阻燃剂及其阻燃机理的研究现状

马雅琳:女,1982年生,硕士研究生,研究方向为功能化高分子材料 胡国胜:联系人,教授,博士生导师 E mail:hug uosheng @

阻燃剂及其阻燃机理的研究现状

马雅琳,王标兵,胡国胜

(中北大学高分子与生物工程研究所,太原030051)

摘要 近来关于阻燃剂及其阻燃机理越来越受人们的关注。综述了卤系、磷系、氮系、铝镁系、粘土类和膨胀石墨阻燃剂在高分子材料中的阻燃机理及其研究现状,并提出了增加复合材料在燃烧过程中的成炭倾向是今后聚合物阻燃设计的新思路。

关键词 阻燃剂 阻燃机理 现状 展望

The Current Study on Flame Retardants and Their Flame Retardant Mechanism

M A Yalin,WANG Biaobing,HU Guosheng

(I nstitute o f M acromo lecules &Bioengineer ing o f No rth U niv er sity of China,T aiyuan 030051)

Abstract T he inv est igat ions on the f lame retar dants and their flame retar dant mechanism hav e be dr awn in

cr easing attentions recent ly.T he flame r etardant mechanisms of halog enate flame r etardant ,pho sphor ous f lame retar d ant,nitro gen flame r et ardant,A l(OH )3and M g (OH )2flame retar dant,cla y flame retar dant and ex pandable g raphite flame r et ardant used in polymer s and their current study are review ed in detail.Finally ,a nov el idea for the design of flame r et ardant,that is to say ,to incr ease the charring tendency dur ing the burning of composite materials,is put forward.

Key words flame retar dant,f lame retar dant mechanism,char ring tendency ,r eview

0 前言

高分子材料广泛应用于工业生产及人们的生活中,高层建筑、室内装潢、电器、汽车以及煤矿井下的传送带等所涉之处皆有高分子材料的存在。但是,大多数高分子材料都有一个致命的缺点,即在高温下易分解、燃烧。它们的氧指数大多都小于21,而空气中的氧含量为21%,所以,只要遇到火源,大多数高分子材料都会在空气中被点燃[1],继而燃烧,其熔融滴落物还可以引燃其他可燃物。另外,高分子材料燃烧时受热分解所放出的毒气、黑烟对人们的生命安全更是造成巨大的威胁与伤害。因而,高分子材料的阻燃问题越来越引起人们的关注,尤其是政府部门对火灾安全的重视,在过去的40年中,积极开发和研究新的高分子阻燃材料及其阻燃机理成为广大学者的重点工作之一。按阻燃剂在塑料中是否参加聚合反应,分为添加型和反应型两类[2],目前使用量最多的是添加型阻燃剂,据报道每年添加到商品化阻燃高分子材料中的阻燃剂用量就达90多万吨[3],其中主要有卤系、磷系、氮系、铝镁系、粘土类、膨胀石墨型、硼系、锡系、膨胀型等阻燃剂,本文只综述了前6种阻燃剂的阻燃机理及其研究现状,并提出了一种制备阻燃材料的新思路。

1 卤系阻燃剂

聚合物点燃后,能否继续燃烧以及燃烧的速度如何取决于聚合物的热分解产物燃烧时发生化学反应的热效应,而热效应

又取决于聚合物热分解产物以多种反应途径产生高能自由基HO 的数目。高能自由基HO 可以立即与其他聚合物的热分解产物反应,如H O 与CO 反应生成CO 2和H ,此反应的

放热效应高达359.48kJ/mo l;而H 又能与O 2反应生成HO 和O 。由此可以看出H O 能够反应生成H ,而H 又可使HO 再生,H O 越多,燃烧过程中生成的反应热就越高。在高分子材料中加入含卤阻燃剂,在受热发生分解反应时生成卤素离子,卤素离子与树脂基体反应生成卤化氢,卤化氢能与高活性自由基HO 和H 等反应,生成活性较低的Br 。由于H O 和H 等高活性自由基的减少,降低了燃烧释放出的反应热,因而可使燃烧减缓或终止。如果反应中生成的卤化氢较多,则卤化氢气体可以进一步稀释可燃气体,并覆盖在材料表面,阻隔可燃气体扩散进入燃烧空间,同时也阻止氧气扩散到可燃气体中,从而使塑料燃烧速度降低或自熄。

卤系阻燃剂一般与Sb 2O 3共同使用,二者具有协同作用。在燃烧时可生成SbX 3,SbX 3能够更有效地捕获燃烧时产生的高能自由基,达到十分有效的阻燃效果[1,2,4]。

2 无卤阻燃剂

虽然卤系阻燃剂的阻燃效果好,且添加量少,但是它的燃烧产物对环境有一定的负面影响,如释放出有毒性和腐蚀性的卤化氢气体等。而无卤阻燃剂具有安全、抑烟、无毒、价廉等优点,因而无卤阻燃高分子材料的开发已经成为一个热点。

2.1 纳米级层状粘土在高分子材料中的阻燃作用

不论是插层型还是剥离型层状粘土纳米复合材料之所以具有优良的阻燃性能,首先在于它们具有高的热稳定性。P reston C M L 等[5]发现在有氧环境中,纳米粘土复合材料的热分解峰值温度有明显的提高,在L DP E 、LDP E/P E g M A H 、EM A 、EV A 18中各加入5份纳米粘土,制得各种复合材料的热分解