聚合物的燃燒與阻燃劑的作用機理
- 發(fā)布時(shí)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(wú)論中天然的,還是合成的,遇火都會(huì )燃燒.阻燃劑就是一類(lèi)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(shí)﹐燃燒迅速變慢﹐離開(kāi)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(wú)毒﹐不會(huì )在燃燒時(shí)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(huì )分解或者揮發(fā)﹔希望基礎樹(shù)脂的力學(xué)性能和物理性能不會(huì )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(jià)比（effect ratio /cost）﹐而不能過(guò)多地降低材料原有的良好性能為代價(jià)﹐來(lái)一味地滿(mǎn)足阻燃性能過(guò)高的要求。除此之外﹐在提高材料阻燃性的同時(shí)﹐應盡量減少材料的熱分解或燃燒生成的有毒氣體信發(fā)煙量。在阻燃劑領(lǐng)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(wú)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(lèi)。添加型阻燃劑是在塑料加工過(guò)程中簡(jiǎn)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(guò)程中﹐作為一個(gè)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(shù)脂。有些反應型阻燃劑﹐也可在塑料的加工過(guò)程中添加。
按照化學(xué)結構﹐阻燃劑又可分為無(wú)機阻燃劑和有機阻燃劑兩類(lèi)。無(wú)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(lèi)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(shù)脂起一定的化學(xué)反應﹐即阻燃劑與樹(shù)脂之間有鍵的結合﹐因此反應型阻燃劑在樹(shù)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(shù)脂物理混合﹐沒(méi)有化學(xué)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(guò)程
阻燃劑的燃燒是一個(gè)非常復雜的急劇氧化過(guò)程﹐從材料的吸熱分解到劇烈的氧化發(fā)光發(fā)熱﹐包括一系列的物理變化和化學(xué)變化。聚合物在受到外部熱源的作用時(shí)﹐首先被加熱﹑進(jìn)而降解﹑生成揮發(fā)性的可燃氣體和其它熱分解產(chǎn)物。隨著(zhù)可燃性氣體濃度的增大﹐當達到某一極限時(shí)聚合物開(kāi)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(chǎn)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(kāi)始燃燒﹐燃燒產(chǎn)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(huán)過(guò)程。因此阻燃也就是抑制這個(gè)燃燒的循環(huán)過(guò)程。
不同聚合物熱分解生成的產(chǎn)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(fā)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(fā)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(kāi)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(xué)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(chǎn)物。熱分解溫度高﹐說(shuō)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(chǎn)物決定著(zhù)聚合物引燃的難易程度﹐分解產(chǎn)物中含有可燃性氣體越多越易燃燒。
2.燃燒溫度和著(zhù)火溫度
燃燒溫度對聚合物的燃燒過(guò)程有著(zhù)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(shí)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(zhù)火溫度對燃燒也起著(zhù)至關(guān)重要的作用。聚合物的燃燒依賴(lài)于熱分解產(chǎn)生的可燃性氣體﹐可燃性氣體的著(zhù)火溫度受燃燒活化能的制約﹐因此可燃性氣體的著(zhù)火溫度與其化學(xué)結構之間并不存在對應關(guān)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(lái)維持﹐若燃燒熱向周?chē)纳⑹Т笥谌紵尫懦龅臒崃咯o則一旦撤去熱源﹐燃燒就難于維持下去﹐反之燃燒進(jìn)一步加劇。如果兩者達到平衡則進(jìn)入穩定燃燒狀態(tài)。
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(fā)生或難于維持穩定的燃燒﹐并產(chǎn)生大量未充分燃燒的煙塵。不同分子結構的材料﹐燃燒時(shí)要求的氧氣濃度也不同。實(shí)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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