阻燃高分子材料的研究进展及其在工程领域的应用

姜存华

（山东兖矿鲁南化工有限公司，山东滕州 277500)

高分子材料目前被广泛应用于车辆工程建设、房屋装修等众多领域，因其耐腐蚀性强、分子结构灵活、力学性能良好等优点而备受关注。然而，当下高分子材料普遍存在阻燃性能差的缺点，致使其在使用过程中极易引发火灾等重大风险，给人们的生命安全带来极大的损害。因此，必须对其阻燃性能进行一定的改善，进而提高其应用的范围，以保证其安全性和可靠性能够得到发扬。

1 高分子材料的燃烧机理与阻燃机理

1.1 高分子材料的燃烧机理

当温度升高到一定数值时，高分子材料受热，会自动分解出具有挥发性能的可燃物质，当上述物质在空气中积攒到一定浓度时，会产生燃烧的现象。具体来说，高分子材料的燃烧可以分为两个过程，即热氧的降解与燃烧，包括高分子材料在凝聚相中的降解、分解过程，以及其产物在固相与气相中的扩散过程，同时，降解过后的产物还能够与空气相混合，进而发生一定的氧化反应，并形成链式燃烧。

1.2 高分子材料的阻燃机理

从本质上来说，阻燃作用是通过阻止或者减缓一个或众多要素来达到成效的。它一般需要提升高分子材料的热稳定性，进而捕捉一定的游离基，在形成非可燃保护膜的基础上，吸收一定的热量，随后形成气体的隔离层，最终稀释氧气与其他可燃性气体。一般情况下，阻燃机理可以分为凝聚相阻燃机理、气相阻燃机理和中断热交换阻燃机理。

凝聚相阻燃机理指的是阻燃材料为了阻止或延缓可燃性气体的产生与自由基的热分解，需要在固相表面生成数道碳层，这些碳层需要具备隔热、难燃、隔氧等性能，以阻止可燃气体进入燃烧的气相中，最终促成燃烧过程的中断。

气相阻燃机理指的是，阻燃材料在气相中延缓链式燃烧的反应，或者直接中断链式燃烧的反应过程。

中断热交换阻燃机理指的是，阻燃材料通过带走一部分的热量，降低热分解现场的实际温度，进而阻止可燃性气体的持续性产生，最终走向熄灭的结局[1]。

2 阻燃高分子材料的实际分类

阻燃高分子材料的分类标准具体可参照多种，例如，按照阻燃元素的种类分，阻燃高分子材料可以分为有机磷系、氮系、卤系、硼系等多种。如果按照被阻燃材料与阻燃高分子两者之间的关系分，阻燃剂可以分为反应型与添加型两大类。近年来，随着学界专家研究性地深入，出现了磷-氮复合物等新型膨胀类阻燃高分子材料。

2.1 磷系阻燃高分子材料

当前，应用最广泛的磷系阻燃高分子材料含有卤磷酸酯，主要在火灾前期，高分子材料处于分解阶段时发挥作用。此外，磷系阻燃高分子材料还包括有机盐类、磷酸酯、含磷多元醇等化合物。

2.2 卤系阻燃高分子材料

卤系阻燃高分子材料的阻燃效果较为明显，并且其在实际应用时添加的含量较少，因此在工程中应用的范围较广。但卤系阻燃高分子材料也存在一定的缺陷，即其在投入使用时，能够产生强烈的腐蚀作用，这是因为其易吸收空气中存留的大量的水分，进而形成氢卤酸，该物质腐蚀性较强，并且伴随有大量的烟雾，因此，如何在保持卤系阻燃高分子材料优良的性能下开发出具有多重功效的新型阻燃高分子材料，成为业界和学界普遍关心的话题。

2.3 本质阻燃高分子材料

本质阻燃高分子材料本身具有特殊的化学结构，因此不需要对其进行改性就能使其发挥抗氧化、耐高温等特点。由于其自身即具备阻燃性，不需要后期繁琐的改性工作，因此本质阻燃高分子材料作为一种新型阻燃高分子材料受到学者与业界人士的青睐，但就现阶段来说，本质阻燃高分子材料存在着价格高昂、制造工艺复杂的弊端，但其应用与普及已经成为阻燃高分子材料的一个发展方向。

2.4 无机阻燃高分子材料

无机阻燃高分子材料的阻燃机理相对来说较为复杂，一般来说，无极高分子材料在周围温度升高时，会释放出一定量的结晶水，结晶水蒸发后分解，会产生一定的水蒸气，水蒸气能够稀释可燃性气体，进而起到了一定的阻燃作用。由于此反应能够吸收大量的燃烧热量，因此高分子材料表面的温度会降低，进而导致其燃烧率和热分解能力也大大降低。总的来说，无极阻燃高分子材料主要是通过阻燃剂分解吸热或是通过比容大的填料的蓄热能力，阻碍高分子材料达到一定的分解温度，进而实现阻燃效果的[2]。

3 阻燃高分子材料的应用

3.1 阻燃高分子材料在建筑领域的应用

现阶段，我国加大了对建筑工程的开发与重视，除了大力开展基础设施项目的建设外，安全问题也日益成为学界与业界普遍关注的话题。具有较高阻燃性的高分子材料，成为保障居民生命安全的强有力盾牌。同时，阻燃性能优异的高分子材料，在具体投入使用时，能够帮助居民节省装修成本，还能帮助施工团队节省原材料制备时间，因而具有极强的应用性能。然而，在当下的建筑市场中，应用最为广泛的是聚氨酯、环氧树脂和聚烯类等材料，它们的阻燃性能较差，在发生火灾时不能展现良好的防护效果，进而无法满足施工需要与居民的实际需求。因此，如何改良上述原料并使其具备优异的性能成为学界与业界关注的话题。当前，在建筑施工领域，已经有部分阻燃高分子材料被应用于实际生产中。例如，石墨烯可以与硅烷偶联剂和一定的含磷阻燃剂反应，最终制得相应的复合型阻燃添加剂。该复合型阻燃添加剂在投入实际使用时，取少量即可满足建筑原材料的阻燃要求，既能保障建筑物的安全性，又能帮助施工单位降低建筑成本。此外，上述过程中使用到的含磷阻燃剂，可以极大地提高原材料的阻燃性和热稳定性，同时硅烷偶联剂也能帮助高分子材料的力学性能得到一定程度的升高。

3.2 阻燃高分子材料在汽车工程中的实际应用

汽车作为人们出行必备的代步工具，随着经济水平的发展和科学技术的提高而逐渐呈现出新的应用类型，在这之中，新能源汽车发展逐渐成熟，占据着汽车领域的重要比例。而在新能源电池、汽车的承重零部件等汽车元件中，随处可见高分子材料的应用。当下，组成上述元件的高分子材料，绝大多数为聚烯烃，少部分为聚氨酯、聚碳酸酯等。这些物质的阻燃性能相对而言效果堪忧，不能满足实际的用车需求，甚至在面临交通事故时，上述物质极易因为身处较高温度中而受热分解，进而产生燃烧现象，给车主带来极大的安全隐患，因此，想要汽车安全性得到一定的保障，就要最大化地改善高分子材料的阻燃性能。当前，已经有部分阻燃高分子材料被应用于汽车工程的实际生产中，例如将苯二甲酸乙二胺与磷酸盐阻燃剂按比例配制，随后添加在热塑性工程塑料中，进而利用氮、磷协同的阻燃作用，共同制备具有阻燃性能的热塑性工程塑料。一般来说，未添加氮、磷复合型阻燃剂的热塑性工程塑料极限氧指数为18.0%，而当添加1∶4氮、磷比例的复合型阻燃剂后，热塑性工程塑料的极限氧指数被提高至25.2%，进而提升了其阻燃性能[3]。

4 结束语

高分子材料如今已经广泛应用于人们的日常生活中，无论是建筑行业，还是汽车工程行业，都能找到高分子材料的应用场景。虽然有着生产成本较低、吸水性能较好等多重优势，但高分子材料在受热状态下，容易引发火灾，因此，如何提高高分子材料的阻燃性能，成为学界与业界普遍关注的重要性命题，虽然现阶段与分子材料的阻燃性能有关的研究并没有取得显著的进展，但相信随着科学技术的升级与相关知识的积累，这一命题最终能取得关键性胜利。