高分子材料性能優(yōu)異，具有許多其他材料不具備的特性: 如質(zhì)輕、加工性能好、高流動(dòng)性易于成型、絕緣性、耐磨性等。但大多數(shù)高分子材料是碳?xì)溆袡C(jī)結(jié)構(gòu)，屬于易燃、可燃材料，在燃燒時(shí)熱釋放速率大、熱值高、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤�不易熄�? 某些材料燃燒時(shí)還產(chǎn)生濃煙及有毒氣體，對(duì)人類生命安全與環(huán)境保護(hù)構(gòu)成潛在的威脅。近年來(lái)，全球阻燃材料行業(yè)產(chǎn)值逐年增長(zhǎng)，同時(shí)，各國(guó)相繼提升有關(guān)材料阻燃的法規(guī)，對(duì)高分子材料的阻燃性提出更高的要求。
1.高分子復(fù)合材料的阻燃機(jī)理
高分子材料的燃燒遵循燃燒三要素( 可燃物質(zhì)、助燃物質(zhì)及著火源的規(guī)律，高分子材料主要為碳?xì)浣Y(jié)構(gòu)，屬于可燃物。助燃劑在通常情況下為空氣中的氧氣組分，也包括各類氧化劑，高分子材料通常在空氣中使用，與空氣中的氧氣接觸充分，并且高分子材料有時(shí)會(huì)添加各類氧化劑，這些氧化劑在燃燒過(guò)程中會(huì)起到助燃劑的作用。著火源為明火與各類高溫場(chǎng)所，高分子材料的起火點(diǎn)普遍較低，某些使用場(chǎng)合易接觸高溫環(huán)境，也使得高分子材料易于起火引發(fā)火情。高分子材料的燃燒可分為熱氧降解和燃燒兩個(gè)過(guò)程，涉及傳熱、高分子材料在凝聚相的熱氧降解、分解產(chǎn)物在固相及氣相中的擴(kuò)散、與空氣混合形成氧化反應(yīng)場(chǎng)及氣相中的鏈?zhǔn)饺紵�反�?yīng)等一系列環(huán)節(jié)。因此，當(dāng)高分子材料受熱能夠使其分解，且分解產(chǎn)生的可燃物達(dá)到一定濃度，同時(shí)體系被加熱到點(diǎn)燃溫度后，燃燒才能發(fā)生。而己被點(diǎn)燃的高分子材料在點(diǎn)燃源穩(wěn)定后能否繼續(xù)燃燒則取決于燃燒過(guò)程的熱量平衡。當(dāng)燃燒產(chǎn)生的熱量大于或等于燃燒過(guò)程各階段所需的總熱量時(shí)，燃燒才能繼續(xù)，否則將終止或熄滅。物質(zhì)的燃燒要同時(shí)滿足燃燒三要素的條件，那么阻燃就是從相反的方向來(lái)控制三要素，只要破壞了其中一個(gè)要素條件，燃燒即可終止。為了達(dá)到很好的阻燃效果，通常會(huì)采用多種阻燃技術(shù)，同時(shí)控制燃燒的三要素，即降低材料的可燃性、減少助燃劑的濃度及降低燃燒反應(yīng)的溫度來(lái)達(dá)到阻止材料燃燒的目的。
材料的阻燃機(jī)理與燃燒機(jī)理同樣復(fù)雜，往往涉及眾多的影響與制約因素，阻燃機(jī)理的分類也較多，主要有以下兩種機(jī)理。
1.1 氣相阻燃機(jī)理
在燃燒反應(yīng)進(jìn)行時(shí)，添加在材料中的阻燃劑受熱分解，產(chǎn)生大量的水蒸氣，氨氣，二氧化碳等惰性氣體，可稀釋空氣中的氧氣及材料燃燒產(chǎn)生的可燃性氣體。同時(shí)阻燃劑的受熱分解反應(yīng)需要吸收大量的熱量，這也降低了可燃性氣體的溫度，這些因素協(xié)同作用，使燃燒終止，達(dá)到了阻燃的目的。添加的無(wú)機(jī)類阻燃劑如氫氧化鎂、氫氧化鋁、水鎂石及一些碳酸鹽等屬于氣相阻燃機(jī)理，這類阻燃劑在燃燒反應(yīng)進(jìn)行時(shí)，受熱分解，吸收了大量的熱量，同時(shí)生成了水蒸氣，二氧化碳等惰性氣體，起到了隔氧，稀釋的作用，阻燃效果明顯。另一類氣相阻燃機(jī)理就是自由基抑制機(jī)理，鹵 － 銻阻燃體系就是典型的自由基抑制阻燃。 燃燒反應(yīng)生成大量的活性自由基，自由基引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，使得燃燒快速進(jìn)行。添加阻燃材料，如鹵系阻燃劑/三氧化二銻等自由基終止劑，則可以吸收燃燒反應(yīng)生成的自由基，從而中斷燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，起到阻燃的作用。
1.2 凝聚相阻燃機(jī)理
凝聚相阻燃主要是指在燃燒反應(yīng)進(jìn)行時(shí)，在凝聚相的外層形成膨脹碳層，這種多孔膨脹碳層起到隔熱，防火阻燃的作用。各類磷 － 氮協(xié)效阻燃體系，新型的納米層狀阻燃材料就屬于這類阻燃機(jī)理。這類阻燃體系需要有高效的成碳組分，稱為碳源，代表性的碳源組分有季戊四醇，成碳效果直接影響阻燃效果的優(yōu)劣。
2. 阻燃劑的分類
阻燃劑的分類方法很多，主要分為有鹵和無(wú)鹵阻燃劑兩大類。
2.1 鹵系阻燃劑
鹵系阻燃劑主要有溴系阻燃劑和含氯阻燃劑兩個(gè)大類，溴系阻燃劑在有機(jī)阻燃劑中占統(tǒng)治地位，占有機(jī)阻燃劑總量的 80%以上，表 1 為常用的一些溴系阻燃劑。
氯系阻燃劑的種類不如溴系阻燃劑多，主要有，氯化石蠟，氯化聚乙烯及用于不飽和樹(shù)脂阻燃劑的四氯鄰苯二甲酸酐等。還有一類大品種的含氯高分子材料 － 聚氯乙烯，本身在分子結(jié)構(gòu)中含有大量的鹵素氯，可以起到很好的阻燃作用。
鹵系阻燃劑的使用廣泛，但是目前正受到越來(lái)越多的質(zhì)疑與挑戰(zhàn)，鹵系阻燃對(duì)環(huán)境的危害正逐漸被人們認(rèn)識(shí)，不僅因?yàn)槠湓谌紵�過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量有毒性煙霧氣體 － 鹵化氫，并且鹵系阻燃劑的使用還在環(huán)境沉淀區(qū)與生態(tài)區(qū)中長(zhǎng)期存在， 對(duì)環(huán)境與生態(tài)的危害日趨嚴(yán)重。因此，歐盟頒布了 ＲOHS 規(guī)則，嚴(yán)格限制了某些溴系阻燃劑的使用，也迫使制造商不斷地開(kāi)發(fā)高效、無(wú)毒無(wú)害的阻燃劑產(chǎn)品。
2.2 無(wú)鹵阻燃劑無(wú)鹵阻燃劑分有機(jī)和無(wú)機(jī)兩大類
2.2.1 無(wú)機(jī)無(wú)鹵阻燃劑
無(wú)機(jī)阻燃劑主要有氫氧化鋁、氫氧化鎂、水鎂石、磷氮體系、碳酸鹽及一些新穎的無(wú)機(jī)阻燃劑等。其中氫氧化鋁和含溴阻燃劑一樣，在市場(chǎng)上占有很高的份額。氫氧化鋁阻燃劑的特點(diǎn)是阻燃、抑煙、低腐蝕及價(jià)格低廉，其市場(chǎng)增長(zhǎng)率約為5% / 年，高于其他類阻燃劑的市場(chǎng)增長(zhǎng)率。
氫氧化鎂作為阻燃劑與氫氧化鋁的作用極其類似， 但氫氧化鎂的分解溫度比氫氧化鋁高 60℃，吸熱量高約 17%，抑煙能力也較強(qiáng)，同樣價(jià)格也比氫氧化鋁高，適用于加工溫度較高的聚合物體系。通常情況下，兩者并用，通過(guò)調(diào)整兩者的配比來(lái)達(dá)到最佳的協(xié)同效應(yīng)。
  三氧化銻的阻燃機(jī)理與阻燃效果在含鹵體系中作用明顯，但它也可以單獨(dú)使用，超細(xì)( 0． 3μm 以下)三氧化二銻在阻燃纖維中使用較多。目前該類型的無(wú)機(jī)阻燃劑正向納米級(jí)方向發(fā)展，納米氫氧化鎂，納米氫氧化鋁阻燃劑都有研究。一些新型的無(wú)機(jī)阻燃材料也在研究開(kāi)發(fā)中，如納米級(jí)層狀材料、納米蒙脫土、納米級(jí)片狀石墨、富勒烯及石墨烯等均具有一定的阻燃作用。
硼酸鋅具有阻燃、 抑煙、成炭抑燃及防止熔滴等多種功能，硼酸鋅價(jià)廉、無(wú)毒、無(wú)刺激，在低于 260℃ 時(shí)仍保持結(jié)晶水，以共價(jià)鍵與羥基結(jié)合。硼酸鋅的另一特點(diǎn)是對(duì)很多聚合物的強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率有很好的保持作用，也不會(huì)降低聚合物的老化強(qiáng)度。周玉新等運(yùn)用新型的撞擊流反應(yīng)器進(jìn)行了制備超細(xì)阻燃劑 － 硼酸鋅的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明產(chǎn)品純度較高，平均粒徑為 20 ～40nm。一些受熱燃燒易分解的碳酸鹽也作為新型阻燃劑在開(kāi)發(fā)研究使用，如碳酸鎂，堿式碳酸鹽等。這類阻燃劑受熱分解溫度較高，尤其適合高溫阻燃材料，分解吸熱大，并且分解產(chǎn)生的水蒸氣與二氧化碳具備隔氧滅火功能。 馮才敏等研究了碳酸鎳在磷氮膨脹阻燃體系中協(xié)同效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)少量碳酸鎳的加入即可大幅度提升材料的阻燃性能，加入 2% 的碳酸鎳可使氧指數(shù)從 27 提升至 37，分析認(rèn)為碳酸鎳的加入可以促進(jìn)成炭，并穩(wěn)定炭層，增加炭層厚度。
無(wú)機(jī)磷阻燃劑應(yīng)用研究有較長(zhǎng)的歷史，磷 － 氨阻燃劑對(duì)纖維素的阻燃非常有效。其中，磷酸銨、磷酸銨鈉、硫酸銨、錫酸銨和磷酸銨及氯化銨的混合物很適用于纖維阻燃。最近對(duì)磷酸二氫銨和磷酸氫二銨或低分子量聚磷酸銨與硼酸銨、硫酸銨、氨基磺酸銨和溴化銨的共混物的研究有了新發(fā)現(xiàn)，它們的不同組合對(duì)合成纖維的阻燃有明顯效果。高聚合度的聚磷酸銨( APP)廣泛應(yīng)用于各種防火涂料之中，聚合度越高，阻燃效果越好，阻燃效應(yīng)越長(zhǎng)久。對(duì)紅磷的表面處理、穩(wěn)定化處理及包覆處理使紅磷的吸濕性、自燃溫度、釋放磷化氫量、粉塵爆炸濃度、落高自燃及與高聚物的相容性等性能得到極大的改善。鉬酸銨在具備一定的阻燃性能的同時(shí)，抑煙效果顯著，在配方體系中作為阻燃抑煙劑使用，在各類低煙無(wú)鹵阻燃配方中較常見(jiàn)。
 2.2.2 有機(jī)無(wú)鹵阻燃劑
有機(jī)無(wú)鹵阻燃劑主要有有機(jī)磷、氮類阻燃劑及有機(jī)硅阻燃劑。有機(jī)磷化物是添加型阻燃劑，該類阻燃劑燃燒時(shí)生成的偏磷酸可形成穩(wěn)定的多聚體，覆蓋于復(fù)合材料表面隔絕氧和可燃物，起到阻燃作用，其阻燃效果優(yōu)于溴化物，要達(dá)到同樣的阻燃效果，溴化物用量為磷化物的 4 ～ 7 倍。該類阻燃劑主要有磷( 膦)酸酯等，廣泛地用于環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、聚酯、聚碳酸酯、聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、ABS 等。王彥林等在無(wú)溶劑條件下，制備了一種聚合型含硫有機(jī)磷阻燃劑 PDPTP，利用該阻燃劑所含的磷硫阻燃協(xié)同效應(yīng)，可提高復(fù)合材料的阻燃性能。
有機(jī)氮類阻燃劑以三嗪系阻燃劑為代表，主要組分是三聚氰胺及其衍生物這類阻燃劑有多重反應(yīng)功能，有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，成炭性、相容性及阻燃性，因此應(yīng)用面也廣，常用的三聚氰胺、三聚氰胺氰脲酸鹽( MCA)、MP、MPP 等。有機(jī)硅阻燃性的良好的環(huán)境適應(yīng)性使其在環(huán)境友好類材料中獲得了應(yīng)用，其特點(diǎn)是用有機(jī)硅阻燃劑制備的高分子阻燃材料的力學(xué)性能優(yōu)異，耐寒性，耐沖擊都較為突出，并且有機(jī)硅阻燃劑與其他阻燃劑的協(xié)同效果好，燃燒生成的含硅層參與成炭，有利于提高材料的成炭阻燃效果。
3 高分子阻燃材料的分類
3.1 有鹵阻燃高分子材料
分子結(jié)構(gòu)含鹵素或外加鹵素型阻燃高分子材料在各類電器塑料，汽車塑料領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。這類材料配方中主要添加了溴系阻燃劑及三氧化二銻協(xié)同劑，應(yīng)用一些新型含溴阻燃劑以規(guī)避各類政策法規(guī)、降低阻燃劑的用量等成為該類材料開(kāi)發(fā)的主流方向。
 3.2 無(wú)鹵阻燃高分子材料
與含鹵阻燃高分子材料的情況相反，各類無(wú)鹵阻燃、低煙無(wú)鹵阻燃高分子材料發(fā)展前景看好。但是無(wú)鹵阻燃高分子材料有自身的弱點(diǎn)，如阻燃性能不如含鹵阻燃材料，氧指數(shù)普遍達(dá)不到 30，而含鹵阻燃高分子材料的氧指數(shù)普遍超過(guò)30，有些阻燃要求高的場(chǎng)合，氧指數(shù)的要求甚至達(dá)到 40，這類高阻燃的場(chǎng)合目前無(wú)鹵阻燃材料應(yīng)用困難。
無(wú)鹵阻燃高分子材料目前以氫氧化鋁、氫氧化鎂填充的為主，少部分應(yīng)用磷氮類膨脹阻燃體系。氫氧化鋁、氫氧化鎂填充無(wú)鹵阻燃材料目前市場(chǎng)應(yīng)用于電纜材料，磷氮膨脹阻燃類主要應(yīng)用在工程塑料行業(yè)。
 3.2.1 氫氧化鋁、氫氧化鎂填充阻燃體系
這個(gè)體系的特點(diǎn)是高填充，由于氫氧化鋁、氫氧化鎂的阻燃性能一般，需要添加大量的無(wú)機(jī)填料，填料含量必須要達(dá)到 60%左右，才具備一定的阻燃效果。總結(jié)起來(lái)就是這類材料有三大難題:阻燃性、加工成型及力學(xué)性能。眾所周知60% 左右的無(wú)機(jī)填充對(duì)高分子材料的性能影響是巨大的，如果填料的表面有機(jī)化處理不當(dāng)，制備的復(fù)合材料的力學(xué)性能會(huì)損失嚴(yán)重，流動(dòng)成型性能也大幅降低。
 3.2.2 水鎂石填充阻燃體系
目前水鎂石作為一種氫氧化鋁、氫氧化鎂的升級(jí)更新產(chǎn)品，研究與應(yīng)用比較熱門，水鎂石阻燃性能不高，單獨(dú)使用國(guó)產(chǎn)水鎂石阻燃高分子材料的氧指數(shù)為 25 ～ 28，鮮有能達(dá)到30 的。
3.2.3 磷氮膨脹阻燃高分子材料
應(yīng)用磷氮膨脹體系的阻燃高分子材料主要用于工程塑料的阻燃改性方面，如阻燃 PBT，阻燃 ABS，阻燃 PC 等。膨脹型阻燃劑是以磷、氮為主要阻燃元素的阻燃劑，由酸源( 脫水劑) 、炭源( 成炭劑)和氣源( 發(fā)泡劑)三部分組成。含有這類阻燃劑的高聚物受熱分解或燃燒時(shí)，表面能生成一層均勻的多孔炭質(zhì)泡沫層。該層隔熱、隔氧、能防止高聚物分解產(chǎn)生的揮發(fā)性可燃物由凝聚相進(jìn)入氣相燃燒區(qū)，還有抑煙和防止產(chǎn)生熔滴的作用。膨脹型阻燃劑符合當(dāng)今對(duì)材料抑煙、減毒的要求，是阻燃領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。磷氮膨脹阻燃高分子材料塑料制品應(yīng)用于家電，汽車等領(lǐng)域，對(duì)阻燃性能，力學(xué)性能，環(huán)境友好性要求較高，價(jià)格也較高。這類膨脹阻燃體系的配方技術(shù)水平高，依賴于阻燃劑本身阻燃性能及協(xié)同配合體系的效果。夏英等采用氫氧化鎂與包覆紅磷復(fù)配的阻燃體系， 阻燃劑總體含量在 43%左右即可使復(fù)合材料的氧指數(shù)達(dá)到 35，而單純使用氫氧化鎂阻燃劑，需添加 60% 以上的阻燃劑才可以使氧指數(shù)達(dá)到 30。可見(jiàn)在氫氧化鎂氫氧化鋁阻燃體系中復(fù)配磷氮阻燃劑對(duì)阻燃性能的提高大有裨益。但是該體系在復(fù)配時(shí)有要求，如酸堿匹配性，制品的顏色要求，因?yàn)榧t磷加入會(huì)使制品顏色發(fā)紅。
4.結(jié)論
阻燃高分子材料應(yīng)用廣泛，尤其是無(wú)鹵阻燃材料受政策的導(dǎo)向，市場(chǎng)看好。對(duì)無(wú)鹵阻燃機(jī)理更深入的研究，各類高效阻燃劑的合成開(kāi)發(fā)及材料配方的復(fù)配是該類材料的發(fā)展方向。