淺談高分子材料阻燃技術(shù)

摘要：阻燃技術(shù)是一種非常有效的能夠防止火災(zāi)事故發(fā)生的預(yù)防技術(shù)。目前，我國在阻燃材料研究領(lǐng)域還有待進一步深入研究，尤其在材料防火性能上需要進一步優(yōu)化和完善?，F(xiàn)階段，阻燃材料在實際火災(zāi)中會產(chǎn)生大量的煙霧，并產(chǎn)生釋放大量的有毒氣體，而使用高分子材料的阻燃技術(shù)可以最大限度地改善上述情況。本文主要介紹高分子材料阻燃技術(shù)及其應(yīng)用，以供參考。

關(guān)鍵詞：高分子材料；阻燃技術(shù)；阻燃劑

在日常生活中，人們常用的生活用品大多是是塑料、纖維和橡膠等高分子材料制品。而高分子材料具有很高的可燃性和易燃性，在高溫下容易發(fā)生燃燒，并產(chǎn)生大量的熱量。另外，高分子材料在燃燒時，不僅火焰很難撲滅，而且會不斷產(chǎn)生大量的有毒氣體，危害健康。面對這些問題，科研人員深入研究阻燃技術(shù)，研發(fā)了一種可以克服傳統(tǒng)阻燃技術(shù)缺點的新型阻燃材料，通過聚合物聚合，可以降低反應(yīng)的溫度，不會產(chǎn)生有害氣體，避免對人體造成傷害。通過大量的研究，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)，可以利用某些高分子材料達(dá)到很好的阻燃性能。目前，常用的阻燃劑有鹵系、磷系、無機三種，它們在實際的燃燒過程中都具有很好的性能，可以大大增強阻燃效果。

一、高分子材料的阻燃機理

目前，科研人員對阻燃技術(shù)科學(xué)改進，采用高分子材料解決處理防火弊端及劣勢，這種基于高分子材料的阻燃技術(shù)有著嚴(yán)格的科學(xué)依據(jù)。在使用時，高分子材料的阻燃技術(shù)表現(xiàn)出良好的阻燃效果。它的作用是在高分子材料的結(jié)構(gòu)和組成發(fā)生改變時，形成一層保護膜，從而防止處在燃燒環(huán)境中的材料被燒毀。在分析阻燃技術(shù)的具體使用機制時，可以從兩個方面展開討論。這也是阻燃的關(guān)鍵因素：一方面是隔絕氧；另一方面是降低燃燒環(huán)境的溫度。

凝聚相阻燃機理是應(yīng)用在氧氣隔離中的有效手段，科研人員發(fā)現(xiàn)在這種材料的燃燒過程中會產(chǎn)生眾多細(xì)小分子，而這些細(xì)小分子一旦產(chǎn)生就會發(fā)揮良好的阻燃作用，在燃燒反應(yīng)發(fā)生時能夠中斷其鏈?zhǔn)椒磻?yīng)從而使材料的熱分解溫度得到顯著的提升。而且在燃燒時，大量的水汽與阻燃高分子材料中的氫、氧混合在一起，形成大量的水霧，將燃燒材料的表面包裹，從而達(dá)到理想的阻燃效果。這種水霧還可以有效降低燃燒材料的溫度，將材料中的孔隙完全封閉，從而達(dá)到更好的隔絕效果。在實際的阻燃中，凝聚相具有四種不同的阻燃方式：一是在燃燒時會產(chǎn)生一些惰性氣體，影響火焰的燃燒。二是多碳?xì)饪卓梢栽趯嶋H的阻燃過程中生成，從而達(dá)到阻燃的目的。三是這種材料在燃燒時會吸收大量的熱量，導(dǎo)致材料的表面溫度下降。四是無機分子的高比熱容，可以在燃燒時分子與分子之間發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而達(dá)到理想的阻燃效果。

二、高分子材料阻燃技術(shù)的意義

目前，高分子復(fù)合材料是一類新型的復(fù)合材料。它在克服了以往復(fù)合材料在應(yīng)用與功能上存在的缺陷的同時，也為技術(shù)創(chuàng)新提供了全新挑戰(zhàn)，而阻燃技術(shù)便是其中關(guān)鍵的一種。高分子材料分為塑料、橡膠、纖維等幾類。它們的組成元素是氫氣，因此，高分子材料很容易與氧等活性氣體發(fā)生反應(yīng)，快速燃燒并產(chǎn)生大量的氣體，甚至引起爆炸。由于高分子材料組成元素不同于普通的火柴燃燒等形式，高分子物質(zhì)在燃燒時產(chǎn)生巨量的有毒氣體，并且很難完全熄滅，這對自然環(huán)境及人們的健康都將產(chǎn)生極大的危害。因此，科研人員必須認(rèn)真分析和研究高分子材料的阻燃技術(shù)。

三、高分子材料阻燃劑的分類

（一）無機阻燃劑

無機阻燃劑的應(yīng)用機理是利用燃燒過程中將無機化合物升溫，使其產(chǎn)生水汽，從而形成一層保護膜，起到隔絕氧氣的作用，同時還可以吸收大量的熱量，降低燃燒溫度。在實際的燃燒情況下，無機阻燃劑會產(chǎn)生大量的水。在高溫的情況下，無機阻燃劑會產(chǎn)生更多的水，這些水能在一定程度上吸收周圍的熱能，進而揮發(fā)為水蒸氣，從而極大地降低周圍可燃環(huán)境的溫度，實現(xiàn)阻燃效果。另一種常用的阻燃材料，可以在燃燒時與氧氣進行氧化還原反應(yīng)，生成一種新型的化合物。這種新型的化合物可以在一定程度上保護材料的表面，有效隔絕空氣中的氧氣。例如，三氧化鋁是一種常用的阻燃材料，通過燃燒可以在材料的表面形成一層非常精細(xì)的氧化物膜，在燃燒時可以起到很好的阻燃作用，也可以防止有害氣體排放，在防火工作中得到廣泛的應(yīng)用。

（二）鹵素阻燃劑

在元素周期表上，鹵系元素具備極其良好的阻燃性能。例如，在日常生活中常見的一種鹵系元素所組成的化合物，就是空調(diào)中的氟利昂。它本身就是一種極易揮發(fā)的物質(zhì)，在物質(zhì)中分別添加氟元素和氯元素，通過比較兩種物質(zhì)的沸點，可以很清楚地看出，含氟的物質(zhì)的沸點要比含氯的物質(zhì)沸點低得多。在眾多化合物中，如果含有三個氯分子，那么標(biāo)準(zhǔn)沸點則處在61.2℃，而如果在眾多化合物中包含三個氟分子則標(biāo)準(zhǔn)沸點就會處在極低的-128℃，可見含氟化合物具有效果顯著的阻燃性能。鹵系元素的物理和化學(xué)性能就會變得非常穩(wěn)定，并且與多種高分子材料有著很好的兼容性，可以讓它在燃燒環(huán)境下保持非常穩(wěn)定，不容易產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。由于這些優(yōu)異的性能，鹵系阻燃劑得到了廣泛的應(yīng)用。

（三）磷系阻燃劑

磷系阻燃劑利用元素周期表中的磷元素阻燃，其中常見的磷有白磷、紅磷、亞磷酸酯等。它們的主要作用是在燃燒時形成一層碳薄膜，這層碳薄膜不但可以對冷卻燃燒材料，而且可以隔絕空氣中的氧氣，從而起到很好的阻燃作用?？蒲腥藛T經(jīng)過大量研究發(fā)現(xiàn)，紅磷與白磷的混合使用，阻燃性能比單獨使用紅磷、白磷時效果好。白磷在燃燒過程中產(chǎn)生的五氧化二磷和紅磷燃燒釋放出的白色煙霧是阻燃的主要物質(zhì)。白磷、紅磷可以用來制造一種叫作次磷酸的阻燃劑。次磷酸在燃燒時會發(fā)生強烈的氧化還原反應(yīng)，生成非助燃的氣體如磷酸氫和氫氣。另外，這種非助燃的氣體和空氣混合在一起，可以大幅度地降低氧氣的濃度，間接減少材料的表面和氧氣的接觸，從而達(dá)到很好的阻燃效果。

四、高分子材料阻燃技術(shù)的應(yīng)用

（一）碳納米管阻燃

納米復(fù)合阻燃材料是以納米材料為核心。納米材料的研究為相關(guān)行業(yè)的發(fā)展提供了很大的可能性，尤其納米技術(shù)的應(yīng)用給高分子阻燃材料的應(yīng)用帶來全新的契機?？茖W(xué)研究已經(jīng)證實，把納米結(jié)構(gòu)加入高分子物質(zhì)中能夠改善物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到阻燃效果。納米添加劑的種類很多，其中碳納米管、石墨、硅酸鹽等在高分子材料中的應(yīng)用較為廣泛。碳納米管有特殊的結(jié)構(gòu)，具有更高的機械、電和熱性能，可被視為富勒烯。由沿矢量方向卷曲石墨360構(gòu)成的封閉管可與其他阻燃劑一起使用，能夠顯著提高材料的阻燃效果。與傳統(tǒng)材料相比，硅酸鹽阻燃劑具有良好的綜合性能，并改善材料的物理性能，包括阻燃性、機械性能和熱穩(wěn)定性。在硅酸鹽改性中，常采用有機陽離子改善其表面性質(zhì)，改善其與高分子的兼容性，改善其應(yīng)用效果。石墨阻燃劑在電極材料、生物、電子傳感器等方面都具有很高的穩(wěn)定性，有很好的應(yīng)用前景。在聚合物中添加適當(dāng)?shù)挠袡C蒙脫石和PS物質(zhì)，可以制備具有良好阻燃效果的PS/OMMT。在配制時，需要多次調(diào)整配比，使兩種物料的配比更合理，能夠迅速減少物料在燃燒時的熱量釋放，防止局部熱量回饋，從而有效減少火災(zāi)的發(fā)生。該技術(shù)在汽車行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

在聚合物材料的燃燒技術(shù)中，微膠囊技術(shù)非常重要。該技術(shù)基于已有的單壁碳納米管結(jié)構(gòu)，并已被廣泛應(yīng)用。微膠囊工藝是把無機阻燃物放入納米膠囊中，材料主要是自然高分子材料，也就是纖維素和蛋白質(zhì)及其高分子復(fù)合材料。如果聚合物材料燃燒，由此產(chǎn)生的高溫使含有阻燃劑的微膠囊熔化，而正阻燃劑則逃離微膠囊停止燃燒。該技術(shù)更加精確，而且不會影響到其他材料的防火性能。在制備微囊時，技術(shù)人員必須重視微囊壁厚度、體積大小等方面的因素，并對細(xì)節(jié)進行嚴(yán)格的控制，以改善材料的防火性能。

在選擇膠囊殼材質(zhì)時，多數(shù)選擇的高分子材質(zhì)，包括天然橡膠、天然纖維素、蛋白質(zhì)等。這些外殼的特殊材質(zhì)，能夠保證膠囊的外殼在熔化的過程中沒有排放有害的氣體，并且沒有出現(xiàn)可以繼續(xù)增加不良反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)。同時，這種物質(zhì)更加易于收集，能夠有效維護生態(tài)安全。

（二）化學(xué)反應(yīng)技術(shù)

化學(xué)反應(yīng)技術(shù)主要是通過共聚、結(jié)合和連接來實現(xiàn)的。這種方法可以將阻燃元素或基板通過相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)入高分子材料的主鏈或側(cè)鏈中，然后用高分子防火材料取代高分子易燃材料?，F(xiàn)在，人們普遍采用的技術(shù)是利用射線對高分子物質(zhì)進行輻射，這樣可以使物質(zhì)中的分子鏈相互交叉，降低在燃燒和熔融時產(chǎn)生的不良現(xiàn)象。高分子材料能夠提高碳化物生成的概率，從而實現(xiàn)阻燃效果。采用普通的聚苯乙烯后，可以大幅度地降低燃燒速率，不會產(chǎn)生熔膠的問題，在其表面形成高濃度碳層，包裹內(nèi)塑料。該技術(shù)不需要引爆劑和催化劑，可以在一定的環(huán)境溫度下進行化學(xué)反應(yīng)，不會引起污染。該技術(shù)不但使高分子的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)發(fā)生了變化，而且使其應(yīng)用領(lǐng)域得到擴展，并推動新技術(shù)產(chǎn)生。

（三）共聚、交聯(lián)與接枝技術(shù)

共聚、交聯(lián)和接枝技術(shù)是通過化學(xué)反應(yīng)來實現(xiàn)的，因此，這一系列技術(shù)被稱為阻燃化學(xué)反應(yīng)技術(shù)。材料是一個龐大而又復(fù)雜的體系，是由一系列的原子和各種化學(xué)鍵結(jié)合而成的。微小的原子之間的差別，或者是化學(xué)鍵的改變，都有可能使材料的特性發(fā)生變化。因此，改變聚合材料的易燃、易爆特性，可將一個側(cè)鏈替換掉。盡管這一轉(zhuǎn)變對化學(xué)知識、硬件設(shè)備的需求較大，但在實踐中取得了較好的效果。交聯(lián)防火涂料技術(shù)通過對聚合物進行一定的輻射，使聚合物材料在一定時期內(nèi)發(fā)生不可預(yù)見的人為改變，從而增強其易燃和爆炸特性，但是輻射具有很大的危險性和不可控制性。不過，只要試驗成功，就可以在小范圍的應(yīng)用，同時要保證這項技術(shù)在實際應(yīng)用之前的穩(wěn)定性。

五、高分子材料阻燃技術(shù)的研發(fā)動向分析

當(dāng)今的企業(yè)正朝著現(xiàn)代化方向邁進，唯有順應(yīng)時代的發(fā)展潮流，方能生存與發(fā)展。阻燃劑生產(chǎn)商改良磷酸鹽等化學(xué)成分，使阻燃劑的安全性得到改善。雖然阻燃劑的性能未發(fā)生改變，但是安全性已經(jīng)有了很大的提高。隨著科技的飛速發(fā)展，阻燃產(chǎn)品的使用范圍越來越廣，發(fā)展勢頭也越來越好。關(guān)于材料燃燒產(chǎn)生的有毒氣體，改變傳統(tǒng)分子結(jié)構(gòu)，提高材料對氣體的吸附能力，吸收有毒氣體。阻燃劑的大量應(yīng)用與我國合成材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)，我國的阻燃產(chǎn)品的研制與應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到一個新的高度。由于以往技術(shù)水平的限制，沒有氣體吸附能力物質(zhì)燃燒所釋放的有害氣體，對人們的生命與健康構(gòu)成威脅。隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷進步，新型阻燃劑已經(jīng)具備了新的性能優(yōu)勢。目前，人們對阻燃材料的耐熱性能和耐輻照性能的研究日益增多。在未來，阻燃劑將具有更加優(yōu)良的作用。

六、結(jié)語

總之，高分子材料阻燃技術(shù)在很多方面都具有優(yōu)勢，也是一種重要的防火技術(shù)。近年來，隨著我國消防工作的全面開展，防火需求越來越高，耐火材料的大量涌現(xiàn)，取得了較好的成效，但材料阻燃技術(shù)實踐經(jīng)驗不足，需要繼續(xù)發(fā)展和開拓。目前，國內(nèi)外科研人員主要從事的領(lǐng)域有接枝、交聯(lián)、膨脹、納米技術(shù)等方面的研究，可以有效解決傳統(tǒng)的防火技術(shù)中存在的煙塵、毒氣等問題，從而保證阻燃效果。在此基礎(chǔ)上，我國的阻燃技術(shù)工作者將繼續(xù)致力于高分子材料阻燃技術(shù)領(lǐng)域的研究，以促進其長期、穩(wěn)定發(fā)展。

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