揭露尼龍阻燃劑那些小秘密
發(fā)布時(shí)間:2023-11-21 點(diǎn)擊數(shù):0
尼龍性能優(yōu)良,應(yīng)用廣泛。未經(jīng)改性的尼龍其阻燃性能較差,垂直燃燒只能達(dá)到UL94 V-2級(jí),氧指數(shù)為24%左右,并且在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生滴落,屬于易燃材料,在使用過(guò)程中極易引發(fā)火災(zāi)。 1.硅系阻燃劑
硅系阻燃劑包括無(wú)機(jī)硅和有機(jī)硅,其中無(wú)機(jī)硅主要包括二氧化硅、硅膠、硅酸鹽和滑石粉等,這類阻燃劑常用作填料使用;有機(jī)硅阻燃是一種新型的無(wú)鹵阻燃劑,也是一種成炭抑煙劑,主要指有機(jī)硅樹(shù)脂、聚硅氧烷(硅油、硅樹(shù)脂、硅橡膠和多種硅氧烷共聚物等)、聚硅烷等,其中發(fā)展最為迅速的是聚硅氧烷。 阻燃機(jī)理主要體現(xiàn)為凝聚相阻燃機(jī)理,即通過(guò)生成裂解碳層和提高碳層的抗氧化性實(shí)現(xiàn)其阻燃作用。
高分子材料中添加有機(jī)硅阻燃劑后,有機(jī)硅阻燃劑多半會(huì)遷移到材料表面,高溫下發(fā)生反應(yīng),在聚合物表面形成含碳硅酸鹽層,具有延緩或阻止可燃性氣體的逸出和自由基的生成的作用。
同時(shí),阻燃劑也會(huì)促進(jìn)高分子的成碳作用,從而降低高分子的降解速度、使得其在高溫下不易發(fā)生熱分解。
另一方面,硅系阻燃劑受熱也會(huì)發(fā)生熱分解反應(yīng),這個(gè)過(guò)程需要吸收大量熱量,可達(dá)到使阻燃材料升溫減緩或中止的效果。 2.磷系阻燃劑
根據(jù)磷系阻燃劑的性質(zhì)和組成,可以分成無(wú)機(jī)磷系阻燃劑和有機(jī)磷系阻燃劑。
其中無(wú)機(jī)磷系阻燃劑包括紅磷、磷酸銨鹽和聚磷酸銨等,有機(jī)磷系阻燃劑包括磷酸酯、亞磷酸酯等。磷系阻燃劑同樣也是一類高效、穩(wěn)定、使用非常廣泛的阻燃劑,其阻燃機(jī)理主要為形成隔離膜來(lái)達(dá)到阻燃效果。
隔離膜的形成有兩種不同的方法:
(1)對(duì)于含氧聚合物的阻燃作用:利用阻燃劑的熱降解產(chǎn)物促使聚合物表面快速脫水碳化,進(jìn)而形成碳化層。由于單質(zhì)碳不進(jìn)行產(chǎn)生火焰的蒸發(fā)燃燒和分解燃燒,因此起到阻燃效果。
內(nèi)在發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是含磷化合物熱分解得到的最終產(chǎn)物是聚偏磷酸,而這是一種強(qiáng)脫水劑。
(2)磷系阻燃劑在燃燒溫度下分解成不易揮發(fā)的玻璃狀物質(zhì),它能包裹在聚合物表面,這種致密的保護(hù)層起到隔離層的作用。 有機(jī)磷系阻燃劑發(fā)揮作用的階段主要在于高分子材料分解階段的火災(zāi)初期。
它能促進(jìn)高分子材料脫水炭化,從而使高分子材料不能產(chǎn)生可燃性氣體,并且由于不揮發(fā)性磷化合物起凝結(jié)劑的作用,使炭化物形成保護(hù)性炭膜,以隔絕外界的空氣和熱。
3.經(jīng)過(guò)處理的Al(OH) 3 阻燃劑
氫氧化鋁也稱之為三水合氧化鋁(ATH),分子式為Al(OH) 3 ,是出現(xiàn)時(shí)間最早的無(wú)機(jī)阻燃劑之一,其可以和多種物質(zhì)產(chǎn)生協(xié)同作用,并且無(wú)毒無(wú)腐蝕性。
目前氫氧化鋁阻燃劑的使用占無(wú)機(jī)阻燃劑總量的80%以上,被廣泛運(yùn)用于各種聚合物塑料產(chǎn)品中。在聚合物材料中添加氫氧化鋁后,可以降低可燃聚合物濃度。
當(dāng)聚合物材料受熱時(shí)(250℃左右),氫氧化鋁發(fā)生脫水反應(yīng),并吸收大量熱能,有效抑制聚合物材料升溫。同時(shí)分解產(chǎn)生的水蒸氣能夠稀釋燃燒產(chǎn)生的可燃性氣體以及氧氣濃度,抑制了燃燒的持續(xù)蔓延。
同時(shí)分解產(chǎn)生的另一種金屬氧化物三氧化二鋁(Al 2 O 3 )因具備較高的催化活性,可以催化聚合物熱交聯(lián)反應(yīng),從而在聚合物表面形成一層致密的碳化膜,這層膜可以有效減緩燃燒時(shí)的傳熱作用,從而起到阻燃作用。
氧化鋁還能吸附顆粒,起到抑制煙塵的作用。一般情況下,氫氧化鋁的添加含量越高,其阻燃效果越好,但是過(guò)多的填充量會(huì)大幅降低聚合物材料的強(qiáng)度等性能。
氫氧化鋁也存在另一個(gè)不足之處,就是分解溫度較低,在245℃~320 ℃之間就可以發(fā)生脫水反應(yīng),因此添加阻燃劑氫氧化鋁也限制了聚合物材料的加工溫度。 3.鹵系阻燃劑
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,應(yīng)用較多的鹵系阻燃劑是含溴和含氯型阻燃劑。
鹵系阻燃劑大多數(shù)為有機(jī)物,和主體聚合物材料具有良好的相容性,作為阻燃添加劑的鹵系阻燃劑不會(huì)對(duì)聚合物材料本身的物理化學(xué)性質(zhì)造成本質(zhì)影響,另外,鹵系阻燃劑可以滿足其添加量很少,但是可以達(dá)到極其優(yōu)異的阻燃效果。
含溴的鹵系阻燃劑包括脂肪族、脂環(huán)族、芳香族等含溴化合物,常見(jiàn)的有十溴二苯醚、十溴二苯乙烷以及四溴雙酚A等,含氯阻燃劑主要為氯化石蠟。
溴系和氯系的阻燃機(jī)理相似:高溫下,鹵系阻燃劑中的碳鹵鍵可以斷開(kāi),釋放出鹵素自由基并有效捕捉聚合物材料因受熱降解產(chǎn)生的游離活性自由基,可以有效降低自由基的濃度,從而緩解或者終止燃燒的自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
另外,鹵系阻燃劑分解釋放出的鹵化氫具有不易燃燒的性質(zhì),有效阻隔氧氣,同時(shí)抑制燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。
然而,一旦添加了鹵系阻燃劑的高分子材料燃燒,必定會(huì)產(chǎn)生大量的鹵化氫氣體,這類氣體具有毒性、和腐蝕性,同時(shí)也極易吸附空氣中的水分形成強(qiáng)腐蝕性的氫鹵酸,并伴隨著大量的煙霧,這些煙霧、有毒氣體和腐蝕性氣體會(huì)危害人類健康,同時(shí)也給滅火、逃離和恢復(fù)工作帶來(lái)極大的障礙。
4.無(wú)機(jī)阻燃劑
無(wú)機(jī)阻燃劑的阻燃作用主要是使用大比容填料的蓄熱和導(dǎo)熱性質(zhì),使得材料不易達(dá)到分解溫度,或者通過(guò)阻燃劑受熱分解吸熱,從而緩解或者終止主體材料的升溫過(guò)程。其阻燃機(jī)理是在受熱時(shí)釋放出結(jié)晶水,蒸發(fā),分解并放出水蒸氣。
這個(gè)反應(yīng)過(guò)程需要吸收大量的燃燒熱能,從而大幅降級(jí)材料的表面溫度,使得高分子材料的熱分解和燃燒的概率大幅降低。
硅系阻燃劑包括無(wú)機(jī)硅和有機(jī)硅,其中無(wú)機(jī)硅主要包括二氧化硅、硅膠、硅酸鹽和滑石粉等,這類阻燃劑常用作填料使用;有機(jī)硅阻燃是一種新型的無(wú)鹵阻燃劑,也是一種成炭抑煙劑,主要指有機(jī)硅樹(shù)脂、聚硅氧烷(硅油、硅樹(shù)脂、硅橡膠和多種硅氧烷共聚物等)、聚硅烷等,其中發(fā)展最為迅速的是聚硅氧烷。
高分子材料中添加有機(jī)硅阻燃劑后,有機(jī)硅阻燃劑多半會(huì)遷移到材料表面,高溫下發(fā)生反應(yīng),在聚合物表面形成含碳硅酸鹽層,具有延緩或阻止可燃性氣體的逸出和自由基的生成的作用。
同時(shí),阻燃劑也會(huì)促進(jìn)高分子的成碳作用,從而降低高分子的降解速度、使得其在高溫下不易發(fā)生熱分解。
另一方面,硅系阻燃劑受熱也會(huì)發(fā)生熱分解反應(yīng),這個(gè)過(guò)程需要吸收大量熱量,可達(dá)到使阻燃材料升溫減緩或中止的效果。
根據(jù)磷系阻燃劑的性質(zhì)和組成,可以分成無(wú)機(jī)磷系阻燃劑和有機(jī)磷系阻燃劑。
其中無(wú)機(jī)磷系阻燃劑包括紅磷、磷酸銨鹽和聚磷酸銨等,有機(jī)磷系阻燃劑包括磷酸酯、亞磷酸酯等。磷系阻燃劑同樣也是一類高效、穩(wěn)定、使用非常廣泛的阻燃劑,其阻燃機(jī)理主要為形成隔離膜來(lái)達(dá)到阻燃效果。
隔離膜的形成有兩種不同的方法:
(1)對(duì)于含氧聚合物的阻燃作用:利用阻燃劑的熱降解產(chǎn)物促使聚合物表面快速脫水碳化,進(jìn)而形成碳化層。由于單質(zhì)碳不進(jìn)行產(chǎn)生火焰的蒸發(fā)燃燒和分解燃燒,因此起到阻燃效果。
內(nèi)在發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是含磷化合物熱分解得到的最終產(chǎn)物是聚偏磷酸,而這是一種強(qiáng)脫水劑。
(2)磷系阻燃劑在燃燒溫度下分解成不易揮發(fā)的玻璃狀物質(zhì),它能包裹在聚合物表面,這種致密的保護(hù)層起到隔離層的作用。
它能促進(jìn)高分子材料脫水炭化,從而使高分子材料不能產(chǎn)生可燃性氣體,并且由于不揮發(fā)性磷化合物起凝結(jié)劑的作用,使炭化物形成保護(hù)性炭膜,以隔絕外界的空氣和熱。
3.經(jīng)過(guò)處理的Al(OH) 3 阻燃劑
氫氧化鋁也稱之為三水合氧化鋁(ATH),分子式為Al(OH) 3 ,是出現(xiàn)時(shí)間最早的無(wú)機(jī)阻燃劑之一,其可以和多種物質(zhì)產(chǎn)生協(xié)同作用,并且無(wú)毒無(wú)腐蝕性。
目前氫氧化鋁阻燃劑的使用占無(wú)機(jī)阻燃劑總量的80%以上,被廣泛運(yùn)用于各種聚合物塑料產(chǎn)品中。在聚合物材料中添加氫氧化鋁后,可以降低可燃聚合物濃度。
當(dāng)聚合物材料受熱時(shí)(250℃左右),氫氧化鋁發(fā)生脫水反應(yīng),并吸收大量熱能,有效抑制聚合物材料升溫。同時(shí)分解產(chǎn)生的水蒸氣能夠稀釋燃燒產(chǎn)生的可燃性氣體以及氧氣濃度,抑制了燃燒的持續(xù)蔓延。
同時(shí)分解產(chǎn)生的另一種金屬氧化物三氧化二鋁(Al 2 O 3 )因具備較高的催化活性,可以催化聚合物熱交聯(lián)反應(yīng),從而在聚合物表面形成一層致密的碳化膜,這層膜可以有效減緩燃燒時(shí)的傳熱作用,從而起到阻燃作用。
氧化鋁還能吸附顆粒,起到抑制煙塵的作用。一般情況下,氫氧化鋁的添加含量越高,其阻燃效果越好,但是過(guò)多的填充量會(huì)大幅降低聚合物材料的強(qiáng)度等性能。
氫氧化鋁也存在另一個(gè)不足之處,就是分解溫度較低,在245℃~320 ℃之間就可以發(fā)生脫水反應(yīng),因此添加阻燃劑氫氧化鋁也限制了聚合物材料的加工溫度。
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,應(yīng)用較多的鹵系阻燃劑是含溴和含氯型阻燃劑。
鹵系阻燃劑大多數(shù)為有機(jī)物,和主體聚合物材料具有良好的相容性,作為阻燃添加劑的鹵系阻燃劑不會(huì)對(duì)聚合物材料本身的物理化學(xué)性質(zhì)造成本質(zhì)影響,另外,鹵系阻燃劑可以滿足其添加量很少,但是可以達(dá)到極其優(yōu)異的阻燃效果。
含溴的鹵系阻燃劑包括脂肪族、脂環(huán)族、芳香族等含溴化合物,常見(jiàn)的有十溴二苯醚、十溴二苯乙烷以及四溴雙酚A等,含氯阻燃劑主要為氯化石蠟。
溴系和氯系的阻燃機(jī)理相似:高溫下,鹵系阻燃劑中的碳鹵鍵可以斷開(kāi),釋放出鹵素自由基并有效捕捉聚合物材料因受熱降解產(chǎn)生的游離活性自由基,可以有效降低自由基的濃度,從而緩解或者終止燃燒的自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
另外,鹵系阻燃劑分解釋放出的鹵化氫具有不易燃燒的性質(zhì),有效阻隔氧氣,同時(shí)抑制燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。
然而,一旦添加了鹵系阻燃劑的高分子材料燃燒,必定會(huì)產(chǎn)生大量的鹵化氫氣體,這類氣體具有毒性、和腐蝕性,同時(shí)也極易吸附空氣中的水分形成強(qiáng)腐蝕性的氫鹵酸,并伴隨著大量的煙霧,這些煙霧、有毒氣體和腐蝕性氣體會(huì)危害人類健康,同時(shí)也給滅火、逃離和恢復(fù)工作帶來(lái)極大的障礙。
4.無(wú)機(jī)阻燃劑
無(wú)機(jī)阻燃劑的阻燃作用主要是使用大比容填料的蓄熱和導(dǎo)熱性質(zhì),使得材料不易達(dá)到分解溫度,或者通過(guò)阻燃劑受熱分解吸熱,從而緩解或者終止主體材料的升溫過(guò)程。其阻燃機(jī)理是在受熱時(shí)釋放出結(jié)晶水,蒸發(fā),分解并放出水蒸氣。
這個(gè)反應(yīng)過(guò)程需要吸收大量的燃燒熱能,從而大幅降級(jí)材料的表面溫度,使得高分子材料的熱分解和燃燒的概率大幅降低。