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浅析防火材料中的阻燃剂是如何起作用的

2016-11-16

  今天,高分子材料作为主要成分的塑料、橡胶、纺织品、涂料成为我们必不可少的生产元素,应用高分子材料制作的电器、餐具、交通工具等物品为我们的生活带来极大便利的同时也带来了不少的安全隐患。

  由于高分子材料的氧指数较低,含氧量达21%的空气就足以满足多数高分子材料燃烧条件。此外,高分子材料燃烧时释放烟尘和有毒气体,不仅危害人体健康,而且会造成环境的污染。为了降低高分子材料的可燃性,防止火灾发生,阻燃剂应运而生。阻燃剂,顾名思义,就是可以用以阻止材料可燃性,即阻止材料被引燃且抑制火焰传播的助剂。

  阻燃剂的种类有很多,按成分大体可以分成有机阻燃剂和无机阻燃剂两类。其中有机阻燃剂包括卤系阻燃剂、磷-氮型阻燃剂、有机磷系阻燃剂、有机硅系阻燃剂等。我们就阻燃剂的阻燃机理选取几类进行介绍。

  卤系阻燃剂是有机阻燃剂中一个重要成员,它的主要成分是卤素有机物。在高温条件下高分子降解产生的自由基是维持有机物燃烧的因素,而卤系阻燃剂在受热分解时产生的卤化氢(HX)气体可以捕捉自由基,从而达到阻止火焰扩散的目的。此外,卤化氢本身不能燃烧而且密度比空气大,在高分子材料表面形成一层气体屏障,阻隔高分子材料与氧气的接触。

  磷-氮型阻燃剂以磷、氮为主要元素。这类阻燃剂又称为膨胀型阻燃剂,原因是这类阻燃剂在受热时,表面能够生产一层均匀的碳质泡沫层,起到隔离热、氧的作用。膨胀型阻燃体系一般由酸源(脱水剂),碳源(成炭剂)和气源(氮源、发泡源)三个部分组成。受热后,由酸源放出能酯化多元醇和可作为脱水剂的无机酸; 温度进一步升高,无机酸与多元醇(碳源)发生反应生成酯类,并且处于粘稠的熔融状态。反应过程中产生的水蒸气和由气源产生的不燃性气体使已处于熔融状态的体系膨胀发泡,与此同时,多元醇和酯脱水炭化,形成无机物及炭残留物,随着温度升高和反应的进行,体系胶化和固化,最后形成多孔的碳质泡沫层。

  无机阻燃剂主要有可膨胀石墨、氢氧化物、红磷或聚磷酸盐等,一般情况下是几种不同无机物混合使用。在高温下,膨胀石墨迅速膨胀,该高聚物表面形成坚韧的碳层,可以将可燃物与热源隔开;氢氧化物受热吸收大量热量而放出水蒸气,稀释可燃气体,同时生成耐火金属氧化物;红磷或聚磷酸盐燃烧生成聚偏磷酸玻璃体,可以覆盖在燃烧体表面形成保护膜,同时形成的磷酸有很强的脱水性,可以将聚合物碳化形成碳隔离层。

  综上可以发现,阻燃剂的作用可以归纳为(1)吸收燃烧所放出的热量,(2)释放不能燃烧气体,稀释、隔离可燃和助燃气体,(3)生产与有机物自由基其反应的成分,(4)形成固体隔离层。

  对人体和环境的影响

  阻燃剂的应用被看做是防止火灾的有效途径,但是阻燃剂对环境和人类的危害是不可忽视的。含有某些阻燃剂的物品会逐渐释放出有毒化学物质融入到水、空气中。这些有毒化学物质被人体吸收后,可以长期积聚在人体内,扰乱人体的神经、内分泌、免疫等系统,特别值得注意的是,孕妇如果过量接触这些有毒物质,会导致新生儿出生体重过低、智力低下、行为能力受损等。此外,有些阻燃剂在燃烧时,会产生大量的烟雾以及有毒、有害、腐蚀性气体,造成“二次灾害”。

  前景展望

  阻燃剂对于环境的危害,使得世界各国纷纷出台相应的法律法规限制助燃剂的使用量。目前我国出台了《塑料家具有害物质限量标准》(GB28481-2012),对多溴联苯和多溴二苯醚的使用做出了每Kg不得超过1g的规定。

  近年来,随着人们对防火安全的重视和对阻燃要求的日益提高,阻燃剂行业得到迅猛发展。而越来越高的生活环境要求以及愈来愈严格的阻燃标准和环保法规将是阻燃剂行业面临的巨大挑战。因此,在提高阻燃性能的同时,开发和生产环境友好型阻燃剂,提高阻燃剂的成碳性,是阻燃剂行业发展的新思路。同时,推进阻燃剂生产、使用的法律化和标准化,也是规范阻燃剂行业的必要途径。

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