阻燃高分子材料在建筑工程中的应用及其研究进展综述

田 强 ，王桂珍

（山东省聊城市建设工程质量服务中心，山东聊城252000）

基于分子结构灵活［1］、力学性能良好［2］、耐湿热与耐腐蚀性能优异［3］等优点，工程塑料、纤维、橡胶等高分子材料在给水管（聚丙烯或聚乙烯材质管道）、排水管（聚氯乙烯或聚丙烯材质管道）、电线与电缆绝缘层（聚烯烃、聚酰胺等）、墙体保温材料（聚苯乙烯泡沫塑料、酚醛树脂泡沫塑料或聚氨酯泡沫塑料）等建筑工程领域的应用愈发广泛，它们的分子链中通常含有碳、氢等易燃元素，在国家高度重视安全问题的背景下，人们对含有易燃元素的高分子材料综合性能提出更高要求，希望其能够以对原有功能的保持为前提具备良好的阻燃性能，有效降低火灾发生率，保证使用安全。

阻燃是采取将热量传递过程延缓，对热量的释放进行抑制，或者将易燃气体同燃烧物之间的接触隔绝等方式达到阻碍燃烧行为发生或继续目的的一种技术［4］。就高分子材料而言，其燃烧过程十分复杂，一般受到高温的影响，高分子材料表层的分子热运动会加剧，若温度达到某一临界值，分子链会断裂并降解为小分子，此时会有可燃性气体持续产生，加剧燃烧行为的延续［5］。自问世以来，阻燃高分子材料便得到广泛的关注，人们十分希望此类材料将降低火灾发生率、保护安全等方面的重要作用充分地发挥出来。

近年来，科学研究与工业生产中开发的阻燃高分子材料主要有本质型与添加型2 种类型，文章阐述该类材料在建筑工程领域的应用，并对本质型与添加型阻燃高分子材料的研究进展进行综述。

1 阻燃高分子材料在建筑工程领域的应用

社会发展中，建筑行业所处地位很高，行业所用材料的阻燃性是居民生命安全的保障，进行有优异阻燃性能的高分子材料的制备，将其应用到建筑工程材料、室内装修装饰材料等领域，以安全的保证为前提节约成本，是建筑行业施工的重要目标之一。用于建筑工程领域的高分子材料有通用塑料、工程塑料、热固性塑料等多种类型，其中，通用塑料包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等，工程塑料包括酚醛树脂、脲醛树脂、聚氨酯等，热固性塑料则包括环氧树脂、不饱和聚酯等，这些材料在墙体、天花板、地板、电缆等制品的制造中应用的比较多［6］，但它们的阻燃防火性能比较差，难以满足实际应用要求，故需改进性能，进行有优异综合性能的阻燃高分子材料的制备。

近年来，在建筑工程领域应用的阻燃高分子材料越来越多。王娜等［7］用卡拉胶将聚磷酸铵包覆起来，将其用作阻燃剂添加至水性环氧树脂中，进行阻燃级别可达V-0 级的阻燃防火涂层的制备，试验结果显示此材料在建筑阻燃涂层中具有比较突出的发展与应用潜力。侯培鑫等［8］将石墨烯、含磷阻燃剂DOPO、硅烷偶联剂一起让它们进行反应，以此制备得到一种复合型阻燃添加剂，并用于对环氧树脂的改性，结果表明，含磷阻燃剂DOPO 可以在很大程度上优化树脂材料的热稳定性与阻燃性，硅烷偶联剂的主要作用则在于改进高分子材料的力学性能。此外，在被应用于建筑工程领域时，石墨烯、含磷阻燃剂DOPO、硅烷偶联剂反应所得的复合阻燃添加剂只需添加很少的剂量便能使树脂材料达到建筑材料阻燃要求，这能够在较大程度上减少建筑材料成本。

2 本质型阻燃高分子材料研究进展

本质型阻燃高分子材料是在不外添加阻燃剂的条件下本身就具有阻燃性，且可达到一定阻燃级别的一类高分子材料，包括基于自身特殊的化学结构而具备耐高温、耐氧化、不易燃、可持久阻燃等特征的聚合物，亦包括那些通过在高分子主链上共聚、接枝、卤化而将阻燃元素与基团引入，使易燃、可燃高分子转变为具有本质阻燃性能的高分子。从长远层面来看，本质型阻燃高分子代表着阻燃高分子材料的发展方向，它们在今后的某一阶段可能会将部分受到阻燃剂处理的阻燃高分子材料替代。

在进行本质型阻燃高分子材料的制备时，一般会先采用分子设计方法制备含磷、硅、氮等原子的聚合单体，之后经聚合在聚合物主链中引入磷、硅、氮等元素。其中，含磷阻燃剂DOPO 是一种较多应用于合成含磷元素单体的化合物。郭军红等［9］用顺丁烯二酸酐与DOPO 混合制备含磷单体，并让此单体同二元酸及二元醇反应得到含磷聚酯二元醇，在同甲苯二异氰酸酯缩合后，完成了含磷本质型阻燃水性聚氨酯的制备。而通过将原料的投料比例改变，聚氨酯主链中磷元素的含量会发生变化，郭军红等通过试验证明，在磷元素质量分数达2.5%时，本质型阻燃水性聚氨酯的极限氧指数为34.0%，其性质为难燃的。

含氮元素的本质型阻燃高分子材料最为常见的一种结构为均环三嗪。陈琳等［10］进行含苯酰亚胺结构的间苯二甲酸甲酯的制备，通过将其同对苯二甲酸、乙二醇缩合，得到侧链含苯酰亚胺结构的聚对苯二甲酸乙二酯。试验结果指出，当苯酰亚胺结构的质量分数在10%～20% 之间时，聚对苯二甲酸乙二脂的极限氧指数全部比26.0%大，而当质量分数为20% 时，聚对苯二甲酸乙二酯的极限氧指数可上升29.0%，但纯聚对苯二甲酸乙二酯的极限氧指数只有22.0%。

除了将磷、氮等元素单独引入到聚合物主链中，采用分子设计的方式将两种或大于两种的具有阻燃效果的元素引入到聚合物主链或侧链中也是一种较为有效的手段，该方式可发挥不同元素间的协同阻燃效果，实现对高分子材料阻燃性能的优化。姚晓皓［11］进行含磷元素及均环三嗪结构的固化剂的制备，在环氧树脂固化中对其加以应用，结果显示当磷元素质量分数为1.5%时，环氧树脂极限氧指数达到32.7%～35.4%的水平。

3 添加型阻燃高分子材料研究进展

添加型阻燃高分子材料是按一定比例将具备阻燃性能的阻燃剂同聚合物基体复配，使复合所得材料以对聚合物原有性能的保留为前提附加优良阻燃性能的一类高分子材料。与本质型阻燃高分子材料相比，添加型阻燃高分子材料阻燃剂种类多、阻燃性能好、成本低、可操作性强等特点突出［12］，其制备是采用物理共混方法，在不具备阻燃性或阻燃性能不佳的高分子材料中加入具有独特性能的添加剂，实现对高分子材料阻燃性能的极大增强。根据阻燃添加剂性质的不同，添加型阻燃高分子材料可划分为有机类添加剂阻燃高分子材料、无机类添加剂阻燃高分子材料及复合类添加剂阻燃高分子材料3种类型。

3.1 有机类添加剂阻燃高分子材料

通常，有机类添加剂阻燃高分子材料有卤素添加剂阻燃高分子材料与无卤添加剂阻燃高分子材料2 种类型，前者的发展比较早，虽然与高分子材料有较好的相融性，且不会明显影响高分子材料的力学性能，阻燃性能佳，但在受热之时容易有有毒气体生成，会在较大程度上造成环境的污染。无卤阻燃剂是将含磷系、氮系、硅系等其他元素的有机化合物添加至高分子材料中，使其混合形成的有机体系，既可以同树脂基体形成均匀稳定的共混体系，又有比较突出的环境友好性能，因而其开发与应用相对广泛。

在各类非卤系有机阻燃剂中，磷系阻燃剂有较好的效果。TIAN 等［13］用1-氧基磷杂-4-羟甲基-2,6,7-三氧杂双环［2.2.2］ 辛烷、三氯氧磷与季戊四醇进行新型磷酸酯阻燃剂的制备，并将制备所得添加至聚苯乙烯中，发现当阻燃剂质量分数达到25.0% 时，聚苯乙烯中的磷质量分数为5.3%，对应的极限氧指数为30.5%。而除了磷系有机阻燃剂之外，含多种阻燃元素在内的有机阻燃剂同样能够将高分子材料阻燃性能优化，甚至多元素间的协同阻燃效果更好，可更大程度地增加高分子材料极限氧指数。LV 等［14］用三氯氧磷、氨基甲酸乙酯、乙醇与三聚氰胺进行同时含有磷元素与氮元素的低聚物有机阻燃剂的制备，并将制备所得添加至环氧树脂中，发现当该有机型阻燃剂质量分数为20% 时，环氧树脂极限氧指数为28.0%。

3.2 无机类添加剂阻燃高分子材料

无机类阻燃剂主要是金属化合物，以锑类、氢氧化铝、氢氧化镁、磷系阻燃剂以及硼酸盐类等比较常见。就不同无机类阻燃剂而言，它们的分子结构存在差异，将其添加至高分子材料中表现出来的差异会比较突出。周生刚［15］采用熔融共混方法对三氧化二锑与聚氯乙烯进行混合，在调控三氧化二锑粒径与团聚现象后，得到阻燃性能优异的聚氯乙烯，指出当三氧化二锑粒子的粒径为微米级且质量分数为3.00% 时，聚氯乙烯极限氧指数为27.0%；而当前者为纳米级且质量分数为1.85% 时，后者的极限氧指数会增加到27.0%。虞华东等［16］将蛭石（硅系阻燃剂）添加至聚氯乙烯中，指出当蛭石的质量分数达到55% 时，聚氯乙烯的极限氧指数为26.8%。

3.3 复合类添加剂阻燃高分子材料

复合类添加剂阻燃高分子材料是将两种或两种以上添加剂复配并加入至高分子材料中，由于添加剂有不同的阻燃原理，两种或两种以上阻燃剂可以在体系中发挥协同作用，使其与单一阻燃剂相比有更好的阻燃效果。当对硅系阻燃剂与磷系阻燃剂进行复配之时，后者燃烧会有难燃气体产生，对火势的蔓延形成抑制，而前者在受热时会有致密保护层生成，对空气进行隔绝，并将产生的难燃气体密封于材料内部，两者之间的协同作用可以在更大程度上改进高分子材料的阻燃性能。段莹莹等［17］运用全有机的磷、氮、硅三重复合型阻燃剂改进了丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS 的阻燃性能，指出磷、氮、硅三重协同下的阻燃效果能够有效提升ABS 的阻燃性，当阻燃剂质量分数为30% 时，ABS 中磷、氮、硅三种元素的质量分数分别为4.47%、1.03% 与4.1%，极限氧指数为27.0%。来方等［18］通过聚苯氧基磷酸联苯二酚酯与聚磷酸胺的复配制得磷、氮复合型全有机阻燃剂，通过在环氧树脂中添加，实现对环氧树脂阻燃性、热稳定性、耐热性以及燃烧特性的优化，结果显示，当阻燃剂质量分数为10% 时，环氧树脂极限氧指数为29.6%。

4 结语

在建筑工程领域中，阻燃高分子材料有广泛的应用，进行阻燃高分子材料的研究及新型阻燃高分子材料的研发既能增强人们生活中的安全性，又能节约能源，对建筑行业的发展形成推动。现阶段，学者们围绕高分子阻燃材料的研究主要集中于环境友好型无卤材料的开发上，在今后的生产与研究中，各种类型阻燃高分子材料的研制与开发以及复合型阻燃添加剂配方的复配是阻燃高分子材料的重要发展方向。