高分子材料的阻燃技術探討

趙青雨

（青島大學材料科學與工程學院 山東 青島 266071）

1 引言

近年來，全球阻燃材料研發技術不斷提升，為高分子材料的安全使用打下了堅實基礎。在此背景下，本文對高分子材料阻燃機理以及阻燃技術應用的探討與研究也就具備較強理論意義和現實價值。

2 高分子材料的阻燃機理

2.1 氣相阻燃機理

阻燃劑氣相阻燃原理即在高分子材料燃燒反應進行過程中，利用添加于高分子材料中的阻燃劑發生的熱分解化學反應，借助該反應生成的諸如H2O、NH3、CO等惰性氣體，使高分子材料燃燒時周圍環境中的氧氣含量和該材料燃燒所產生的可燃性氣體含量大幅度降低。同時利用阻燃劑受熱后化學分解吸熱的基本原理，吸收周圍環境中的大量熱能，降低高分子可燃性材料的化學反應溫度，使所有效果協同作用，作用于高分子材料的化學燃燒反應并終止該反應進程，達到高分子材料阻燃的目的，保障人身財產安全。一般而言，高分子氣相阻燃材料主要包括氫氧化鎂、氫氧化鋁、水鎂石以及部分碳酸鹽[1]，該類阻燃劑在化學燃燒時受熱分解，直接吸收周圍環境中的大量熱能，產生H2O、NH3等惰性氣體，起到良好隔絕氧氣和燃燒產生的有毒物質的作用，阻燃效果較為優良。高分子材料的另一類氣相阻燃機理即利用自由基抑制化學作用，諸如高分子氣相阻燃劑中的鹵銻阻燃體系。該類型高分子材料燃燒時，將產生大量的游離于化學物質穩定結構外的活性自由基，利用該自由基加速化學燃燒中的鏈式反應速度，使高分子材料燃燒速度進一步加快[2]。

2.2 凝聚相阻燃機理

利用高分子材料化學燃燒時，在高分子材料凝聚相阻燃劑與空氣接觸的表層，化學反應后生成膨脹碳層，以膨脹碳層積聚后疏松多孔的物理性質達到隔熱、防火和阻燃的目的，也就是通常所說的高分子材料的凝聚相阻燃機理。圖1即為兩類高分子材料阻燃機理示意[3]。

圖1 高分子材料阻燃機理示意

3 阻燃劑的分類

3.1 鹵系阻燃劑

高分子材料阻燃劑中，鹵系阻燃劑包括高分子材料中的聚氯乙烯等，由于該類高分子材料結構中含有大量氯元素，而氯元素能較好地起到阻燃作用，鹵系阻燃劑的應用范圍也就隨之擴大。目前，由于鹵系阻燃劑對周邊環境的巨大危害而受到越來越多的質疑和挑戰，鹵系阻燃劑在燃燒過程中產生大量有毒煙霧——氣體鹵化氫，且鹵系助燃劑使用與周邊環境沉淀區和生態區長期共存，很容易在生物鏈中日益積累而影響周邊環境和人類生存健康，因此，歐洲部分發達國家甚至頒布規定，嚴格限制部分溴系阻燃劑的使用[4]，一定程度上加速了其他高效科學、無毒無害阻燃劑產品的研發，見表1。

表1 常用溴系阻燃劑介紹

3.2 無鹵阻燃劑

無機類阻燃劑大多為堿性氫氧化物、水鎂石、碳酸鹽和新開發的無機類高分子阻燃材料。其中，氫氧化鋁阻燃是占據較大阻燃劑市場份額的重要類別，幾乎與含溴阻燃劑的市場占有份額相媲美，但氫氧化鋁阻燃劑實際阻燃效果更良好，具備抑制煙霧作用強、腐蝕程度較低和價格便宜等諸多優勢，使其市場增長率大約為每年5%左右，遠遠高于其他類別阻燃劑年均市場增長率。在無機類無鹵阻燃劑實踐應用過程中，氫氧化鎂阻燃劑與氫氧化鋁阻燃效果較為類同，但氫氧化鎂阻燃劑發揮效用時的實際分解溫度遠遠高于氫氧化鋁分解溫度，整體吸熱總量也遠遠高于氫氧化鋁吸熱總量，甚至超出氫氧化鋁吸熱總量的17%，實際阻燃效用也就遠遠強于氫氧化鋁阻燃物。通常情況下，利用氫氧化鋁和氫氧化鎂的聯合使用，調整兩類物質比例以達到較強的協同效應，可大幅度節約阻燃劑應用成本。三氧化銻阻燃機理與鹵系阻燃劑作用類同，但是三氧化銻可單獨使用，低于0.3μm的超細三氧化銻可應用在纖維阻燃中。目前，無機無鹵阻燃劑正朝著納米級方向發展，納米氫氧化鎂、納米氫氧化鋁和納米級層狀材料石墨烯等諸多無機阻燃材料正處于緊張研發進程[5]。

無鹵阻燃劑中的有機類阻燃物主要涵蓋有機磷、氮、有機硅等化學物質。有學者實例研究發現，在無溶劑的化學條件下，制備高分子聚合的含硫元素的有機磷阻燃劑，能借助該阻燃劑高分子材料中磷、硫元素發生化學反應的協同阻燃作用，快速增強高分子材料的阻燃效果。三嗪系阻燃劑則堪稱有機氮類阻燃劑代表，包括三聚氫氨及其衍生物，該類高分子聚合阻燃劑熱穩定性優良，發生化學反應時，不易生產對周圍環境有害的物質，且化學燃燒后成碳性良好，與其它高分子聚合物材料的相容性較好，更具備良好的阻燃作用，實際使用范圍較廣。有機硅阻燃劑則憑借良好的環境適應性和環境友好性，在諸多阻燃材料中脫穎而出。借助有機硅阻燃劑制備過程中高分子阻燃材料的力學性能優良、耐沖擊、耐磨損、耐高寒等諸多特質，結合有機硅阻燃劑材料和其他阻燃劑材料的協同阻燃作用，阻燃效果大幅度優化。該類有機硅阻燃劑材料燃燒生成的含硅層能參與成碳過程，從而提高有機硅阻燃劑材料的成炭阻燃效果，在工業領域及建筑領域得到廣泛應用，圖2即為含硅阻燃高分子涂料的制備。

圖2 含硅阻燃高分子涂料制備示意

4 阻燃高分子材料的應用

4.1 建筑材料領域中的應用

隨著我國建筑行業市場規模的不斷擴大和人類生活物質水平的不斷提升，建筑材料的阻燃性是否優良逐步成為居民判斷工程結構是否能保障生命安全的重要內容，也成為居民購買房屋建筑的重要考量因素，因此，急需制備阻燃性能優秀的高分子材料，并將其應用于建筑工程室內外裝修、門窗管道埋設等，保障建筑工程結構安全，節約工程建造成本。一般而言，常用的建筑材料大多為聚乙烯、聚丙烯、環氧樹脂、酚醛樹脂等，但該類化合物阻燃防火性能較差，并不能滿足建筑工程使用要求。因此，需對該類高分子物質進行阻燃性能加強和改造，保證使用安全的同時，降低建筑材料制造成本[6]。

4.2 工程材料領域中的應用

阻燃高分子材料除了在建筑工程領域的應用，還可進一步應用于電氣工程、汽車工程領域，不僅在一定程度上實現了高分子材料的成本優化與控制，而且為電氣工程和汽車工程的質量提升與安全性保障奠定了重要基礎，更極大限度促進了高分子材料的使用安全。曾有學者將三氧化二銻無機阻燃劑添加到聚氯乙烯物質中，改良升級得到阻燃性能更加優良、用量更小而效果更佳的聚氯乙烯高分子復合材料，并將其用作電纜材料，有效增強了電纜材料的阻燃性能。也有學者選擇阻燃性能優異的次磷酸鹽和對苯二甲酸乙二胺的復合搭配，將其放置于丙烯晴或聚乙烯的三元共聚物中，得到性能優秀的難燃高分子結構，該結構能夠應用于汽車工程的方向盤、后視鏡等的加工制備，為汽車應用安全做出了應有貢獻。

4.3 其他領域中的應用

隨著當代科技的不斷進步和高分子阻燃材料研發進程的不斷推進，阻燃高分子材料在電子設備、新能源設備甚至通信設備中的應用越來越普遍，發揮著越來越不容忽視的價值。手機、電腦、服務器等基礎電子設備往往選用高分子樹脂作為電子覆銅板制備原材料，但實際使用時，對該類高分子樹脂抗剝強度、玻璃化轉變溫度甚至阻燃性能等的要求往往較高，有學者則借助此契機，選擇阻燃耐火性能良好的雙馬來酰亞安樹脂作為有機基體制備覆銅板，將其應用于電子通信設備領域，為電子設備的安全使用保駕護航。

5 結語

總而言之，高分子材料在為我國工業經濟社會發展提供巨大便利的同時，其易燃性質和有毒有害氣體排放特質等都在時時刻刻威脅著普通民眾的生命安全和財產安全。研究、探索、優化、改良和創新高分子材料阻燃性大幅度提升的科學方法，盡可能減少高分子材料燃燒后所釋放的有毒物質氣體含量，或避免該類有毒氣體、可燃氣體與周圍環境的接觸，而達到化學阻燃和物理阻燃的結合，將是未來高分子阻燃材料研究人員面臨的重要課題。