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        五種高分子材料阻燃劑的阻燃機理及性能

        2021-01-27 已有658人瀏覽 皖燃科技

        阻燃劑是一種賦予易燃聚合物阻燃性的功能添加劑。主要針對高分子材料的阻燃性而設計,通過吸熱、覆蓋、抑制鏈式反應、不可燃氣體窒息等多種機制發揮其阻燃性。大多數阻燃劑通過幾種機理達到阻燃的目的。

        阻燃劑的作用。

        吸熱效應。

        任何燃燒在短時間內釋放的熱量都是有限的。如果火源釋放的一部分熱量能在短時間內被吸收,火焰溫度會降低,輻射到燃燒表面并作用于將汽化的可燃分子裂解成自由基的熱量會減少,燃燒反應會受到一定程度的抑制。

        在高溫下,阻燃劑具有很強的吸熱反應,吸收燃燒釋放的部分熱量,降低可燃材料的表面溫度,有效抑制可燃氣體的形成,防止燃燒擴散。Al(OH)3阻燃劑的阻燃機理是增加聚合物的熱容量,使其在達到熱分解溫度之前吸收更多的熱量,從而提高其阻燃性能。這種阻燃劑在與水蒸氣結合時充分發揮了其吸熱的特性,提高了自身的阻燃能力。

        遮蓋效果。

        阻燃劑在可燃材料中加入阻燃劑后,能在高溫下形成玻璃狀或穩定的泡沫覆蓋層,隔絕氧氣,起到隔熱、隔氧和防止可燃氣體向外逸出的作用,從而達到阻燃的目的。例如有機磷阻燃劑加熱時可以產生結構更穩定的交聯固體物質或碳化層。碳化層的形成一方面可以防止聚合物進一步熱解,另一方面可以防止熱分解產物進入氣相參與燃燒過程。

        連鎖反應的抑制。

        根據燃燒的鏈式反應理論,維持燃燒需要自由基。阻燃劑可以作用于氣相燃燒區,捕獲燃燒反應中的自由基,從而阻止火焰傳播,降低燃燒區的火焰密度,最終降低燃燒反應速度直至終止。例如,含鹵阻燃劑的蒸發溫度與聚合物的分解溫度相同或相近。當聚合物受熱分解時,阻燃劑也會揮發。此時,含鹵阻燃劑和熱分解產物同時處于氣相燃燒區,因此鹵素可以在燃燒反應中捕獲自由基,干擾燃燒的鏈式反應。

        不可燃氣體窒息。

        當阻燃劑被加熱時,它分解不可燃氣體,并將從可燃物分解的可燃氣體濃度稀釋到燃燒下限以下。同時可以稀釋燃燒區的氧氣濃度,阻止燃燒繼續進行,達到阻燃效果。

        絕大多數聚合物是由碳氫化合物和其他元素組成的,它們是高度易燃的。燃燒過程是一個復雜的自由基鏈式反應過程,會釋放出大量的熱能,造成直接破壞,迅速增加火勢。

        五種常見阻燃劑。

        隨著社會的不斷進步和科學的不斷發展,各種高分子材料在各個領域的應用范圍不斷擴大,但火災的危險性和危害性卻大大增加。

        高分子材料的阻燃處理是減少火災的重要措施之一。如何提高高分子材料的阻燃性已成為世界各國科學家迫切需要解決的技術問題之一,也成為制約高分子材料進一步發展的主要瓶頸。

        開發新型聚合物阻燃添加劑以提高阻燃性能已成為一項緊迫的任務。

        無機阻燃劑。

        無機阻燃劑的阻燃效果主要是由于大比容填料的蓄熱導熱性能,使材料難以達到分解溫度,或者通過阻燃劑的熱分解吸收熱量,從而緩解或終止主材料的升溫過程。阻燃機理是加熱時釋放結晶水,蒸發分解釋放水蒸氣。

        這個反應過程需要吸收大量的燃燒熱能,從而大大降低了材料的表面溫度,大大降低了高分子材料熱分解燃燒的幾率。

        鹵阻燃劑

        鹵阻燃劑是目前世界上產量最大的一種有機阻燃劑,其用途主要是含溴和含氯阻燃劑。

        鹵阻燃劑以有機物為主,與主要聚合物材料有較好的相容性,作為阻燃劑的鹵阻燃劑不會對聚合物材料本身的物理化學性質產生重要影響,此外,鹵阻燃劑雖然添加量較少,但能達到極好的阻燃效果。

        鹵素阻燃劑含溴,包括脂肪族、脂環族、芳香族等含溴化合物,常見的是十溴二苯醚、十溴二苯乙烷和四溴雙酚A等,其中以氯化石蠟為主。

        溴和氯的阻燃機制類似:在高溫下,鹵制阻燃劑中的鹵鍵可被切斷,釋放出鹵素自由基,并能有效地捕獲聚合物材料由于受熱降解而形成的自由活性自由基,這可有效地降低自由基的濃度,從而減輕或終止燃燒的自由基鏈式反應。

        鹵系阻燃劑分解后釋放的鹵化氫具有不易燃燒的特性,能有效地阻隔氧氣,同時又能抑制燃燒反應。

        但是,一旦加入鹵系阻燃劑的聚合物燃燒,必然會產生大量的鹵化氫氣體,這種氣體具有毒性和腐蝕性,同時又極易吸收空氣中的水分,形成強腐蝕性的氫鹵酸,并伴隨有大量的煙氣,這些煙氣、有毒氣體和腐蝕性氣體對人體有害,同時也給滅火、撤離和恢復工作造成很大障礙。

        經處理的AI(OH)3型阻燃劑。

        氫氧化鋁又稱三水化氧化鋁(ATH),分子式為Al(OH)3,是最早出現的一種無機阻燃劑,它能與多種物質協同作用,且無毒、無腐蝕。

        氫氧化鋁阻燃劑目前占無機阻燃劑使用總量的80%以上,廣泛應用于高分子塑料制品中。添加氫氧化鋁可降低高分子材料中可燃聚合物的濃度。

        高聚物加熱(約250℃)后,氫氧化鋁發生脫水反應,吸收大量熱能,有效地抑制高聚物的升溫。在此過程中,分解產生的水蒸氣能稀釋燃燒產生的可燃氣體和氧氣濃度,抑制燃燒蔓延。

        另一種金屬氧化物Al2O3(Al2O3)由于具有較高的催化活性,能夠催化聚合物的熱交聯反應,因此在聚合物表面形成一層致密的碳化薄膜,能有效地減緩其燃燒時的傳熱作用,因而具有阻燃作用。

        氧化鋁粉還可以吸附顆粒,起到抑塵作用。一般而言,氫氧化鋁加入量越大,阻燃效果越好,但填充量過大會使聚合物材料的強度等性能明顯下降。

        氫氧化鋁還有另外一個缺點,即分解溫度較低,在245℃~320℃之間會發生脫水反應,所以添加阻燃型強氧化鋁也限制了聚合物材料的加工溫度。

        磷系阻燃劑

        依據磷系阻燃劑的組成和性質,可將磷系阻燃劑分為無機磷系阻燃劑和有機磷系阻燃劑。

        而紅磷、磷酸銨、聚磷酸銨等無機磷系阻燃劑,有機磷阻燃劑包括磷酸酯、亞磷酸酯等。磷系阻燃劑同樣是一種高效、穩定、應用十分廣泛的阻燃劑,其阻燃機理主要是形成隔膜,從而達到阻燃效果。

        有兩種不同的方式形成隔離膜:

        對含氧聚合物的阻燃作用:阻燃劑的熱降解產物可促進聚合物表面的快速脫水碳化,從而形成碳化層。因為單質碳不進行蒸發燃燒和分解燃燒而產生火焰,所以具有阻燃作用。

        內源性化學反應是由含磷化合物熱分解產生的最終產物聚偏磷酸,它是一種強脫水劑。

        磷系阻燃劑在燃燒溫度下分解為不易揮發的玻璃狀物質,它可以包裹在聚合物表面,而這種致密的保護層可以作為隔離層。

        在火災初期,有機磷阻燃劑起作用的階段主要是聚合物材料的分解階段。

        其可促進聚合物材料的脫水炭化,因此聚合物材料不會產生易燃氣體,而且由于不揮發性磷化合物可作為凝結劑,使碳化物形成保護性炭膜,隔離外部空氣和熱量。

        硅系阻燃劑

        硅系阻燃劑包括無機硅和有機硅,其中無機硅主要有二氧化硅、硅膠、硅酸鹽和滑石粉等,這類阻燃劑通常用于填充材料;有機硅阻燃劑是一種新型的無鹵阻燃劑,也是一種成炭抑煙劑,主要指有機硅樹脂、聚硅氧烷(硅油、硅樹脂、硅橡膠及多種硅氧烷共聚物等)、聚硅烷等,其中聚硅氧烷是發展最快的。

        其阻燃機制主要表現為凝結相阻燃機制,即通過生成裂化碳層和提高其抗氧化性能來實現阻燃。

        加入有機硅阻燃劑后,有機硅阻燃劑大部分會遷移到材料表面,在高溫下發生反應,在聚合物表面形成一層含碳硅酸鹽薄膜,可延緩或阻止可燃氣體逸出和自由基的生成。

        此外,阻燃劑還能促進聚合物的成碳作用,從而降低聚合物的降解速率,使其在高溫下不易發生熱分解。

        而硅系阻燃劑受熱時也會發生熱分解反應,這一過程需要吸收大量的熱量,從而可以使阻燃材料的加熱過程減緩或中止。


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