阻燃型高分子材料发展现状

 新闻资讯     |      2019-04-24 13:18

  高分子材料性能优异,具有许多其他材料不具备的特性: 如质轻、加工性能好、高流动性易于成型、绝缘性、耐磨性等。但大多数高分子材料是碳氢有机结构,属于易燃、可燃材料,在燃烧时热释放速率大、热值高、火焰传播速度快,不易熄灭; 某些材料燃烧时还产生浓烟及有毒气体,对人类生命安全与环境保护构成潜在的威胁。

 

       近年来,全球阻燃材料行业产值逐年增长,同时,各国相继提升有关材料阻燃的法规,对高分子材料的阻燃性提出更高的要求。

 

1.高分子复合材料的阻燃机理

 
 
 

       高分子材料的燃烧遵循燃烧三要素( 可燃物质、助燃物质及着火源)的规律,高分子材料主要为碳氢结构,属于可燃物。助燃剂在通常情况下为空气中的氧气组分,也包括各类氧化剂,高分子材料通常在空气中使用,与空气中的氧气接触充分,并且高分子材料有时会添加各类氧化剂,这些氧化剂在燃烧过程中会起到助燃剂的作用。着火源为明火与各类高温场所,高分子材料的起火点普遍较低,某些使用场合易接触高温环境,也使得高分子材料易于起火引发火情。

 

       高分子材料的燃烧可分为热氧降解和燃烧两个过程,涉及传热、高分子材料在凝聚相的热氧降解、分解产物在固相及气相中的扩散、与空气混合形成氧化反应场及气相中的链式燃烧反应等一系列环节。因此,当高分子材料受热能够使其分解,且分解产生的可燃物达到一定浓度,同时体系被加热到点燃温度后,燃烧才能发生。而己被点燃的高分子材料在点燃源稳定后能否继续燃烧则取决于燃烧过程的热量平衡。当燃烧产生的热量大于或等于燃烧过程各阶段所需的总热量时,燃烧才能继续,否则将终止或熄灭。

 

       物质的燃烧要同时满足燃烧三要素的条件,那么阻燃就是从相反的方向来控制三要素,只要破坏了其中一个要素条件,燃烧即可终止。为了达到很好的阻燃效果,通常会采用多种阻燃技术,同时控制燃烧的三要素,即降低材料的可燃性、减少助燃剂的浓度及降低燃烧反应的温度来达到阻止材料燃烧的目的。

 

2. 阻燃剂的分类

 
 
 

    阻燃剂的分类方法很多,主要分为有卤和无卤阻燃剂两大类。

 

2.1 卤系阻燃剂

       

    卤系阻燃剂主要有溴系阻燃剂和含氯阻燃剂两个大类,溴系阻燃剂在有机阻燃剂中占统治地位,占有机阻燃剂总量的 80%以上。

 

       氯系阻燃剂的种类不如溴系阻燃剂多,主要有,氯化石蜡,氯化聚乙烯及用于不饱和树脂阻燃剂的四氯邻苯二甲酸酐等。还有一类大品种的含氯高分子材料 - 聚氯乙烯,本身在分子结构中含有大量的卤素氯,可以起到很好的阻燃作用。

 

       卤系阻燃剂的使用广泛,但是目前正受到越来越多的质疑与挑战,卤系阻燃对环境的危害正逐渐被人们认识,不仅因为其在燃烧过程会产生大量有毒性烟雾气体 - 卤化氢,并且卤系阻燃剂的使用还在环境沉淀区与生态区中长期存在, 对环境与生态的危害日趋严重。因此,欧盟颁布了 ROHS 规则,严格限制了某些溴系阻燃剂的使用,也迫使制造商不断地开发高效、无毒无害的阻燃剂产品。

 

2.2 有机无卤阻燃剂

 

       有机无卤阻燃剂主要有有机磷、氮类阻燃剂及有机硅阻燃剂。有机磷化物是添加型阻燃剂,该类阻燃剂燃烧时生成的偏磷酸可形成稳定的多聚体,覆盖于复合材料表面隔绝氧和可燃物,起到阻燃作用,其阻燃效果优于溴化物,要达到同样的阻燃效果,溴化物用量为磷化物的 4 ~ 7 倍。该类阻燃剂主要有磷( 膦)酸酯等,广泛地用于环氧树脂、酚醛树脂、聚酯、聚碳酸酯、聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、ABS 等。王彦林等在无溶剂条件下,制备了一种聚合型含硫有机磷阻燃剂 PDPTP,利用该阻燃剂所含的磷硫阻燃协同效应,可提高复合材料的阻燃性能。

 

       有机氮类阻燃剂以三嗪系阻燃剂为代表,主要组分是三聚氰胺及其衍生物这类阻燃剂有多重反应功能,有优异的热稳定性,成炭性、相容性及阻燃性,因此应用面也广,常用的三聚氰胺、三聚氰胺氰脲酸盐( MCA)、MP、MPP 等。有机硅阻燃性的良好的环境适应性使其在环境友好类材料中获得了应用,其特点是用有机硅阻燃剂制备的高分子阻燃材料的力学性能优异,耐寒性,耐冲击都较为突出,并且有机硅阻燃剂与其他阻燃剂的协同效果好,燃烧生成的含硅层参与成炭,有利于提高材料的成炭阻燃效果。

 

3 高分子阻燃材料的分类

 
 
 

 

3.1 有卤阻燃高分子材料

      

      分子结构含卤素或外加卤素型阻燃高分子材料在各类电器塑料,汽车塑料领域取得了广泛的应用。这类材料配方中主要添加了溴系阻燃剂及三氧化二锑协同剂,应用一些新型含溴阻燃剂以规避各类政策法规、降低阻燃剂的用量等成为该类材料开发的主流方向。

 

 3.2 无卤阻燃高分子材料

 

       与含卤阻燃高分子材料的情况相反,各类无卤阻燃、低烟无卤阻燃高分子材料发展前景看好。但是无卤阻燃高分子材料有自身的弱点,如阻燃性能不如含卤阻燃材料,氧指数普遍达不到 30,而含卤阻燃高分子材料的氧指数普遍超过30,有些阻燃要求高的场合,氧指数的要求甚至达到 40,这类高阻燃的场合目前无卤阻燃材料应用困难。

 

       无卤阻燃高分子材料目前以氢氧化铝、氢氧化镁填充的为主,少部分应用磷氮类膨胀阻燃体系。氢氧化铝、氢氧化镁填充无卤阻燃材料目前市场应用于电缆材料,磷氮膨胀阻燃类主要应用在工程塑料行业。

 

4.结论

 
 
 

       阻燃高分子材料应用广泛,尤其是无卤阻燃材料受政策的导向,市场看好。对无卤阻燃机理更深入的研究,各类高效阻燃剂的合成开发及材料配方的复配是该类材料的发展方向。