浅谈隧道沥青路面阻燃剂的应用

浅谈隧道沥青路面阻燃剂的应用

徐士翠由于隧道内特殊的地理环境和施工条件，以及水泥混凝土抗水、不燃，因此长期以来，我国公路隧道铺面多采用水泥混凝土路面。但是，水泥混凝土路面在行车舒适性、抗滑性、低噪音及平整度等方面无法与沥青混凝土相比，而且水泥混凝土路面使用寿命短、维修周期短、路面养护费用高，已愈来愈不适应现代公路交通的要求。近年来，为了适应对隧道路面安全性、舒适性、环境友好和人性化等方面提出的更高的要求，一些隧道中开始采用沥青路面代替水泥混凝土路面，或者在原来水泥混凝土路面加铺沥青面层，以提高隧道路面的使用性能和改善隧道运营环境。

但是由于沥青具有可燃性，在隧道工程中，特别是大型公路隧道、跨江海隧道中使用存在一定的火灾安全隐患。为了将沥青路面更好的应用于隧道内路面铺装中，解决公路隧道的防火问题，世界各国的相关研究人员都在致力于各种高效、低烟、低毒沥青阻燃剂的研究。

一、阻燃剂介绍

目前阻燃剂的种类繁多，按化学组成可分为：无机阻燃剂和有机阻燃剂；按照有无含卤素，又可分为：卤系阻燃剂和无卤阻燃剂。

（一）卤系阻燃剂

主要产品：十溴二苯醚、四溴双酚A、四溴邻苯二甲酚酐、五溴甲苯和六溴环十二烷等等。溴系阻燃剂形貌如图1所示。

图1 溴系阻燃剂

阻燃机理：有机卤化物在气相中产生活性卤素基团HX，能与聚合物降解产生的H和OH自由基相互作用，使自由基浓度下降，从而延缓和终止燃烧的链反应。

卤素阻燃剂是目前世界上产量最大的有机阻燃剂之一，以其添加量少，阻燃效果显著而在阻燃领域中具有重要地位。但这些材料在分解和燃烧时，会产生大量烟雾和有毒气体。另外，人们发现多溴苯醚的高聚物还会产生具有致癌性的多溴代二苯并嗯二烷(PBDD)及多溴代二苯并呋喃(PBDF)。

（二）无卤阻燃剂

（1）磷系阻燃剂

主要成分：按组成和结构可分为无机磷阻燃剂和有机磷阻燃剂。无机磷阻燃剂主要以红磷、磷酸盐及磷一氮基化合物为主；有机磷系阻燃剂主要以磷酸酯、亚磷酸酯和膦酸酯为主。此外，还有多种磷取代基的化合物、多聚物等。磷系阻燃剂形貌如图2所示。

图2 磷系阻燃剂

阻燃机理：磷系阻燃剂受热时分解生成热稳定性强的聚偏磷酸，在燃烧物表面形成隔离层。另外，聚偏磷酸具有脱水作用，促进炭化，使表面形成炭化膜，从而起到阻燃作用。

磷系阻燃聚合物燃烧时，对环境污染少，阻燃剂含量较少就能达到好的阻燃效果，且对聚合物材料的各种性能影响小。无机磷阻燃剂中红磷是一种性能优良的阻燃剂，发烟量小、低毒、应用范围广，能单独使用，也可与其他阻燃剂共同使用。但是无机磷阻燃剂中红磷易吸湿，放出有毒磷化氢，在使用过程中易吸潮、易氧化、易释放剧毒气体、粉尘易爆炸等，因此使用受到很大限制。有机磷系阻

燃剂也有发烟量大、毒性大、易水解、热稳定性差等不足。其中磷酸酯具有一定毒性和难闻的气味，耐热性差，在燃烧时有滴落物产生，与高分子材料相容性差等。

（2）金属氢氧化物阻燃剂

主要成分：氢氧化铝和氢氧化镁

阻燃机理：其阻燃机理为释水吸热和覆盖作用。

金属氢氧化物阻燃剂无毒、低烟、腐蚀小、价格低，热稳定性好，被誉为无公害阻燃剂。但无机阻燃剂是亲水性物质，而高分子材料基体则是亲油性，两者热力学上互不相容，从而限制了无机阻燃剂的填充量，降低了其分散性。

（3）膨胀型阻燃剂

主要成分：以磷、氮、碳为主要核心成分的阻燃剂

阻燃机理：以磷、氮、碳为主要核心成分的高聚物受热时，其表面将形成一层均匀的炭质泡沫层。该炭质层具有阻隔热量及氧气的传递和抑烟的作用，具有良好的阻燃性能。

膨胀型阻燃剂低烟、低毒、无腐蚀性气体产生，并能防止燃烧过程产生熔滴。但由于吸湿性大、起始分解温度较低，热稳定性较差且阻燃剂分散性差，需要添加量大。

（4）有机硅阻燃剂

主要成分：含硅化合物及硅酮聚合物

阻燃机理：该系阻燃剂通常与一种或多种协同剂并用，这些协同剂有IA族有机金属盐（硬脂酸镁）、聚磷酸铵（PPA）与季戊四醇的混合物、氢氧化铝（ATH）等。它们既能与基材聚合，又能与硅树脂发生协同效应。

有机硅阻燃剂是一种新型高效、低毒、防熔滴、环境友好的无卤阻燃剂，也是一种成炭型抑烟剂，它在赋予高聚物优异阻燃抑烟性的同时，还能改善材料的加工性能及提高材料的机械强度，特别是低温冲击强度。但该系阻燃剂与一种或多种协同剂并用时，有些燃烧时释放出的有毒气体对人体危害较大, 同时降低了有机硅材料本身的特性, 如使用期缩短、贮存时产生凝胶现象或橡胶难于硫化等。因此, 仅将一些阻燃剂用于有机硅高分子材料并不太理想。

（5）纳米阻燃剂

纳米型阻燃剂是由颗粒尺寸 1～100nm 的超微阻燃粒子凝聚而成的块体、薄膜、多层膜或纤维。通过将传统的无机材料超细化，利用纳米微粒本身所具有的量子尺寸效应和表面效应来增强界面作用，改变无机物和聚合物基体的相容性，达到提高阻燃性的目的。阻燃型的纳米复合材料不但可以克服含卤素阻燃剂造成“二次灾害”的缺点，还因纳米效应和纳米复合效应而使材料具有更优异的力学性能、热性能及电性能等。

二、目前阻燃剂在隧道沥青路面应用中存在的问题

（1）有些阻燃剂的使用会对人体和环境产生较大的危害，如十溴二苯醚在燃烧过程中会产生疑似二口恶英类物质。因而在阻燃沥青的研究中应注意使用和开发低毒低烟、无污染的阻燃剂。

（2）目前的研究主要针对纯沥青的阻燃，而改性沥青由于物理性能较基质沥青好很多，所以阻燃改性沥青更能适应现代交通的要求，市场前景广阔。