阻燃剂在高分子材料中的作用机理与应用

>> 杭州富通昭和线缆材料研究开发有限公司 闫孝敏 于友姬 李国昌

阻燃剂在高分子材料中的作用机理与应用

>> 杭州富通昭和线缆材料研究开发有限公司 闫孝敏 于友姬 李国昌

一 引言

我国平均每年的大小火灾都会造成5亿元以上的经济损失，从世界范围看，由火灾造成的损失是难以估量的。由于电线电缆越来越广泛的应用，其可燃性而引起的火灾愈发受到人们重视，电线电缆用高分子聚合材料大部分是由碳、氢、氧等元素组成，基本属于易燃、可燃材料，并且燃烧过程中热量释放速率大、热值高、火焰传播快、不易熄灭，从而使高分子聚合材料用阻燃剂和阻燃材料的研制生产及其推广应用得以迅速发展。本文试图从燃烧四要素着手，通过分析阻燃剂作用机理及其在线缆材料中的作用，希望能给读者一定的参考价值。

二 燃烧的要素及阻止燃烧的方法

一般电线电缆用绝缘护套料都是高分子材料，高分子材料的燃烧是一个典型的氧化还原反应如图1所示：

图1 燃烧过程

图1中，当高分子材料受到热源辐射时，热传给高分子材料，高分子材料继而向内部进行热传导，当热量到达一定温度时材料会发生热裂解，随着裂解的扩散，裂解材料遇到空气中的氧气发生氧化还原反应形成燃烧。万变不离其宗，燃烧的四要素：可燃物、氧气、达到着火点以上的温度（热源）、自由基反应。任一要素不满足即可达到阻燃效果。

我们可以通过采用合适的阻燃剂阻断高分子材料受到热传导后的②——⑥环节中的任一环节达到阻燃效果：

a、 阻燃剂发生吸热反应阻断②③环节的热辐射与热传导；

b、 提高高分子树脂本身的耐热性从而抑制环节④的热裂解；

c、 阻燃剂受热反应后形成隔膜屏蔽热与氧气，阻断⑤⑥环节的进行；

d、 阻燃剂受热反应后捕获活性自由基，阻止氧化还原反应；

三 常用高分子阻燃剂与阻燃机理

阻燃剂按不同分类方式可以分成很多种类，按其元素种类分为：卤系、磷系、卤-磷系、氮系、硅系、铝镁系等，按化学结构分为无机阻燃剂、有机阻燃剂、阻燃助剂三大类。下面以表格形式直观解析常用阻燃剂及阻燃机理如表1所示：

表1 常用阻燃剂及阻燃机理

四 阻燃剂在实际工作中的应用

不同种类阻燃剂的阻燃机理有所不同，那么在实际应用中又有什么样的各自

优缺点呢，接下来通过对无卤阻燃剂Mg(OH)2及溴系阻燃剂RBr在125℃辐照交联聚烯烃电缆料中的应用来具体阐述无卤阻燃剂与卤系阻燃剂的优缺点。

4.1 生产实际

以125℃辐照交联聚烯烃电缆料为基础材料，在其中添加不同阻燃剂，对比分析不同阻燃剂所发挥的不同阻燃效果及对材料整体性能的影响。A配方中加入无卤阻燃剂Mg(OH)2，B配方中主要加入卤系阻燃剂中溴系阻燃剂及少量无卤阻燃剂Mg(OH)2，具体添加比例见下图2。

图2 A、B两种材料阻燃剂配方及添加比例

分别以无卤阻燃剂和溴系阻燃剂为主体阻燃材料的A、B两款料的性能具体会有怎样的差异呢？我们对两种材料及加工后的电线做了对比性能测试，结果见下表2：

表2 A、B原材料及做成电线后性能测试

比对性能显示：

①A材料的体积电阻率低于B材料两个数量级；

②A材料断裂伸长率较小，比B材料断裂伸长率性能低很多；

③A材料老化后抗拉强度残率与断裂伸长率残率都偏低；

④A、B材料氧指数一致，但是做成电线后，A产品的VW-1燃烧试验结果较差。

4.2 阻燃剂在聚烯烃中的应用

聚烯烃简单来说为烯烃的聚合物。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-烯烃以及某些环烯烃单独聚合或共聚合而得到的一类热塑性树脂的总称。聚烯烃材料也可以简单定义为以聚乙烯、聚丙烯为主的一切均聚物、共聚物、混合物的总称。

我们知道聚烯烃在未添加阻燃剂时的氧指数为15%左右，然而阻燃聚烯烃要求氧指数至少为24%，我们知道卤系阻燃剂会与聚合物材料产生协同阻燃效果，具有添加量少阻燃效果好的特点，而无卤阻燃剂要达到卤系阻燃剂等同的阻燃效果，其添加量需要增加到卤系阻燃剂的3倍左右，一般无卤阻燃剂添加量要达到配方总量的50%～60%才能达到预期阻燃效果。这样一来，大量的无机物的添加势必会产生无机物与聚合物的混合问题，50%～60%的添加量会导致材料的机械性能、电气性能及热老化性能变差。正如表2中实际验证的结果。对于含卤阻燃剂与卤系阻燃剂各自优缺点可以简单的总结为下表3：

表3 含卤阻燃剂与无卤阻燃剂应用对比

五 总结

无卤阻燃剂非常环保，但添加量大，导致物理性能与电性能等会变差，含卤阻燃剂添加量少阻燃效果良好，同时对其他性能影响较小但对人体与环境有一定伤害，无论是含卤材料还是无卤材料都有各自优缺点及市场价值，所以对材料的选择主要依据市场与客户的需求而定，然而既环保又具有优良特性以及能够与主体材料有很好的协同效果的阻燃剂将是未来市场的主体需求。