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 20  专注高分子材料

抗紫外线、抗黄变

阻燃剂的阻燃原理、主要种类,及科学认识阻燃剂的环保性

     

       阻燃剂用于提高分子材料抗燃性,通过提高分子材料着火点,或者降低材料燃烧速度,从而增加救援时间,挽救生命,减少损失。按结构分,阻燃剂可分为大分子聚合型和小分子类阻燃剂;按照使用方法,可分为添加型阻燃剂和反应型阻燃剂;按照材料内是否含有卤素,可分为卤素阻燃剂和无卤阻燃剂。添加型阻燃剂多用于热塑性高分子材料,与材料中其他组分不发生化学反应,只以物理方式存在于高分子材料中;反应型阻燃剂则多用于热固性高分子材料,参与合成高分子材料的化学反应,成为高分子材料的结构单元。

       根据燃烧的三大要素—可燃物、助燃物和火源,阻燃剂的阻燃原理可概括为以下四种。

       一、通过吸收热量达到阻燃。如无机阻燃剂氢氧化铝高温分解,放出结晶水,结晶水蒸发为水蒸气。此过程会吸收大量的热,降低材料表面的温度,进行阻燃。

       二、通过产生不燃气体稀释氧气,减缓燃烧速度。如氢氧化铝阻燃剂产生的水蒸气能降低材料周围氧气的浓度,抑制火势的蔓延。

       三、在材料表面形成密实的覆盖层,隔绝材料与氧气的接触。如磷系阻燃剂在高温条件下会变成结构更加稳定的交联状固体物质或碳化层包裹住材料,阻止继续燃烧。

       四、捕捉参与燃烧反应的自由基,抑制自由基链式反应。如溴阻燃剂在高温条件下,高分子材料受热分解时,溴阻燃剂与热分解产物同时进入到气相燃烧区,捕捉气相燃烧区中的自由基,抑制自由基链式反应,从而阻止火焰传播。

       按照大类划分,阻燃剂可分为含卤阻燃剂和无卤阻燃剂。二者最大的区别是前者含有卤素,而后者不含卤素。然而无卤并非绝对的不含卤素,而是根据其含量的多少来定义的。无卤的定义是溴、氯小于900ppm,溴氯总含量小于1500ppm。卤化阻燃剂主要指溴化阻燃剂和氯化阻燃剂,其中,溴化阻燃剂是目前使用最多、应用最广的阻燃剂。大多数阻燃材料含有卤素。卤化阻燃剂具有添加量少、阻燃效果显著、价格低廉的特点。在添加阻燃剂中,卤素元素与高分子材料具有良好的相容性,对材料本身的物化性质不会造成影响。但与此同时,我们也不能忽略个别溴化阻燃剂。如六溴环十二烷,在燃烧过程中会释放大量的烟以及毒性气体,给灭火、逃离和恢复工作带来困难。

       在卤化阻燃剂面临诸多争议时,我们需了解下列事实。

       一、溴系阻燃剂在全球范围仍广泛使用,目前的溴化阻燃剂多达70多种。欧盟和许多国家授权清单和候选清单上只有包含六溴环十二烷在内的2~3种卤化阻燃剂。绝大多数溴系阻燃剂经过严格评估证明对人体及环境无害,有一些溴化阻燃剂,如四溴双酚A的毒性比食盐还低。

       二、正确操作条件下,溴系阻燃剂的使用和回收利用过程不会对外界产生新的危害气体,且可回收性优于其他阻燃体系。溴系阻燃剂具有广泛适用性,几乎适用于所有需要阻燃的材料。

       无卤阻燃剂包括磷系阻燃剂、膨胀阻燃剂、无机阻燃剂、含硅阻燃剂和生物基阻燃剂。无卤阻燃剂种类多,但其面临一个共同的问题,那就是难以达到良好的阻燃效果,且对材料的力学以及加工性能有影响。所以,卤化阻燃剂和无卤阻燃剂各有其优缺点,人们在选用阻燃剂时,应全面考虑被阻燃基材的结构、使用环境以及回收利用等方面。无卤阻燃剂大多含有磷元素和氮元素。

       一、磷系阻燃剂。磷系阻燃剂分无机磷系阻燃剂和有机磷系阻燃剂,对磷系阻燃剂改性和复配阻燃是其工作的重点。磷系阻燃剂主要在火灾初期材料分解阶段起作用,形成保护膜,隔绝外界的热和空气。

       二、膨胀阻燃剂。膨胀型阻燃剂能有效保护长时间暴露在火焰中的材料。

       三、无机阻燃剂。无机阻燃剂具有良好的热稳定性、阻燃、不挥发、不产生腐蚀性气体、发烟量小等特点,是低卤无卤阻燃体系的主要原料。

       四、含硅阻燃剂。含硅阻燃剂中,Si–O–Si结构稳定,且在燃烧时具有低毒性、防滴落、促进成炭及抑烟性的特点。

       五、生物基阻燃剂。生物基阻燃剂虽然只处于研究的初级阶段,但基于其价格低廉、无毒、资源广的优势,逐渐成为人们关注和研究的热点。

        科学认识阻燃剂的环保性。近几年,无卤阻燃剂越来越受到热捧。很长一段时间甚至现在,“卤素阻燃剂是有毒有害的,无卤阻燃剂是环保的,是未来阻燃剂的发展方向”的错误观点深入人心。阻燃剂“无卤化=环保”的观点靡然成风。事实上,按照国际通用的化学品分类和标签制度,在所有70多种商品化溴系阻燃剂中,只有TBBA(四溴双酚A)和HBCD(六溴环十二烷)两种产品被明确定义为有毒有害。而一些无卤阻燃剂如绝大多数磷酸酯和部分磷酸盐、次磷酸盐本身带有环境有害物质标签。因此,以含有某种化学元素来判断是否环境友好是没有科学依据的。

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