阻燃=不燃?高分子材料如何进行阻燃改性?

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楼主 2018-06-23 04:57:23
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 前 言

阻燃=不燃?

很多不了解阻燃的朋友会有这样的概念:阻燃就是让材料不燃。其实并非如此,阻燃是在聚合物材料的燃烧过程中阻止或抑制其物理或化学变化的速度的过程。塑料阻燃是由划分等级的,塑料阻燃等级是由HB、V-2、V-1向V-0逐级递增的,比V-0等级高的阻燃等级还有5V、5VB、5VA。


阻燃的等级如下:


HB

厚度<3mm的水平试样缓慢燃烧,燃烧速度<76mm/min

V-2

垂直试样在30秒内停止燃烧;允许有燃烧物滴下

V-1

垂直试样在30秒内停止燃烧;不允许有液滴

V-0

垂直试样在10秒内停止燃烧;不允许有液滴

是不是阻燃等级越高越好呢?一般来说,人们会这么觉得,而且希望阻燃级别达到最高。但是实际情况并不随人愿。首先,现有的阻燃测试方法存在局限性,得到的结论也是相对的。再者,一些应用条件下,阻燃等级低的塑料反而要好。例如,在某些电器制品上,要求材料具有抗电弧点燃性,此时如果使用V-2级别的塑料会优于V-0等级的塑料。为什么呢?这是因为V-2级别的塑料不会在电作用下形成导电而结焦,从而降低了着火的可能性,V-0等级塑料反而存在着火可能性,所以实际应用需要综合考虑。

高分子材料阻燃机理

聚合物的燃烧是一个非常激烈复杂的热氧化反应,具有冒发浓烟或炽烈火焰的特征。燃烧的一般过程是在外界热源的不断加热下,聚合物先与空气中的氧发生自由基链式降解反应,产生挥发性可燃物,该物达到一定浓度和温度时就会着火燃烧起来,燃烧所放出的一部分热量供给正在降解的聚合物,进一步加剧其降解,产生更多的可燃性气体,火焰在很短的时间内就会迅速蔓延而造成一场大火。

阻燃剂是通过若干机理发挥其阻燃作用的,如吸热作用、覆盖作用、抑制链反应、不燃气体的窒息作用等。多数阻燃剂是通过若干机理共同作用达到阻燃目的。

1、吸热作用

燃烧过程中放出的热量加热了原料,使其很快达到燃点,吸热阻燃的原理就是材料燃烧过程中需要吸收大量的热量,这样就能减低材料升温的过程,这样气化的可燃分子裂解的自由基就很难达到燃点,从而一定程度上抑制了燃烧的进行。

如:Al(OH)3阻燃剂的阻燃机理就是通过提高聚合物的热容,使其达到热分解温度前吸收更多的热量,从而提高其阻燃性能。这类阻燃剂充分发挥其结合水蒸汽时大量吸热的特性,提高其自身的阻燃能力。

2、覆盖作用

材料燃烧时产生的高温使阻燃剂形成玻璃状或稳定泡沫覆盖层,隔绝氧气,这样就既隔热、隔氧,又阻止可燃气体外逸,从而达到阻燃的目的。有机磷腈类阻燃剂受热时发生交联或形成碳化层。这样一方面能阻止聚合物进一步热解,另一方面能阻止其内部的热分解产生物进入气相参与燃烧。

3、抑制链反应作用

根据燃烧的链反应理论,维持燃烧所需的是自由基。阻燃剂可作用于气相燃烧区,捕捉燃烧反应中的自由基,从而阻止火焰的传播,使燃烧区的火焰密度下降,最终使燃烧反应速度下降直至终止。

如:含卤阻燃剂,它的蒸发温度和聚合物分解温度相同或相近,当聚合物受热分解时,阻燃剂也同时挥发出来。此时含卤阻燃剂与热分解产物同时处于气相燃烧区,卤素便能够捕捉燃烧反应中的自由基,从而阻止火焰的传播,使燃烧区的火焰密度下降,最终使燃烧反应速度下降直至终止。

4、不燃气体窒息作用

阻燃剂受热时分解出不燃气体,将可燃物分解出来的可燃气体的浓度冲淡到燃烧下限以下。同时也对燃烧区内的氧浓度具有稀释的作用,阻止燃烧的继续进行,达到阻燃的作用。

阻燃剂分类

按阻燃剂和被阻燃材料的关系,阻燃剂可以分为添加型和反应型两大类。前者只是以物理方式分散于基材中,多应用于热塑性高聚物。后者主要作为单体或者是辅助试剂参与高聚物的合成反应,最后成为高聚物的结构单元,多应用于热固性高聚物。

按阻燃元素分类,常用的阻燃剂分为卤系、磷系、氮系以及卤-磷系、磷-氮系、锑系、镁-铝系、硼系、硅系、钼系等等。还有一类是膨胀型阻燃剂,它们大多是磷-氮化合物的复合物;以及一种纳米无机物,主要是层状硅酸盐;后者能与一系列的高聚物构成具有阻燃性的高聚物/无机物纳米复合材料。

如何选择阻燃剂

阻燃剂的种类非常多,其阻燃效果也各有千秋。不同聚合物材料选择阻燃剂不同,但基本的要求是一致的。

1、阻燃效率高,效能/价格比高;

2、生态环保要求严格,故应具备下述生态和环保特点:

(1)对人、动植物无害;

(2)难迁移;

(3)热裂解或燃烧时释放出来的有毒及腐蚀性气体(包括烟尘)等量要少;

(4)易回收,不恶化或者较小恶化机械回收产品的性能;

(5)与环境相容。

3、与被阻燃基材的相容性好;

4、热稳定性好,分解温度最好在250℃~400℃间为宜;

5、对被阻燃基材的加工性能和物理机械性能影响小;

6、具有一定的光稳定性;

7、原料来源充足,价格可为下游用户接受。

一个理想的阻燃剂最好能同时满足上述条件,但这实际上几乎是不可能的,所以选择实用的阻燃剂时,大多是在满足基本要求的前提下,在其他要求间折衷和求得最佳的综合平衡。

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