高分子材料的阻燃技术探讨

赵青雨

（青岛大学材料科学与工程学院 山东 青岛 266071）

1 引言

近年来，全球阻燃材料研发技术不断提升，为高分子材料的安全使用打下了坚实基础。在此背景下，本文对高分子材料阻燃机理以及阻燃技术应用的探讨与研究也就具备较强理论意义和现实价值。

2 高分子材料的阻燃机理

2.1 气相阻燃机理

阻燃剂气相阻燃原理即在高分子材料燃烧反应进行过程中，利用添加于高分子材料中的阻燃剂发生的热分解化学反应，借助该反应生成的诸如H2O、NH3、CO等惰性气体，使高分子材料燃烧时周围环境中的氧气含量和该材料燃烧所产生的可燃性气体含量大幅度降低。同时利用阻燃剂受热后化学分解吸热的基本原理，吸收周围环境中的大量热能，降低高分子可燃性材料的化学反应温度，使所有效果协同作用，作用于高分子材料的化学燃烧反应并终止该反应进程，达到高分子材料阻燃的目的，保障人身财产安全。一般而言，高分子气相阻燃材料主要包括氢氧化镁、氢氧化铝、水镁石以及部分碳酸盐[1]，该类阻燃剂在化学燃烧时受热分解，直接吸收周围环境中的大量热能，产生H2O、NH3等惰性气体，起到良好隔绝氧气和燃烧产生的有毒物质的作用，阻燃效果较为优良。高分子材料的另一类气相阻燃机理即利用自由基抑制化学作用，诸如高分子气相阻燃剂中的卤锑阻燃体系。该类型高分子材料燃烧时，将产生大量的游离于化学物质稳定结构外的活性自由基，利用该自由基加速化学燃烧中的链式反应速度，使高分子材料燃烧速度进一步加快[2]。

2.2 凝聚相阻燃机理

利用高分子材料化学燃烧时，在高分子材料凝聚相阻燃剂与空气接触的表层，化学反应后生成膨胀碳层，以膨胀碳层积聚后疏松多孔的物理性质达到隔热、防火和阻燃的目的，也就是通常所说的高分子材料的凝聚相阻燃机理。图1即为两类高分子材料阻燃机理示意[3]。

图1 高分子材料阻燃机理示意

3 阻燃剂的分类

3.1 卤系阻燃剂

高分子材料阻燃剂中，卤系阻燃剂包括高分子材料中的聚氯乙烯等，由于该类高分子材料结构中含有大量氯元素，而氯元素能较好地起到阻燃作用，卤系阻燃剂的应用范围也就随之扩大。目前，由于卤系阻燃剂对周边环境的巨大危害而受到越来越多的质疑和挑战，卤系阻燃剂在燃烧过程中产生大量有毒烟雾——气体卤化氢，且卤系助燃剂使用与周边环境沉淀区和生态区长期共存，很容易在生物链中日益积累而影响周边环境和人类生存健康，因此，欧洲部分发达国家甚至颁布规定，严格限制部分溴系阻燃剂的使用[4]，一定程度上加速了其他高效科学、无毒无害阻燃剂产品的研发，见表1。

表1 常用溴系阻燃剂介绍

3.2 无卤阻燃剂

无机类阻燃剂大多为碱性氢氧化物、水镁石、碳酸盐和新开发的无机类高分子阻燃材料。其中，氢氧化铝阻燃是占据较大阻燃剂市场份额的重要类别，几乎与含溴阻燃剂的市场占有份额相媲美，但氢氧化铝阻燃剂实际阻燃效果更良好，具备抑制烟雾作用强、腐蚀程度较低和价格便宜等诸多优势，使其市场增长率大约为每年5%左右，远远高于其他类别阻燃剂年均市场增长率。在无机类无卤阻燃剂实践应用过程中，氢氧化镁阻燃剂与氢氧化铝阻燃效果较为类同，但氢氧化镁阻燃剂发挥效用时的实际分解温度远远高于氢氧化铝分解温度，整体吸热总量也远远高于氢氧化铝吸热总量，甚至超出氢氧化铝吸热总量的17%，实际阻燃效用也就远远强于氢氧化铝阻燃物。通常情况下，利用氢氧化铝和氢氧化镁的联合使用，调整两类物质比例以达到较强的协同效应，可大幅度节约阻燃剂应用成本。三氧化锑阻燃机理与卤系阻燃剂作用类同，但是三氧化锑可单独使用，低于0.3μm的超细三氧化锑可应用在纤维阻燃中。目前，无机无卤阻燃剂正朝着纳米级方向发展，纳米氢氧化镁、纳米氢氧化铝和纳米级层状材料石墨烯等诸多无机阻燃材料正处于紧张研发进程[5]。

无卤阻燃剂中的有机类阻燃物主要涵盖有机磷、氮、有机硅等化学物质。有学者实例研究发现，在无溶剂的化学条件下，制备高分子聚合的含硫元素的有机磷阻燃剂，能借助该阻燃剂高分子材料中磷、硫元素发生化学反应的协同阻燃作用，快速增强高分子材料的阻燃效果。三嗪系阻燃剂则堪称有机氮类阻燃剂代表，包括三聚氢氨及其衍生物，该类高分子聚合阻燃剂热稳定性优良，发生化学反应时，不易生产对周围环境有害的物质，且化学燃烧后成碳性良好，与其它高分子聚合物材料的相容性较好，更具备良好的阻燃作用，实际使用范围较广。有机硅阻燃剂则凭借良好的环境适应性和环境友好性，在诸多阻燃材料中脱颖而出。借助有机硅阻燃剂制备过程中高分子阻燃材料的力学性能优良、耐冲击、耐磨损、耐高寒等诸多特质，结合有机硅阻燃剂材料和其他阻燃剂材料的协同阻燃作用，阻燃效果大幅度优化。该类有机硅阻燃剂材料燃烧生成的含硅层能参与成碳过程，从而提高有机硅阻燃剂材料的成炭阻燃效果，在工业领域及建筑领域得到广泛应用，图2即为含硅阻燃高分子涂料的制备。

图2 含硅阻燃高分子涂料制备示意

4 阻燃高分子材料的应用

4.1 建筑材料领域中的应用

随着我国建筑行业市场规模的不断扩大和人类生活物质水平的不断提升，建筑材料的阻燃性是否优良逐步成为居民判断工程结构是否能保障生命安全的重要内容，也成为居民购买房屋建筑的重要考量因素，因此，急需制备阻燃性能优秀的高分子材料，并将其应用于建筑工程室内外装修、门窗管道埋设等，保障建筑工程结构安全，节约工程建造成本。一般而言，常用的建筑材料大多为聚乙烯、聚丙烯、环氧树脂、酚醛树脂等，但该类化合物阻燃防火性能较差，并不能满足建筑工程使用要求。因此，需对该类高分子物质进行阻燃性能加强和改造，保证使用安全的同时，降低建筑材料制造成本[6]。

4.2 工程材料领域中的应用

阻燃高分子材料除了在建筑工程领域的应用，还可进一步应用于电气工程、汽车工程领域，不仅在一定程度上实现了高分子材料的成本优化与控制，而且为电气工程和汽车工程的质量提升与安全性保障奠定了重要基础，更极大限度促进了高分子材料的使用安全。曾有学者将三氧化二锑无机阻燃剂添加到聚氯乙烯物质中，改良升级得到阻燃性能更加优良、用量更小而效果更佳的聚氯乙烯高分子复合材料，并将其用作电缆材料，有效增强了电缆材料的阻燃性能。也有学者选择阻燃性能优异的次磷酸盐和对苯二甲酸乙二胺的复合搭配，将其放置于丙烯晴或聚乙烯的三元共聚物中，得到性能优秀的难燃高分子结构，该结构能够应用于汽车工程的方向盘、后视镜等的加工制备，为汽车应用安全做出了应有贡献。

4.3 其他领域中的应用

随着当代科技的不断进步和高分子阻燃材料研发进程的不断推进，阻燃高分子材料在电子设备、新能源设备甚至通信设备中的应用越来越普遍，发挥着越来越不容忽视的价值。手机、电脑、服务器等基础电子设备往往选用高分子树脂作为电子覆铜板制备原材料，但实际使用时，对该类高分子树脂抗剥强度、玻璃化转变温度甚至阻燃性能等的要求往往较高，有学者则借助此契机，选择阻燃耐火性能良好的双马来酰亚安树脂作为有机基体制备覆铜板，将其应用于电子通信设备领域，为电子设备的安全使用保驾护航。

5 结语

总而言之，高分子材料在为我国工业经济社会发展提供巨大便利的同时，其易燃性质和有毒有害气体排放特质等都在时时刻刻威胁着普通民众的生命安全和财产安全。研究、探索、优化、改良和创新高分子材料阻燃性大幅度提升的科学方法，尽可能减少高分子材料燃烧后所释放的有毒物质气体含量，或避免该类有毒气体、可燃气体与周围环境的接触，而达到化学阻燃和物理阻燃的结合，将是未来高分子阻燃材料研究人员面临的重要课题。