阻燃=不燃？高分子材料如何進(jìn)行阻燃改性？
前言：
阻燃=不燃?
很多不了解阻燃的朋友會(huì)有這樣的概念：阻燃就是讓材料不燃。其實(shí)并非如此，阻燃是在聚合物材料的燃燒過(guò)程中阻止或抑制其物理或化學(xué)變化的速度的過(guò)程。塑料阻燃是由劃分等級(jí)的，塑料阻燃等級(jí)是由HB、V-2、V-1向V-0逐級(jí)遞增的，比V-0等級(jí)高的阻燃等級(jí)還有5V、5VB、5VA。阻燃的等級(jí)如下：
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HB |
厚度<3mm的水平試樣緩慢燃燒，燃燒速度<76mm/min |
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V-2 |
垂直試樣在30秒內(nèi)停止燃燒；允許有燃燒物滴下 |
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V-1 |
垂直試樣在30秒內(nèi)停止燃燒；不允許有液滴 |
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V-0 |
垂直試樣在10秒內(nèi)停止燃燒；不允許有液滴 |
不是阻燃等級(jí)越高越好呢？一般來(lái)說(shuō)，人們會(huì)這么覺(jué)得，而且希望阻燃級(jí)別達(dá)到最高。但是實(shí)際情況并不隨人愿。首先，現(xiàn)有的阻燃測(cè)試方法存在局限性，得到的結(jié)論也是相對(duì)的。再者，一些應(yīng)用條件下，阻燃等級(jí)低的塑料反而要好。例如，在某些電器制品上，要求材料具有抗電弧點(diǎn)燃性，此時(shí)如果使用V-2級(jí)別的塑料會(huì)優(yōu)于V-0等級(jí)的塑料。為什么呢？這是因?yàn)閂-2級(jí)別的塑料不會(huì)在電作用下形成導(dǎo)電而結(jié)焦，從而降低了著火的可能性，V-0等級(jí)塑料反而存在著火可能性。所以實(shí)際應(yīng)用需要綜合考慮。
高分子材料阻燃機(jī)理
聚合物的燃燒是一個(gè)非常激烈復(fù)雜的熱氧化反應(yīng)，具有冒發(fā)濃煙或熾烈火焰的特征。燃燒的一般過(guò)程是在外界熱源的不斷加熱下，聚合物先與空氣中的氧發(fā)生自由基鏈?zhǔn)浇到夥磻?yīng)，產(chǎn)生揮發(fā)性可燃物，該物達(dá)到一定濃度和溫度時(shí)就會(huì)著火燃燒起來(lái)，燃燒所放出的一部分熱量供給正在降解的聚合物，進(jìn)一步加劇其降解，產(chǎn)生更多的可燃性氣體，火焰在很短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)迅速蔓延而造成一場(chǎng)大火。
阻燃劑是通過(guò)若干機(jī)理發(fā)揮其阻燃作用的，如吸熱作用、覆蓋作用、抑制鏈反應(yīng)、不燃?xì)怏w的窒息作用等。多數(shù)阻燃劑是通過(guò)若干機(jī)理共同作用達(dá)到阻燃目的。
1、吸熱作用
燃燒過(guò)程中放出的熱量加熱了原料，使其很快達(dá)到燃點(diǎn)，吸熱阻燃的原理就是材料燃燒過(guò)程中需要吸收大量的熱量，這樣就能減低材料升溫的過(guò)程，這樣氣化的可燃分子裂解的自由基就很難達(dá)到燃點(diǎn)，從而一定程度上抑制了燃燒的進(jìn)行。
如：Al(OH)3阻燃劑的阻燃機(jī)理就是通過(guò)提高聚合物的熱容，使其達(dá)到熱分解溫度前吸收更多的熱量，從而提高其阻燃性能。這類阻燃劑充分發(fā)揮其結(jié)合水蒸汽時(shí)大量吸熱的特性，提高其自身的阻燃能力。
2、覆蓋作用
材料燃燒時(shí)產(chǎn)生的高溫使阻燃劑形成玻璃狀或穩(wěn)定泡沫覆蓋層，隔絕氧氣，這樣就既隔熱、隔氧，又阻止可燃?xì)怏w外逸，從而達(dá)到阻燃的目的。有機(jī)磷腈類阻燃劑受熱時(shí)發(fā)生交聯(lián)或形成碳化層。這樣一方面能阻止聚合物進(jìn)一步熱解，另一方面能阻止其內(nèi)部的熱分解產(chǎn)生物進(jìn)入氣相參與燃燒。
3、抑制鏈反應(yīng)作用
根據(jù)燃燒的鏈反應(yīng)理論，維持燃燒所需的是自由基。阻燃劑可作用于氣相燃燒區(qū)，捕捉燃燒反應(yīng)中的自由基，從而阻止火焰的傳播，使燃燒區(qū)的火焰密度下降，最終使燃燒反應(yīng)速度下降直至終止。
如：含鹵阻燃劑，它的蒸發(fā)溫度和聚合物分解溫度相同或相近，當(dāng)聚合物受熱分解時(shí)，阻燃劑也同時(shí)揮發(fā)出來(lái)。此時(shí)含鹵阻燃劑與熱分解產(chǎn)物同時(shí)處于氣相燃燒區(qū)，鹵素便能夠捕捉燃燒反應(yīng)中的自由基，從而阻止火焰的傳播，使燃燒區(qū)的火焰密度下降，最終使燃燒反應(yīng)速度下降直至終止。
4、不燃?xì)怏w窒息作用
阻燃劑受熱時(shí)分解出不燃?xì)怏w，將可燃物分解出來(lái)的可燃?xì)怏w的濃度沖淡到燃燒下限以下。同時(shí)也對(duì)燃燒區(qū)內(nèi)的氧濃度具有稀釋的作用，阻止燃燒的繼續(xù)進(jìn)行，達(dá)到阻燃的作用。
阻燃劑分類
按阻燃劑和被阻燃材料的關(guān)系，阻燃劑可以分為添加型和反應(yīng)型兩大類。前者只是以物理方式分散于基材中，多應(yīng)用于熱塑性高聚物。后者主要作為單體或者是輔助試劑參與高聚物的合成反應(yīng)，最后成為高聚物的結(jié)構(gòu)單元，多應(yīng)用于熱固性高聚物。
按阻燃元素分類，常用的阻燃劑分為鹵系、磷系、氮系以及鹵-磷系、磷-氮系、銻系、鎂-鋁系、硼系、硅系、鉬系等等。還有一類是膨脹型阻燃劑，它們大多是磷-氮化合物的復(fù)合物；以及一種納米無(wú)機(jī)物，主要是層狀硅酸鹽；后者能與一系列的高聚物構(gòu)成具有阻燃性的高聚物/無(wú)機(jī)物納米復(fù)合材料。
如何選擇阻燃劑
阻燃劑的種類非常多，其阻燃效果也各有千秋。不同聚合物材料選擇阻燃劑不同，但基本的要求是一致的。
1、阻燃效率高，效能/價(jià)格比高；
2、生態(tài)環(huán)保要求嚴(yán)格，故應(yīng)具備下述生態(tài)和環(huán)保特點(diǎn)：
（1）對(duì)人、動(dòng)植物無(wú)害；
（2）難遷移；
（3）熱裂解或燃燒時(shí)釋放出來(lái)的有毒及腐蝕性氣體（包括煙塵）等量要少；
（4）易回收，不惡化或者較小惡化機(jī)械回收產(chǎn)品的性能；
（5）與環(huán)境相容。
3、與被阻燃基材的相容性好；
4、熱穩(wěn)定性好，分解溫度最好在250℃~400℃間為宜；
5、對(duì)被阻燃基材的加工性能和物理機(jī)械性能影響??；
6、具有一定的光穩(wěn)定性；
7、原料來(lái)源充足，價(jià)格可為下游用戶接受。
一個(gè)理想的阻燃劑最好能同時(shí)滿足上述條件，但這實(shí)際上幾乎是不可能的，所以選擇實(shí)用的阻燃劑時(shí)，大多是在滿足基本要求的前提下，在其他要求間折衷和求得最佳的綜合平衡。
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