阻燃劑在高分子材料中的作用機理與應用

>> 杭州富通昭和線纜材料研究開發有限公司 閆孝敏 于友姬 李國昌

阻燃劑在高分子材料中的作用機理與應用

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一 引言

我國平均每年的大小火災都會造成5億元以上的經濟損失，從世界范圍看，由火災造成的損失是難以估量的。由于電線電纜越來越廣泛的應用，其可燃性而引起的火災愈發受到人們重視，電線電纜用高分子聚合材料大部分是由碳、氫、氧等元素組成，基本屬于易燃、可燃材料，并且燃燒過程中熱量釋放速率大、熱值高、火焰傳播快、不易熄滅，從而使高分子聚合材料用阻燃劑和阻燃材料的研制生產及其推廣應用得以迅速發展。本文試圖從燃燒四要素著手，通過分析阻燃劑作用機理及其在線纜材料中的作用，希望能給讀者一定的參考價值。

二 燃燒的要素及阻止燃燒的方法

一般電線電纜用絕緣護套料都是高分子材料，高分子材料的燃燒是一個典型的氧化還原反應如圖1所示：

圖1 燃燒過程

圖1中，當高分子材料受到熱源輻射時，熱傳給高分子材料，高分子材料繼而向內部進行熱傳導，當熱量到達一定溫度時材料會發生熱裂解，隨著裂解的擴散，裂解材料遇到空氣中的氧氣發生氧化還原反應形成燃燒。萬變不離其宗，燃燒的四要素：可燃物、氧氣、達到著火點以上的溫度（熱源）、自由基反應。任一要素不滿足即可達到阻燃效果。

我們可以通過采用合適的阻燃劑阻斷高分子材料受到熱傳導后的②——⑥環節中的任一環節達到阻燃效果：

a、 阻燃劑發生吸熱反應阻斷②③環節的熱輻射與熱傳導；

b、 提高高分子樹脂本身的耐熱性從而抑制環節④的熱裂解；

c、 阻燃劑受熱反應后形成隔膜屏蔽熱與氧氣，阻斷⑤⑥環節的進行；

d、 阻燃劑受熱反應后捕獲活性自由基，阻止氧化還原反應；

三 常用高分子阻燃劑與阻燃機理

阻燃劑按不同分類方式可以分成很多種類，按其元素種類分為：鹵系、磷系、鹵-磷系、氮系、硅系、鋁鎂系等，按化學結構分為無機阻燃劑、有機阻燃劑、阻燃助劑三大類。下面以表格形式直觀解析常用阻燃劑及阻燃機理如表1所示：

表1 常用阻燃劑及阻燃機理

四 阻燃劑在實際工作中的應用

不同種類阻燃劑的阻燃機理有所不同，那么在實際應用中又有什么樣的各自

優缺點呢，接下來通過對無鹵阻燃劑Mg(OH)2及溴系阻燃劑RBr在125℃輻照交聯聚烯烴電纜料中的應用來具體闡述無鹵阻燃劑與鹵系阻燃劑的優缺點。

4.1 生產實際

以125℃輻照交聯聚烯烴電纜料為基礎材料，在其中添加不同阻燃劑，對比分析不同阻燃劑所發揮的不同阻燃效果及對材料整體性能的影響。A配方中加入無鹵阻燃劑Mg(OH)2，B配方中主要加入鹵系阻燃劑中溴系阻燃劑及少量無鹵阻燃劑Mg(OH)2，具體添加比例見下圖2。

圖2 A、B兩種材料阻燃劑配方及添加比例

分別以無鹵阻燃劑和溴系阻燃劑為主體阻燃材料的A、B兩款料的性能具體會有怎樣的差異呢？我們對兩種材料及加工后的電線做了對比性能測試，結果見下表2：

表2 A、B原材料及做成電線后性能測試

比對性能顯示：

①A材料的體積電阻率低于B材料兩個數量級；

②A材料斷裂伸長率較小，比B材料斷裂伸長率性能低很多；

③A材料老化后抗拉強度殘率與斷裂伸長率殘率都偏低；

④A、B材料氧指數一致，但是做成電線后，A產品的VW-1燃燒試驗結果較差。

4.2 阻燃劑在聚烯烴中的應用

聚烯烴簡單來說為烯烴的聚合物。由乙烯、丙烯、1-丁烯、1-戊烯、1-己烯、1-辛烯、4-甲基-1-戊烯等α-烯烴以及某些環烯烴單獨聚合或共聚合而得到的一類熱塑性樹脂的總稱。聚烯烴材料也可以簡單定義為以聚乙烯、聚丙烯為主的一切均聚物、共聚物、混合物的總稱。

我們知道聚烯烴在未添加阻燃劑時的氧指數為15%左右，然而阻燃聚烯烴要求氧指數至少為24%，我們知道鹵系阻燃劑會與聚合物材料產生協同阻燃效果，具有添加量少阻燃效果好的特點，而無鹵阻燃劑要達到鹵系阻燃劑等同的阻燃效果，其添加量需要增加到鹵系阻燃劑的3倍左右，一般無鹵阻燃劑添加量要達到配方總量的50%～60%才能達到預期阻燃效果。這樣一來，大量的無機物的添加勢必會產生無機物與聚合物的混合問題，50%～60%的添加量會導致材料的機械性能、電氣性能及熱老化性能變差。正如表2中實際驗證的結果。對于含鹵阻燃劑與鹵系阻燃劑各自優缺點可以簡單的總結為下表3：

表3 含鹵阻燃劑與無鹵阻燃劑應用對比

五 總結

無鹵阻燃劑非常環保，但添加量大，導致物理性能與電性能等會變差，含鹵阻燃劑添加量少阻燃效果良好，同時對其他性能影響較小但對人體與環境有一定傷害，無論是含鹵材料還是無鹵材料都有各自優缺點及市場價值，所以對材料的選擇主要依據市場與客戶的需求而定，然而既環保又具有優良特性以及能夠與主體材料有很好的協同效果的阻燃劑將是未來市場的主體需求。