新型高分子材料阻燃剂的研究进展

新型高分子材料阻燃剂的研究进展

摘要：目前，很多高分子材料所具有的阻燃性能不太理想，为了制备高效阻

燃性能的高分子材料，可以借助物理或化学的方法对其进行共混、掺杂或接枝改

性等。阻燃高分子材料一般可以分为本征型和添加型两种。通过分子设计的方法，先制备出含有氮(N)、磷(P)、硅(Si)等原子的可聚合单体，再通过聚合反应将N、P、Si等元素引入聚合物的主链，这是制备本征型阻燃高分子材料通用的方法；

利用物理方法，将阻燃剂添加到没有阻燃性能或阻燃性能比较差的高分子基体中，通过阻燃剂的阻燃效果，使高分子材料的阻燃性能得到很好的改善，这是制备添

加型阻燃高分子材料常用的方法。与前者相比，后者在实际的科学研究和工业化

生产中得到更为深入的探索和广泛的应用。基于此，本篇文章对新型高分子材料

阻燃剂的研究进展进行研究，以供参考。

关键词：新型高分子材料；阻燃剂；研究进展

引言

传统的阻燃剂按照组成分为卤系、磷系、硼系、氮系、氢氧化物等，由于其

添加量较大、部分阻燃剂需要复配才能达到较好的阻燃效果、甚至燃烧会产生有

毒气体，因此寻找一种环境友好型、燃烧无烟无毒、低添加量的阻燃剂显得尤为

重要。高分子材料自发现以来在现代社会中无处不在，由于其出色的耐化学性以

及良好的电绝缘性使得高分子材料在建筑、汽车、电子以及航空航天领域得到广

泛的应用。然而，大多数高分子材料（见表1所示）本质上是可燃的，极限氧指

数（LOI）低，不能通过UL-94燃烧等级测试，它们的大量使用必然会对人类的

生命和财产带来巨大的火灾威胁。因此，用于开发和制造阻燃高分子材料的高效

阻燃剂变得尤为重要。

1高分子材料介绍

近年来，高分子材料发展迅速，在各个工业领域中也发挥着越来越重要的作用。高分子材料为工业、农业以及人类生活提供许多使用广泛、日新月异的新材

料和新产品，它使机械产品从传统的笨重、耗能向安全轻便、经济耐用方向转变。

2超支化聚合物的合成方法

2.1AB2单体的阶梯式聚合

AB2单体法制备超支化聚合物的反应过程不繁琐，产物易控，不会形成气凝胶，但最大的缺点就是单体并不易于制备。由于生产超支化聚合物时，通常须先

生产出单体，AB2单体的生产过程往往必须进行多步骤反应，因此制备纯化的流

程通常都相当复杂，这种缺点也使得AB2单体法的使用范围受到了极大的限制。

将AB2型单体二羟甲基丙酸(DMPA)在环氧氯丙烷(ECH)中反应得到了1-4代聚合物，通过增加HBP（超支化聚合物）反应代数，控制HBP的羟基数量呈指数型增长，在第4代聚合物中得到了含有48个端羟基的HBP，对HBP末端官能团进行改性，可赋予HBP薄膜不同的使用性质。

2.2A2+B3型单体聚合与偶合单体法

A2+B3型单体聚合和偶合单体法就可解决AB2单体聚合中单体的制备比较困

难问题。A2+B3型单体聚合可看成多步反应，反应首先生成AB2类型的单体，然

后AB2类型的单体迅速聚合，生成A2+B3类型单体。A2+B3型单体聚合与AB2单

体聚合的区别在于其很容易产生凝胶，可用来生产高分子质量的超支化聚合物。

而偶合单体法既可得到大量的AB2型单体，又可以避免凝胶的出现，扩大了超支

化聚合物的使用范围。通过典型的A2+B3聚合反应，合成出了新型的超支化阻燃剂，不仅提高了材料的阻燃性能，还提高了材料的韧性。

3新型高分子材料阻燃剂的研究进展

3.1含膨胀型阻燃剂的硼化合物

膨胀型阻燃剂由于具有独特的阻燃机理，最近被众多研究者所关注。而硼化

合物同样被用作不同类型的膨胀型阻燃剂的协效剂。详细解释了ZnB和基于APP

的膨胀型阻燃体系的相互作用。ZnB通过多磷酸链和Zn原子之间的相互作用交联

促进了炭的形成，这增加了可用于与碳化剂进行酯化反应的多磷酸的量。简而言之，硼化合物显示出与各种IFR系统的协同相互作用。硼化合物在达到一定的添

加量时表现出协同相互作用，并且进一步添加硼化合物通常会表现出可燃性降低。硼化合物主要通过提高燃烧后的焦炭量和残留炭的阻隔效应而在凝聚相中发挥协

同作用并且伴随着改善熔滴现象。

3.2含矿物填料的硼化合物

研究者们普遍认为，残留物阻隔效果的提升导致阻燃性能的提升；其中残留

物膨胀水平的增加、“玻璃保护层”的形成和炭层致密性的提升被认为是残留物

阻隔效果提升的可能原因。为了更好地了解EVA聚合物中氢氧化镁ZnB之间的协

同作用，对EVA复合材料进行了流变学研究和固态核磁共振研究。发现ZnB通过

形成“玻璃质”保护层减缓了聚合物的燃烧降解，并且随着添加量的增多有利于

膨胀炭结构的形成。

3.3新型有机硅系阻燃剂

有机硅作为一种新兴的环保高效阻燃剂，具有燃烧速率低、热量释放少、烟

雾生成少、无滴落、加工性好、力学性能优异等优点，被越来越多的学者尝试将

其应用到不同聚合物中进行阻燃。对于有机硅阻燃剂来说，最具代表性的是聚硅

氧烷。一般有机硅中Si-O键的键能大概为452kJ/mol，而聚合物中C-C键的键能

一般为318-352kJ/mol，相比之下，Si-O键具有更好的热稳定性，而聚硅氧烷的

热稳定性会更好。另外，由于聚硅氧烷是聚合物，与高分子基体具有良好的相容

性和较强的界面结合力，这样可以有效降低阻燃成分的迁移概率。燃烧时，有机

硅系阻燃剂所含的有机硅会迁移到材料表面，分子中的-Si-O-键会转化为-Si-C-键，与生成的炭化物一起形成具有隔氧隔热、防止熔滴的复合型炭层，将高分子

基体密封起来，有效阻止可燃性气体向外扩散，达到明显的阻燃效果。

3.4层状双金属氢氧化物阻燃

LDH阻燃即为单相阻燃，将阻燃剂按照一定的比例添加到高分子材料中，之

后通过搅拌、离心、熔融等方式混合在一起，使两者之间分散均匀。将LDH添加

到苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）沥青中，并研发了一种阻燃分析仪

来分析沥青燃烧过程中质量和温度的变化，研究表明低添加量下可以提高沥青的

不可燃等级、对燃烧后的灰烬进行扫描电镜（SEM）测试发现炭层较密集，显著

地提高了其阻燃性能。直接将ZnMgAl-CO3-LDH添加到沥青中来观察其阻燃抑烟

效果，通过锥形量热仪测试、热重分析和残渣分析，研究了添加质量为2%下的沥

青同基质沥青的区别。结果显示，添加2%的LDH可使沥青燃烧的最大烟释放率降

低24.9%、平均热释放速率降低14.3%、以及总烟释放量降低27.0%。分析沥青燃

烧后的残渣，发现添加LDH后的沥青残渣炭层更加完整、致密，并且氧元素和金

属元素增多，可以得知LDH燃烧在沥青表面形成一层金属氧化物来达到阻燃抑烟

的效果。由于单相阻燃效果有限，现在采用更多的方法是将阻燃剂进行改性或与

其他阻燃剂进行复配来达到多个温度段和不同机理的协同阻燃效果。

结束语

为了提高人们生活生产中的安全性，为了节约能源以及促进新兴工业的发展，新型高效、绿色环保阻燃高分子材料的开发势在必行。随着新型阻燃剂品种的大

量出现，一些新的阻技术(如大分子阻燃、纳米阻燃等)也被不断地开发出来，但

今后还应继续加强对阻燃高分子材料的超细化技术、表面改性技术、微胶囊化技

术以及复配协同技术等的研究，实现环境友好型高效阻燃剂在实际生活生产中的

应用。

参考文献