阻燃材料.docx

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阻燃材料

阻燃材料

阻燃材料

1简介

材料的耐燃性通常以其氧指数（OI）来划分。

氧指数在22%～27%的为难燃材料，高于27%为高难燃材料。

二者统称防火阻燃材料。

防火阻燃材料是一种保护材料，它是能够阻止燃烧而自己并不容易燃烧的材料，有固体的如说水泥、钢材、玻璃等材料；有液态的，也简称为阻燃剂，在需防火墙体等各种材料表面上如果涂上阻燃剂，它能保证在起火的时候不被烧着，也不会使得燃烧范围加剧、扩大。

2阻燃机理

2．1凝聚相阻燃机理

这是指在凝聚相中通过延缓或中断固相材料的分解与可燃性气体的产生而达到阻止燃烧的目的。

下面几种情况均属于凝聚相阻燃。

a）阻燃剂在固相延缓或阻止聚合物的热分解，这种热分解可产生可燃性气体以及维持链式反应进行的自由基。

b）在被阻燃固态物质中加入大量的无机填料，此类填料热容较大。

在受热时这类填料可以起到蓄热和导热的作用，因而使被阻燃物不易达到热分解温度。

C）在高温情况下阻燃剂先于被阻燃材料受热分解，吸收大量的热量，防止被阻燃物质温度升高。

工业上大量使用的氢氧化铝及氢氧化镁均属于此类阻燃材料。

d）加有阻燃剂的聚合物在燃烧时其表面生成很厚的多孔炭层，该层可以起到隔热、隔空气的作用，同时可以阻止可燃性气体进入燃烧气相中，中断燃烧反应的进行。

膨胀型阻燃剂是最为典型的此类阻燃材料。

2．2气相阻燃机理

气相阻燃是指在燃烧气相环境中进行的阻燃反应，该类型阻燃材料在气相环境中发挥中断或延缓可燃性气体链式燃烧反应的作用。

下述几种情况的阻燃效果均发生于气相阶段。

a）阻燃剂受热后产生能够捕捉促进燃烧反应链增长的自由基。

广泛使用的卤系阻燃剂即为典型的该类阻燃剂。

b）阻燃剂受热生成能促进自由基结合以终止链或燃烧反应的微粒子。

C）阻燃剂受热分解能释放出大量的惰性气体，从而稀释空气中氧气和由聚合物分解生成的气态可燃性物质的浓度，并带走部分热量，降低可燃气体的温度，致使燃烧终止。

d）阻燃剂受热释放出高密度的蒸气，此蒸气覆盖于可燃性气体上，隔绝其与空气中氧的接触，从而使燃烧窒息。

2．3．中断热交换阻燃机理

这是指将聚合物燃烧产生的部分热量带走而降低被阻燃材料的吸热量，致使被阻燃材料不能维持热分解温度，不能持续提供燃烧赖以进行的可燃性气体，于是燃烧自熄。

例如，以氯化石蜡为阻燃剂时，由于该类阻燃剂可以促进聚合物的解聚或分解，会促进聚合物的熔化，熔融状态的聚合物会带走燃烧过程中产生的大量的热量，从而减少燃烧体系中的热量，但是带走的热量会引燃其他物质，增加火灾的危险性。

3阻燃材料种类及介绍

3．1．卤素阻燃材料

卤素阻燃材料是目前使用最广泛的一类阻燃材料，其特点是含有溴、氯等卤族元素。

其中含有溴的阻燃材料使用量最大。

被阻燃材料中只需要加入少量的卤素衍生物添加剂就可以对耐火耐燃性能有显著地提高。

但是卤素阻燃剂的严重缺点是降低被阻燃聚合物基材的紫外线稳定性，燃烧时生成大量的烟、腐蚀性气体和有毒气体，且卤素阻燃剂一般与氧化锑并用，从而使材料的生烟量与有毒气体生成量更大。

在对材料的阻燃研究和应用过程中，人们也逐渐意识抑制火灾烟雾的重要性；对有些材料而言，抑烟甚至比阻燃更为重要，如广泛应用的PVC材料。

此外，燃烧产生的浓烟还极大的妨碍了消防救助工作展开。

多溴二苯醚及其阻燃的高聚物热裂解和燃烧产物中含有致癌物四溴代双苯并二嗯烷（PBDD）和多溴代苯并呋喃（PBDF），会对自然生态环境造成无法弥补的伤害。

3．2．无卤阻燃材料

无卤阻燃剂的品种繁多。

目前主要使用的是磷（膦）酸酯，红磷等磷系阻燃剂和氢氧化铝、氢氧化镁等无机盐阻燃添加剂。

a）无机盐阻燃剂

氢氧化镁、氢氧化铝等无机阻燃剂集阻燃、抑烟、填充三大功能于一身，该类物质无毒、无腐蚀、稳定性好、高温下不产生有毒气体，且来源广泛，日益受到人们的青睐。

该类化合物的阻燃机理为冷阱效应，高温时氢氧化物受热分解，吸热大量热量，降低火焰温度；同时分解释放出水蒸气，可以起到稀释可燃气体的作用；分解后生成的金属氧化物具有极高的比表面积，可吸收烟和可燃挥发物质，同时可覆盖在材料表面，形成保护层延缓或阻止燃烧的进行。

氢氧化铝和氢氧化镁均为白色粉末。

氢氧化铝开始脱水温度200℃，氢氧化镁开始脱水温度340℃．氢氧化镁热分解温度比氢氧化铝高出140℃，可以使添加氢氧化镁的合成材料能承受更高的加工温度，利于加快挤塑速度，缩短模塑时间，同时亦有助于提高阻燃效率。

由于氢氧化镁和氢氧化铝相比具有更多优点，因此氢氧化镁消耗量也越来越大。

氢氧化镁和同类无机阻燃剂相比，具有更好的抑烟效果，在生产、使用和废弃过程中均无有害物质排放，且还能中和燃烧过程中产生的酸性与腐蚀性气体。

但该类阻燃剂存在的最大问题是要求的有效含量高。

氢氧化铝和氢氧化镁作为阻燃剂单独使用时，用量一般在整体材料总质量的40％～60％，这严重影响了材料的同质性和机械性能。

阻燃剂在被阻燃材料中如何实现均匀分散成为加工过程中最为重要的问题。

b）磷系阻燃剂

按其性质可分为无机磷系阻燃剂、有机磷系阻燃剂。

无机磷系阻燃剂主要包括聚磷酸铵、磷酸盐和红磷等。

聚磷酸铵通常简称为APP，是一种无机阻燃剂，APP应用十分广泛，可用于阻燃塑料、纤维、橡胶、纸张、木材等。

APP的另外一个重要用途是作为酸源，与炭源以及气源并用，组成膨胀系阻燃体系。

磷酸盐系列阻燃剂是主要包括磷酸氢二铵、磷酸氢二钠、磷酸锂、磷酸钠、磷酸镁以及磷酸锑等。

红磷是一种阻燃性能优良的无机阻燃剂，阻燃效率高，与其他阻燃剂相比，达到相同的阻燃级别所需添加量少，因而对材料的物理、机械性能影响小。

其阻燃机理为：

红磷受热分解，形成极强脱水性的偏磷酸，从而使燃烧的聚合物表面炭化，炭化层一方面可以减少可燃气体的释放，另一方面还有吸热作用。

此外，红磷与氧形成的自由基进入气相后，可以捕捉大量的自由基，中断自由基链式反应。

但普通红磷容易吸

潮氧化，红磷在氧化时释放出剧毒的磷化氢气体，且普通红磷与塑料相容性差，在塑料中难以达到均匀分散。

另外红磷的颜色也限制了其在高聚物材料中的利用。

有机磷系阻燃剂是与卤素阻燃剂并重的有机阻燃剂，主要由磷酸酯、膦酸酯、杂环类等。

有机磷系阻燃剂有阻燃和增塑双重功效，可以使阻燃剂完全实现无卤化，并改善塑料在成型过程中的流动性能，产生较少的毒性气体和腐蚀性气体。

有机磷系阻燃剂的阻燃机理为：

含磷化合物受热分解出酸性物质，这种酸具有脱水作用，纤维材料在酸的作用下脱水碳化形成致密炭层，而发挥阻燃效果。

一般过程为磷化物一磷酸一偏磷酸一聚偏磷酸，生成的磷酸层形成不挥发的保护膜将氧隔离从而达到阻燃目的。

聚偏磷酸引起织物脱水反应，使织物生成碳质的皮膜，加速燃烧碳化，发挥阻燃效果。

因为磷酸酯有机磷系阻燃剂与基体材料的相容性好，兼有阻燃和增塑的功能，因而在有机磷系阻燃剂中应用最为广泛。

但是有机磷系阻燃剂多为液体，具有挥发性大、流动性强、发烟量大、热稳定性较差等缺点，因而其应用受到一定限制。

C）氮系阻燃剂

氮系阻燃剂常见的有三聚氰胺（MA）及其衍生物。

该类阻燃剂毒性低、阻燃效率高、耐热性能良好。

含氮化合物分解时，产生的气体腐蚀性小，经过氮系阻燃剂整理的高分子材料发烟量低，表现出很好的抑烟效应。

其阻燃作用表现为在达到分解温度时，释放出C02、HN3、N2及H20等气体。

这些非可燃性气体一方面降低了空气中氧和可燃性气体的浓度，使得燃烧速率减慢；另一方面，这些气体带走了一部分热量，降低了聚合物表面温度，从而达到阻止燃烧的目的。

d）磷一氮系阻燃剂

磷一氮系阻燃剂同时含有氮和磷两种元素，且不含卤素，不需要氧化锑为协效剂，其具有无卤、低烟、低毒、阻燃效率高等优点。

当含有这类阻燃剂的聚合物受热时，表面能生成一层均匀的碳质泡沫层，起到隔热、隔氧、抑烟的作用并可以防止熔滴现象的产生，因而具有良好的阻燃性能。

膨胀型阻燃体系一般由三部分组成：

酸源（脱水剂）、炭源（成炭剂）和气源（发泡剂）。

膨胀型阻燃及阻燃机理为：

在较低温度下，由酸源释放出能酯化多元醇和可作为脱水剂的无机酸：

在稍高的温度下，无机酸与多元醇进行酯化反应，体系处于熔融状态：

在反应过程中产生的水蒸气和由气源产生的不燃性气体使己处于熔融状态的体系膨胀发泡，与此同时，多元醇和酯脱水炭化，形成无机物及炭残余物，且体系进一步膨胀发泡，最终形成多孔泡沫炭层。

这层泡沫具有良好的隔热、隔氧和抑烟的作用，具有良好的阻燃性能。

4．阻燃加工方法

针对于纤维及纺织品使用的阻燃方法，按照其生产过程和阻燃剂的引入方法，大致可以分为织物阻燃整理和纤维阻燃整理两大类加。

4．1．织物阻燃整理

织物阻燃整理是通过吸附沉积、化学键合、非极性范德华力及粘合等作用使阻燃剂固着在织物或纱线上而获得阻燃效果。

织物阻燃整理的方法主要有以下四种：

a）涂层法：

将阻燃剂混入涂层树脂内，靠树脂的粘合作用使阻燃剂固着在织物表面。

b）浸渍．烘燥法，又称吸尽法，是将织物在阻燃液中浸渍一定时间后，再干燥焙烘使阻燃液被纤维集合体吸收。

C）浸轧焙烘法，这种方法的处理过程为浸轧一预烘一焙烘一后处理，是阻燃整理工艺中应用广泛的一种工艺。

浸轧液一般由阻燃剂、催化剂、树脂、润湿剂和柔软剂组成，再配成水溶液或乳液对织物进行整理。

d）有机溶剂法，该法是使用非水溶性的阻燃剂，其优点是阻燃整理时的能耗低。

但需要注意溶剂的毒性和燃烧性。

织物阻燃整理法，整理工艺简单，投资少，见效快，适合于开发新品，是应用最广泛的方法，能满足各种不同阻燃程度的要求。

但往往该方法对织物手感和色光有一定的影响，且阻燃持久性较差，质量不稳定，尽管如此，阻燃整理仍旧经久不衰，新的阻燃整理剂体系和工艺不断出现，发展很快儿。

4．2．纤维阻燃整理

对普通纤维阻燃整理包括共聚法、共混法、接枝改性法以及皮芯复合纺丝法。

a）共聚法。

是将含磷、卤素、硫等阻燃元素的化合物作为共聚单体（反应型阻燃剂）引入成纤高聚物的大分子链中。

然后再把这种阻燃成纤高聚物用熔融或湿法纺丝制成阻燃纤维。

由于阻燃剂与大分子链紧密结合，因而阻燃效果持久。

但该法制作工艺比较复杂，成本较高。

b）共混法。

是将阻燃剂加入纺丝熔体中或浆液中纺制阻燃纤维的方法。

阻燃效果的持久性与阻燃剂的选择有关，如阻燃剂的粒度大小、与纺丝液的相溶性等。

由于共混法生产的纤维中，阻燃剂与大分子间缺乏化学连接，故耐久性不如共聚法。

目前共混法中常把阻燃剂、添加剂、载体混炼造粒制成阻燃母粒，以提高成品的耐久性12。

C）皮芯复合纺丝法。

是以阻燃高聚物为芯，普通聚合物为皮，通过复合纺丝制得纤维。

其特点是纤维稳定性好，强度高，均匀度高，但加工设备复杂，成本高。

d）接枝共聚法。

将普通纤维与含磷或卤素元素的接枝单体进行接枝共聚可得到阻燃效果的纤维。

其工艺流程为：

纤维（预处理）一接枝共聚一洗涤一烘干一阻燃纤维。

接枝法的优点是接枝单体价格便宜，生产成本低，阻燃耐久性好，缺点是接枝后纤维断裂强度降低。