阻燃劑應(yīng)用現(xiàn)狀及面臨問題
前言
隨著科技的進步與社會的發(fā)展，聚合物由于具有質(zhì)輕價廉、化學(xué)穩(wěn)定性好、成型性好以及原料豐富等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于機械、紡織、建筑材料、汽車、電工電子等領(lǐng)域。
然而，大多數(shù)聚合物具有可燃易燃特性，而一旦燃燒，聚合物還會產(chǎn)生熔滴加快火勢蔓延以及產(chǎn)生煙塵和一些有毒氣體，從而造成人員傷亡以及巨大的經(jīng)濟損失。
因此聚合物阻燃技術(shù)一直是人們關(guān)注的問題之一，而且改領(lǐng)域的研究熱度也較高。
圖1 以“阻燃劑”、“阻燃性能”、“阻燃性”或“防火材料”為關(guān)鍵詞的SCI論文數(shù)量統(tǒng)計圖
阻燃劑分類
根據(jù)聚合物阻燃性能的方式，通常分為本征阻燃與添加型阻燃兩種。本征型阻燃的原理是將氮、硅、磷等阻燃元素通過化學(xué)方法添加到聚合物分子鏈中，從而達(dá)到阻燃的效果。添加型阻燃是通過將阻燃劑添加到聚合物中，從而達(dá)到阻燃效果。該方法成本低，阻燃效果好，易于產(chǎn)業(yè)化，目前應(yīng)用較廣。
阻燃劑種類分為鹵素阻燃劑、無機阻燃劑、膨脹型阻燃劑（IFR）和礦物阻燃劑。鹵素阻燃劑阻燃效果好，添加量少，對基體材料力學(xué)性能影響小，分為溴系和氯系阻燃劑；無機阻燃劑可分為金屬氧化物類、金屬氫氧化物類；膨脹性助燃劑在受熱過程中會發(fā)泡膨脹，通常為P、N、C為主要核心成分的復(fù)合阻燃劑；礦物阻燃劑分為普通礦物類、粘土礦物以及可膨脹石墨等等。
圖2 無機阻燃劑-氫氧化鋁阻燃劑
阻燃劑的環(huán)保性
某些阻燃劑如鹵素阻燃劑，在燃燒過程中會產(chǎn)生有毒煙霧，因此鹵素阻燃劑使用越來越少。又比如有機磷酸酯（OPEs），越來越多地用作增塑劑，并被阻燃劑行業(yè)用作受管制的多溴聯(lián)苯醚的替代品。
然而其與有毒有機農(nóng)藥結(jié)構(gòu)及其相似，引起公眾對這些化合物構(gòu)成的風(fēng)險與擔(dān)憂。雖然很少有報道OPE含量達(dá)到風(fēng)險程度，但在少數(shù)研究中發(fā)現(xiàn)某些食品中含量令人擔(dān)憂，特別是某些嬰兒母乳中。
對此世界各大機構(gòu)紛紛研究開發(fā)新品種的阻燃劑及替代品。目前，國內(nèi)外學(xué)者對于環(huán)境友好型無鹵阻燃劑研發(fā)開展大量研究，其中無機阻燃劑、IFR和礦物阻燃劑由于具有環(huán)境友好型和良好阻燃效果成為研究領(lǐng)域熱點。
氫氧化鎂、氫氧化鋁等金屬氫氧化物阻燃劑在受熱分解后會釋放結(jié)晶水并吸收大量燃燒熱，從而降低聚合物表面溫度；此外，脫水生成的金屬氧化物可以催化形成炭層。但是無機阻燃劑只有加入較大量才可以達(dá)到阻燃效果，但這樣又會導(dǎo)致材料力學(xué)性能下降。
而且，無機阻燃劑與聚合物結(jié)合力小，相容性差。IFR環(huán)保，可被用于多種聚合物阻燃，但是其與高聚物相容性差，吸濕性大、熱穩(wěn)定性弱以及阻燃劑分散性差等缺點。而礦物阻燃劑具有環(huán)保無毒、資源豐富、價格低廉等優(yōu)點。其通常是以納米尺度分散在聚合物中，多數(shù)粘土礦物的納米片在二維方向上對聚合物燃燒產(chǎn)生的小分子、可燃蒸汽和放出熱量起到阻隔作用。而提高粘土礦物阻燃效率、減低其添加量、提高其與聚合物界面相容性仍為一種挑戰(zhàn)。
圖3 塑料燃燒產(chǎn)生大量有毒煙塵
提高阻燃劑阻燃效果
提高阻燃劑阻燃效果目前主要有阻燃劑復(fù)配、添加阻燃協(xié)效劑和納米化三種方法。
- 阻燃劑的復(fù)配
單一阻燃劑通常無法達(dá)到理想效果，而可以將多種阻燃劑復(fù)配使其產(chǎn)生協(xié)同阻燃效果。例如，金屬氫氧化物阻燃劑效率低，需要大量添加，降低了聚合物的力學(xué)性能。因此，可以在氫氧化物添加量較小時，復(fù)配其他阻燃劑獲得性能優(yōu)異的阻燃復(fù)合材料。
2.添加阻燃協(xié)效劑
添加阻燃協(xié)效劑也可以有效提高阻燃劑性能。例如為了提高鹵素阻燃劑阻燃效率，降低其使用量，通常加入氧化銻作為阻燃協(xié)效劑；又比如為提高IFR阻燃效率，可以向基體中添加阻燃協(xié)效劑與炭層助劑以提高阻燃效率。對于不同阻燃劑和聚合物基體材料，阻燃協(xié)效劑選用也是區(qū)別對待。常使用協(xié)同效應(yīng)與阻燃效應(yīng)考察阻燃劑與協(xié)效劑之間的協(xié)同效果。
3.阻燃劑納米化
納米顆粒比表面積大、擴散性高以及具有體積效應(yīng)，當(dāng)將納米化阻燃顆粒作為阻燃添加劑中，聚合物阻燃效果會明顯增加。研究表明納米二氧化硅可以顯著降低防火涂層的失重率、炭化指數(shù)、火焰?zhèn)鞑ヂ?、熱釋放率，發(fā)煙率、總發(fā)煙量等等。
此外，納米化后的阻燃劑可提高與聚合物間的界面相容性，有益于提高聚合物的綜合力學(xué)性能。但是若要獲得分散性優(yōu)異的納米聚合物復(fù)合材料，納米阻燃劑容易團聚的問題仍需解決。
圖4 納米二氧化硅
阻燃劑開發(fā)要求
- 減少聚合物力學(xué)性能影響
- 適用聚合物色澤要求的阻燃劑
- 提高抑煙性能優(yōu)秀
- 滿足其他性能要求如熱穩(wěn)定性
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