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2021.09.025

阻燃劑是能夠保護材料不著火或者使火焰難以蔓延的化學物質(zhì)，就其元素的組成來說，中心元素一般分布在周期表第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V、Ⅶ等主族中，比如第ⅣA族的硅元素，人教版必修1教材第四章第一節(jié)實驗4-2就介紹了水玻璃的阻燃性能[1]，其實，由第ⅡA族的鎂元素和第ⅢA族的鋁元素組成的氫氧化鎂和氫氧化鋁也是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的阻燃劑。

一、阻燃劑的阻燃機理

不管是硅酸鈉水溶液還是氫氧化鎂、氫氧化鋁，所有的無機阻燃劑的阻燃機理[2]主要有以下幾個方面：

（1）吸熱作用

阻燃劑在燃燒過程中吸收大量熱量，使燃燒溫度難以上升，從而產(chǎn)生阻燃效果。

（2）覆蓋作用

阻燃劑在高溫下生成穩(wěn)定的覆蓋層，或分解成泡沫狀物質(zhì)覆蓋到材料表面，使材料因熱分解而產(chǎn)生的可燃性氣體難以逸出，同時起著隔熱和隔絕空氣的作用，從而達到阻燃作用。

（3）稀釋作用

阻燃劑在燃燒時產(chǎn)生二氧化碳、水等不燃氣體，使材料受熱分解釋放的可燃氣體被稀釋而達到阻燃效果。

除了以上作用之外，部分阻燃劑還存在脫水碳化作用、捕捉自由基作用等，氫氧化鎂和氫氧化鋁的具體阻燃機理可用表1解釋。

二、阻燃劑阻燃效果的實驗驗證

1.制備阻燃劑

采用劉立華老師探索的方法[3]制備氫氧化鎂：取用2mol/L氯化鎂溶液2mL于試管中，采用20℃的水浴加熱，再加入2mol/L的氨水8mL，制取氫氧化鎂絮狀物，放置一段時間，去掉上層水。同樣方法，制備氫氧化鋁絮狀物。以上制備的關(guān)鍵在于確保最佳氨鎂比為4：1，加熱溫度為20℃。

2.處理木條

采用二次浸漬法[4]處理木條。為保證木條充分吸濕、浸透，將木條在沸水中加熱預處理一小時，烘干，這是對木條的第1次浸漬。將氫氧化鎂絮狀物置于80℃水浴中，放入木條二次浸漬半小時，使阻燃劑能夠更深地進入木條內(nèi)部，更好地包裹在木條表面。同樣操作，用氫氧化鋁絮狀物二次浸漬另一塊外形相同的木條，最后用酒精燈外焰對木條進行加熱，實驗現(xiàn)象見表2。

3.實驗現(xiàn)象說明

實驗過程中各現(xiàn)象出現(xiàn)時間的早晚與阻燃劑制取和木材的處理有很大關(guān)系。實驗過程中產(chǎn)生的白霧是處于木材燃燒的第一個階段：干燥階段，主要是水分蒸發(fā)的過程[5]，表面白色物質(zhì)表明阻燃劑開始分解生成氧化膜（氧化鎂、氧化鋁）。

三、2種阻燃劑的效果分析

2種阻燃劑均屬于氫氧化物阻燃劑，其阻燃機理基本一樣，主要體現(xiàn)在吸熱作用、覆蓋作用和稀釋作用，但在延緩燃燒效果上有較大差異。

1.阻燃率不同

阻燃率是量度阻燃物質(zhì)優(yōu)劣的標準，阻燃率一般用單位質(zhì)量的阻燃劑吸收熱量的多少來表示，阻燃率越高表示阻燃效果越好。因此阻燃率對阻燃機理的影響主要體現(xiàn)在吸熱作用上。

Mg（OH）2（S）=MgO（s）+H2O（g）

△H=+81.5kJ/mol

Al（ OH）3（S）= Al2O3（s）+

H2O（g） △H=+87.7kJ/mol

由此可計算Mg（OH）2、Al（OH）3的阻燃率分別為1.4KJ/g、1.1KJ/g，很明顯，Mg（OH）2的阻燃效果更好。

2.稀釋作用

木材在燃燒過程中的第二個階段（炭化階段）大約出現(xiàn)在230℃～330℃，此時木材開始分解放出甲烷、乙烯、甲醇和木焦油等可燃性氣體，發(fā)生劇烈的有焰燃燒[6]。Al（OH）3的分解溫度大約為200℃，在木材釋放可燃氣體之前已經(jīng)分解，分解生成的水蒸氣對可燃氣體的稀釋作用較小，而Mg（OH）2的分解溫度比Al（OH）3高出100℃，恰好在木材炭化階段分解釋放水蒸氣，可以更好地稀釋可燃性氣體，抑制火災的蔓延。

值得注意的是，工業(yè)產(chǎn)品中起防火作用的是防火涂料，其構(gòu)成較為復雜，主要包括基料、發(fā)泡劑、成炭劑、防火填料等，阻燃劑只是用于制作防火填料，在整個防火涂料的防火功效上只起部分作用。由于氫氧化鎂阻燃劑效果更好，并且其生產(chǎn)原料豐富（我國是海湖鹽資源大國，西部鎂資源尤為豐富），成本低，屬于新型阻燃劑，目前發(fā)展非常迅速。

參考文獻

[1]化學課程教材研究發(fā)展中心.普通高中教科書（化學必修第一冊）[M].北京：人民教育出版社，2019：77

[2] 方志勇.木材的阻燃和防火[J].沈陽教育學院學報，2009（6）：100

[3]劉立華等.氫氧化鎂阻燃劑的制備工藝研究[J].化工科技市場，2009（6）：33

[4]但世輝，陳莉莉.水玻璃阻燃實驗的改進[J].中學化學教學參考，2011（6）：52

[5][6]武紅偉等.硅酸鹽阻燃木材的阻燃性能和熱性能研究[J].化學工程師，2010（10）：11