聚合物的燃燒與阻燃劑的作用機理
- 發布時間：2019-08-15 08-15 16:08 作者：康阜新材料
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大多數高分子材料,無論中天然的,還是合成的,遇火都會燃燒.阻燃劑就是一類能夠防止材料被引燃或者抑制火焰傳播的助劑.阻燃劑主要用于合成高分子材料或天然高分子材料的阻燃.在高分子材料中加工入阻燃劑﹐能夠減少高分子材料的可燃性﹐能使高分子材料接觸火焰時﹐燃燒迅速變慢﹐離開火源后能較快的自熄。注意﹐含有阻燃劑的材料并不能成為不燃材料﹐它們只能減少火災危險﹐而不能消除火災危險。對阻燃劑的要求是多方面的。人們希望阻燃劑能在用量很低的情況下具有持久的阻燃作用﹔希望阻燃劑無毒﹐不會在燃燒時生成有毒氣體和濃煙﹔希望阻燃劑具有較高的熱穩定性﹐在遇火情況下不會分解或者揮發﹔希望基礎樹脂的力學性能和物理性能不會由于阻燃劑的使用而損失或降低。應在材料的阻燃性及其它性能之間尋求最佳的性/價比（effect ratio /cost）﹐而不能過多地降低材料原有的良好性能為代價﹐來一味地滿足阻燃性能過高的要求。除此之外﹐在提高材料阻燃性的同時﹐應盡量減少材料的熱分解或燃燒生成的有毒氣體信發煙量。在阻燃劑領域﹐阻燃和抑煙是相輔相成的。
阻燃劑主要是含磷﹑鹵素﹑硼﹑銻﹑鉛﹑鉬等元素的有機物的無機物。根據其使用方法﹐阻燃劑一般分為添加型和反應型兩類。添加型阻燃劑是在塑料加工過程中簡單參加和混合在塑料中﹐主要用于熱塑性塑料。反應性阻燃劑是在聚合物合成過程中﹐作為一個組分參加反應﹐并鍵合到聚合物的分子鏈上﹐多用于熱固性樹脂。有些反應型阻燃劑﹐也可在塑料的加工過程中添加。
按照化學結構﹐阻燃劑又可分為無機阻燃劑和有機阻燃劑兩類。無機阻燃劑包括鋁﹑銻﹑鋅﹑鉬等金屬氧化物﹑磷酸鹽﹑硼酸鹽﹑硫酸鹽等﹔有機阻燃劑包括含鹵脂肪烴和芳香烴﹑有機磷化合物﹑鹵化有機磷化合物等。阻燃劑按照起阻燃作用的主要元素還可分為鹵素系阻燃劑﹑磷系阻燃劑以及鋁﹑銻﹑硼﹑鉬等金屬氧化物阻燃劑﹔也可以按大的類別分為溴系﹑磷系﹑氯系和鋁基﹑硼基﹑銻基阻燃劑等。反應型阻燃劑與樹脂起一定的化學反應﹐即阻燃劑與樹脂之間有鍵的結合﹐因此反應型阻燃劑在樹脂中比較穩定﹐它對火焰的抑制作用通常比添加型的持久﹐對材料的性能影響較小﹐但操作和加工工藝較為復雜。而添加型阻燃劑只是與樹脂物理混合﹐沒有化學反應﹐使用量較大﹐操作也比較方便﹐因此成為一種廣泛采用的阻燃劑體系。
聚合物的燃燒與阻燃劑的作用機理
一﹑聚合物的燃燒
（一）聚合物的燃燒過程
阻燃劑的燃燒是一個非常復雜的急劇氧化過程﹐從材料的吸熱分解到劇烈的氧化發光發熱﹐包括一系列的物理變化和化學變化。聚合物在受到外部熱源的作用時﹐首先被加熱﹑進而降解﹑生成揮發性的可燃氣體和其它熱分解產物。隨著可燃性氣體濃度的增大﹐當達到某一極限時聚合物開始燃燒。這一燃燒模式中﹐聚合物在熱源的作用下﹐首先分解產生可燃性氣體﹐可燃性氣體從固相擴散到氣相﹐氣相中可燃性氣體與氧氣反應而開始燃燒﹐燃燒產生的熱量向聚合物表面國輻射并傳至聚合物內部﹐聚合物由于熱的作用繼續分解﹐形成燃燒的循環過程。因此阻燃也就是抑制這個燃燒的循環過程。
不同聚合物熱分解生成的產物決定了聚合物燃燒的難易程度﹐因此不同的聚合物具有不同的燃燒性能。同一聚合物由于加入不同的助劑其燃燒的難易程度也有變化﹐當PVC中加入增塑劑后制品往往變得容易燃燒﹐而加入阻燃劑則使制品難以燃燒。阻燃的目的是為了提高制品的難燃程度﹐減少發生火災的可能性而使制品變成不燃材料。聚合物阻燃后雖然可以降低發生火災的危險性﹐但不能完全消除火災危險。阻燃后的聚合物在大火中仍能猛烈燃燒。
（二）影響聚合物燃燒的主要因素
1. 聚合物的熱分解特性
聚合物的熱分解特性決定了聚合物的燃燒性能。聚合物吸收足夠的能量后開始分解﹐生成分子量比較小的可燃性氣體﹑不燃性氣體和炭化殘渣。不同的聚合物由于組成和化學結構不同﹐具有不同的熱分解性能﹐即不同的熱分解溫度和不同的分解產物。熱分解溫度高﹐說明聚合物的熱穩定性好﹐需要供給較多的熱量才能使其分解。聚合物分解產物決定著聚合物引燃的難易程度﹐分解產物中含有可燃性氣體越多越易燃燒。
2.燃燒溫度和著火溫度
燃燒溫度對聚合物的燃燒過程有著明顯的影響﹐燃燒溫度越高﹐聚合物燃燒的速度就越快﹐釋放出的熱量也越多。實際上聚合物的燃燒速度還受氧氣擴散速度的控制。
聚合物的著火溫度對燃燒也起著至關重要的作用。聚合物的燃燒依賴于熱分解產生的可燃性氣體﹐可燃性氣體的著火溫度受燃燒活化能的制約﹐因此可燃性氣體的著火溫度與其化學結構之間并不存在對應關系。
3.燃燒熱
聚合物的穩定燃燒主要依靠釋放出的熱量（燃燒熱）來維持﹐若燃燒熱向周圍的散失大于燃燒釋放出的熱量﹐則一旦撤去熱源﹐燃燒就難于維持下去﹐反之燃燒進一步加劇。如果兩者達到平衡則進入穩定燃燒狀態。
4.氧氣的濃度
聚合物的燃燒需要有充足的氧氣﹐否則燃燒就不能發生或難于維持穩定的燃燒﹐并產生大量未充分燃燒的煙塵。不同分子結構的材料﹐燃燒時要求的氧氣濃度也不同。實際應用是﹐不少氧指數大于21的材料﹐在空氣中燃燒而不能自熄。因此通常講的阻燃并具有自熄性的材料氧指數至少大于27。
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