阻燃尼龍之阻燃劑及其原理（2）

    阻燃尼龍之阻燃劑及其原理（2）

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     鹵系阻燃劑

     鹵系阻燃劑包括溴系和氯系阻燃劑。鹵系阻燃劑是目前世界上產(chǎn)量最大的有機(jī)阻燃劑之一。

     鹵系阻燃劑主要在氣相中發(fā)揮阻燃作用。因?yàn)辂u化物分解產(chǎn)生的鹵化氫氣體，是不燃性氣體，有稀釋效應(yīng)。它的比重較大，形成一層氣膜，覆蓋在高分子材料固相表面，可隔絕空氣和熱，起覆蓋效應(yīng)。更為重要的是，鹵化氫能抑制高分子材料燃燒的連鎖反應(yīng)，起清除自由基的作用。以溴化物為例，其抑制自由基連鎖反應(yīng)的機(jī)理如下:

     含溴阻燃劑 → Br·

     Br·+RH→R·+HBr

     HO·+HBr=H2O +Br·

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     磷及磷化合物的阻燃機(jī)理

     磷及磷化合物很早就被用作阻燃劑使用，對(duì)它的阻燃機(jī)理研究得也較早，起初發(fā)現(xiàn)使用含磷阻燃劑的材料燃燒時(shí)會(huì)生成很多焦炭，并減少了可燃性揮發(fā)性物質(zhì)的生產(chǎn)量，燃燒時(shí)阻燃材料的熱失重大大降低，但阻燃材料燃燒時(shí)的煙密度比未阻燃時(shí)增加。根據(jù)上面的事實(shí)提出了一些阻燃機(jī)理。從磷化合物在不同反應(yīng)區(qū)內(nèi)所起阻燃作用可分為凝聚相中阻燃機(jī)理和蒸汽相中阻燃機(jī)理，有機(jī)磷系阻燃劑在凝聚相中發(fā)揮阻燃作用，其阻燃機(jī)理如下：

     在燃燒時(shí)，磷化合物分解生成磷酸的非燃性液態(tài)膜，其沸點(diǎn)可達(dá)300℃。同時(shí)，磷酸又進(jìn)一步脫水生成偏磷酸，偏磷酸進(jìn)一步聚合生成聚偏磷酸。在這個(gè)過程中，不僅由磷酸生成的覆蓋層起到覆蓋效應(yīng)，而且由于生成的聚偏磷酸是強(qiáng)酸，是很強(qiáng)的脫水劑，使聚合物脫水而炭化，改變了聚合物燃燒過程的模式并在其表面形成碳膜以隔絕空氣，從而發(fā)揮更強(qiáng)的阻燃效果。

     磷系阻燃劑的阻燃作用主要體現(xiàn)在火災(zāi)初期的高聚物分解階段，因其能促進(jìn)聚合物脫水發(fā)化，從而減少聚合物因熱分解而產(chǎn)生的可燃性氣體的數(shù)量，并且所生成的碳膜還能隔絕外界空氣和熱。通常，磷系阻燃劑對(duì)含氧聚合物的作用效果最佳，主要被用在含羥基的纖維素、聚氨酯、聚酯等聚合物中。對(duì)于不含氧的烴類聚合物，磷系阻燃劑的作用效果就比較小。

     含磷阻燃劑也是一種自由基捕獲劑，利用質(zhì)譜技術(shù)發(fā)現(xiàn)，任何含磷化合物在聚合物燃燒時(shí)都有PO·形成。它可以與火焰區(qū)域中的氫原子結(jié)合，起到抑制火焰的作用。另外，磷 系阻燃劑在阻燃過程中產(chǎn)生的水分，一方面可以降低凝聚相的溫度，另一方面可以稀釋氣相中可燃物的濃度，從而更好地起到阻燃作用。

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     無機(jī)阻燃劑的阻燃機(jī)理

     無機(jī)阻燃劑包括氫氧化鋁、氫氧化鎂、膨脹石墨、硼酸鹽、草酸鋁和硫化鋅為基的阻燃劑。氫氧化鋁和氫氧化鎂是無機(jī)阻燃劑的主要品種，它具有無毒性和低煙等特點(diǎn)它們由于受熱分解吸收大量燃燒區(qū)的熱量，使燃燒區(qū)的溫度降低到燃燒臨界溫度以下燃燒自熄:分解后生成的金屬氧化物多數(shù)熔點(diǎn)高、熱穩(wěn)定性好、覆蓋于燃燒固相表面阻擋熱傳導(dǎo)和熱輻射，從而起到阻燃作用。同時(shí)分解產(chǎn)生大量的水蒸氣，可稀釋可燃?xì)怏w，也起到阻燃作用。

     水合氧化鋁有熱穩(wěn)定性好，在300℃下加熱2h可轉(zhuǎn)變?yōu)锳lO(OH)，與火焰接觸后不會(huì)產(chǎn)生有害的氣體，并能中和聚合物熱解時(shí)釋放出的酸性氣體，發(fā)煙量少，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因而它成為無機(jī)阻燃劑中的重要品種。水合氧化鋁受熱釋放出化學(xué)上結(jié)合的水，吸收燃燒熱量，降低燃燒溫度。在發(fā)揮阻燃作用時(shí)，主要是兩個(gè)結(jié)晶水起作用，另外，失水產(chǎn)物為活性氧化鋁，能促進(jìn)一些聚合物在燃燒時(shí)稠環(huán)炭化，因此具有凝聚相阻燃作用。從該機(jī)理可知使用水合氧化鋁作阻燃劑，添加量應(yīng)較大。

     鎂元素阻燃劑主要品種為氫氧化鎂，是近幾年來國(guó)內(nèi)外正在開發(fā)的一種阻燃劑，它在340℃左右開始進(jìn)行吸熱分解反應(yīng)生成氧化鎂，在423℃下失重達(dá)最大值，490℃下分解反應(yīng)終止。從量熱法得知，其反應(yīng)吸收大量熱能(44.8KJ/mol) ，生成的水也吸收大量熱能，降低溫度，達(dá)到阻燃。氫氧化鎂的熱穩(wěn)定性和抑煙能力都比水合氧化鋁好，但由于氫氧化鎂的表面極性大，與有機(jī)物相容性差，所以需要經(jīng)過表面處理后才能作為有效的阻燃劑。另外，它的熱分解溫度偏高，適宜熱固性材料等分解溫度較高的聚合物的阻燃。

     在高溫下，可膨脹石墨中的嵌入層受熱易分解，產(chǎn)生的氣體使石墨的層間距迅速擴(kuò)大到原來的幾十倍至幾百倍。當(dāng)可膨脹石墨與高聚物混合時(shí)，在火焰的作用下，可在高聚物表面生成堅(jiān)韌的炭層，從而起到阻燃作用。硼酸鹽阻燃劑有硼砂、硼酸和硼酸鋅。目前主要使用的是硼酸鋅。硼酸鋅在300℃開始釋放出結(jié)晶水，在鹵素化合物的作用下，生成鹵化硼、鹵化鋅，抑制和捕獲游離的羥基，阻止燃燒連鎖反應(yīng);同時(shí)形成固相覆蓋層，隔絕周圍的氧氣，阻止火焰繼續(xù)燃燒并具有抑煙作用。硼酸鋅可以單獨(dú)使用，也可與其它阻燃劑復(fù)配使用。目前，主要產(chǎn)品有細(xì)粒硼酸鋅、耐熱硼酸鋅、無水硼酸鋅和高水硼酸鋅。

     草酸鋁是氫氧化鋁衍生的結(jié)晶狀物，堿含量低。含有草酸鋁的高聚物燃燒時(shí)，放出H20, CO及CO2，而不生成腐蝕性氣體，草酸鋁還能降低煙密度和生煙速度。由于草酸鋁的堿含量低，所以用其阻燃的電線、電纜的包覆料時(shí)，不影響材料的電氣性能。現(xiàn)在已開發(fā)的5種以硫化鋅為基的阻燃劑，其中4種用于硬質(zhì)PVC，另一種可用于軟質(zhì)PVC,聚烯徑和尼龍。這類阻燃劑可提高材料的抗老化性能，且與玻纖有好的相容性和提高聚烯烴的熱穩(wěn)定性。

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     混合使用的協(xié)同阻燃機(jī)理

     含鹵阻燃劑與含磷阻燃劑配合使用能產(chǎn)生顯著的協(xié)同效應(yīng)。對(duì)于鹵-磷阻燃協(xié)同效應(yīng)，人們提出鹵-磷配合使用能互相促進(jìn)分解，并形成比單獨(dú)使用具有更強(qiáng)阻燃效果的鹵-磷化合物及其轉(zhuǎn)化物PBr3、 PBr·、POBr3等。用裂解氣相色譜、差熱分析、差示掃描量熱分析、氧指數(shù)測(cè)定、阻燃劑程序升溫觀察等方法對(duì)鹵一磷協(xié)同效應(yīng)進(jìn)行的研究表明，鹵-磷配合使用時(shí)阻燃劑的分解溫度比單獨(dú)使用時(shí)略低，且分解非常劇烈，燃燒區(qū)的氯磷化合物及其水解產(chǎn)物形成的煙氣云團(tuán)能較長(zhǎng)時(shí)間逗留在燃燒區(qū)，形成強(qiáng)大的氣相隔離層。

     關(guān)于磷-氮相互作用機(jī)理研究得不夠完善，一般認(rèn)為用氮化物(如尿、氰胺、胍、雙氰胺、羥甲基三聚氰胺等)能促進(jìn)磷酸與纖維素的磷酰化反應(yīng)。形成的磷酸胺更易于纖維素發(fā)生成酯反應(yīng)，這種酯的熱穩(wěn)定性較磷酸酯的熱穩(wěn)定性好。磷-氮阻燃體系能促使糖類在較低溫度下分解形成焦炭和水，并增加焦炭殘留物生產(chǎn)量，從而提高阻燃效果。磷化物和氮化物在高溫下形成膨脹性焦炭層，它起著隔熱阻氧保護(hù)層的作用，含氮化合物起著發(fā)泡劑和焦炭增強(qiáng)劑的作用。基本元素分析得知，殘留物中含氮、磷、氧三種元素，它們?cè)诨鹧鏈囟认滦纬蔁岱€(wěn)定性的無定形物，猶如玻璃體，作為纖維素的一個(gè)絕熱保護(hù)層。

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     膨脹體系的阻燃機(jī)理

     膨脹型阻燃體系主要成分可分為酸源、碳源、氣源三個(gè)部分。酸源一般為無機(jī)酸或加熱至100^-250℃時(shí)生成無機(jī)酸的化合物，如磷酸、硫酸、硼酸、各種磷酸銨鹽、磷酸酯和硼酸鹽等;碳源(成炭劑)是形成泡沫炭化層的基礎(chǔ)，一般為富碳的多羥基化合物，如淀粉、季戊四醇和它的二聚物、三聚物以及含有輕基的有機(jī)樹脂等;氣源(發(fā)泡源)多為胺或酰胺類化合物，如三聚氰胺、雙氰胺、聚磷酸胺等。

     膨脹體系成炭的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響因素眾多。聚合物主體的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理特性、膨脹阻燃劑的組成、燃燒和裂解時(shí)的條件(如溫度和氧含量)、交聯(lián)的反應(yīng)速率等等諸多因素都會(huì)對(duì)膨脹成炭的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。而膨脹炭層的熱保護(hù)效應(yīng)不僅取決于焦炭產(chǎn)量、炭層高度、炭層結(jié)構(gòu)、保護(hù)炭層的熱穩(wěn)定性，也取決于炭層的化學(xué)結(jié)構(gòu)，尤其是環(huán)狀結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)增加了熱穩(wěn)定性，此外還有化學(xué)鍵的強(qiáng)度以及交聯(lián)鍵的數(shù)量。

     普遍認(rèn)為膨脹體系的阻燃機(jī)理為凝聚相阻燃，首先聚磷酸胺受熱分解，生成具有強(qiáng)脫水作用的磷酸和焦磷酸，使季戊四醇酯化，進(jìn)而脫水炭化，反應(yīng)形成的水蒸汽及三聚氰胺分解的氨氣使炭層膨脹，最終形成一層多微孔的炭層，從而隔絕空氣和熱傳導(dǎo)，保護(hù)聚合物主體，達(dá)到阻燃目的。

     膨脹型阻燃劑添加到聚合物材料中，必須具備以下性質(zhì):熱穩(wěn)定性好，能經(jīng)受聚合物加工過程中200℃以上的高溫;由于熱降解要釋放出大量揮發(fā)性物質(zhì)，并形成殘?jiān)蚨撨^程不應(yīng)對(duì)膨脹發(fā)泡過程產(chǎn)生不良影響;該類阻燃劑系均勻分布在聚合物中，在材料燃燒時(shí)能形成一層完全覆蓋在材料表面的膨脹炭質(zhì);阻燃劑必須與被阻燃高聚物有良好的相容性，不能與高聚物和添加劑發(fā)生不良作用，不能過多惡化材料的物理、機(jī)械性能。膨脹型阻燃劑優(yōu)于一般的阻燃劑之處在于無鹵、無氧化銻:低煙、少毒、無腐蝕性氣體；膨脹阻燃劑生成的炭層可以吸附熔融著火的聚合物，防止其滴落傳播火災(zāi)。

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     阻燃—鉑金催化效應(yīng)

     根據(jù)上面提到的觀察結(jié)果,推測(cè)出由鉑化合物在高溫下引發(fā)反應(yīng),在 FR-029中起到了阻燃作用。給出了 FR-029在大約 400°C～500 °C下熱處理過程中亞甲基鍵結(jié)構(gòu)的形成過程。首先,在較高溫度下,由于鉑化合物的催化作用使材料中 S i-CH3鍵發(fā)生均裂,產(chǎn)生了一個(gè)甲基和一個(gè)甲硅烷基自由基。生成的甲基自由基從另一個(gè)甲基基團(tuán)上吸收一個(gè)氫原子,生成一個(gè)甲烷分子和一個(gè)鏈上連接的亞甲基自由基。然后該亞甲基自由基攻擊一個(gè)鄰近硅氧烷鏈上的硅原子,在硅氧烷材料中形成亞甲基結(jié)構(gòu),同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)新的甲基自由基。另一方面,產(chǎn)生的甲硅烷基自由基同時(shí)攻擊硅氧烷鏈上的氧原子或二氧化硅上的硅醇基團(tuán),形成三官能。