水基型阻燃处理剂的特性及应用

Posted 2023-01-12 应用

篇首语：风流不在谈锋胜，袖手无言味最长。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了水基型阻燃处理剂的特性及应用相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

论述了水基型阻燃处理剂的组成与特性，分析了其阻燃机理和优缺点，总结并介绍了我国目前水基型阻燃处理剂的产品情况以及使用中存在的问题。
1 前言
我国阻燃技术的研究与应用起步较晚，但发展十分迅速。从传统、成熟的卤素阻燃剂、磷系阻燃剂、氮系阻燃剂，到后来的无卤素阻燃技术、催化阻燃技术，乃至现在的协同阻燃技术、纳米阻燃技术，目前都日益成熟和完善，并具备一定的生产能力。
在高聚物(包括天然的和人工合成的)材料中，能够起到阻燃作用的物质，主要是元素周期表中第Ⅴ族的N、P、As、Sb、Bi和第Ⅶ族的F、Cl、Br、I，其它还有Al、B、Sn、Mo、Mg、Ca、Ti等，但是较为常用的是：N、P、Sb、Cl、Br和B。笼统地讲，高聚物材料的阻燃剂可以分为反应型阻燃剂和添加型阻燃剂两大类。反应型阻燃剂主要是在聚合或缩聚过程中参与反应，结合到高聚物的主链或侧链中以起到阻燃作用。反应型阻燃剂具有稳定性好、不易消失、毒性小、对高聚物性能影响较小等优点，可以认为是一类理想的阻燃剂，但是由于其操作和加工工艺复杂，在实际使用中，并不如添加型阻燃剂普遍。添加型阻燃剂是添加在高聚物材料中，以物理的分散状态与高聚物混合而存在，从而发挥阻燃作用。水基型阻燃处理剂(以下简称阻燃剂)，作为添加型阻燃剂的一种，是以水为分散介质，采用喷涂或浸渍等方式，使木材、织物或纸板等获得规定的燃烧性能的阻燃剂。由于该种阻燃剂是以水为分散介质，决定了该种阻燃剂必须是水溶性的。用这种阻燃剂处理木材、织物或纸张，方法简便，效果明显，因而仍在广泛采用。
2 水基型阻燃剂的成分与特性
2.1 木材、织物、纸张需阻燃处理的必要性
纤维素是一种天然有机高分子化合物，它的分子式为(C6H10O5)n。在纺织工业中大量采用的棉纤维是较纯的纤维素，一般含量在90%以上。此外木材以及造纸原料竹、麻、麦杆、稻草等植物也含有多量的纤维素。纤维素是易燃材料，把纤维素加热到150℃时，它并不发生显著的变化，在250℃时生成H2O、CO2、炭残渣和可燃性气体；在250℃以上时纤维素大部分迅速生成焦油，并进一步分解成可燃性气体。这就是纤维素燃烧很难自熄的原因，因而必须人为地进行阻燃处理。
2.2 常见水基型阻燃剂
水基型阻燃剂种类很多(见表1)，但是得到普遍推广和使用的只是一部分。

2.3 水基型阻燃剂的阻燃机理
阻燃剂的作用就是保护材料不着火或使火焰难以蔓延。阻燃剂之所以具有阻燃作用，是因为在材料燃烧过程中，能够阻止或抑制其物理的变化或氧化反应的速度。水基型阻燃剂阻燃机理包括如下几种。
2.3.1 吸热效应
由于吸收热量，使材料的表面和内部温度降低，从而阻止了燃烧的扩大和蔓延。例如木材阻燃剂中的Na2B4O7+H3BO3即属于这种情况。一个Na2B4O7分子带有10个分子的结晶水。由于释放出结晶水要吸收大量的热(有资料报道，释放出结晶水需要夺取的热量为142 MJ/mol)，因而使材料的升温受到抑制，从而产生阻燃效应。
2.3.2 覆盖效应
水基型阻燃剂一般都能在材料表面形成均匀、致密的覆盖层。且很多无机盐的热稳定性比较好，从而使材料因热分解而生成的可燃性气体难以逸出，并对材料起到隔热和隔绝空气的作用，从而达到阻燃效果。大部分水基型阻燃剂都有这种功能。
2.3.3 稀释效应
有的物质在受热分解时能产生大量的不燃性气体，使高聚物材料所产生的可燃性气体被稀释而难以达到可燃的浓度范围，从而起到阻燃的作用。如处理纸制品的尿素、NH4Cl、NH4H2PO4、(NH4)2HPO4等，在受热时能分解出CO2、NH3、HCl等不燃性气体，即可起到稀释效应。
2.3.4 转移效应
有些无机盐能改变高分子材料的热分解模式，从而抑制可燃性气体的产生。比如NH4Cl、(NH4)3PO4作用于木材或织物，在受热时产生脱水反应，生成碳和水，而不是CO、H2等可燃性气体，从而阻止火焰蔓延。
3 水基型阻燃剂的性能
3.1 水基型阻燃剂的优点
3.1.1 加工简单，使用方便
由于水基型阻燃剂有效成分基本上都是无机盐，所以制作简单，运输、存储、乃至使用都很方便。比如：将氨通入经水稀释的磷酸溶液(H3PO4∶H2O=1∶1.3～ 1.4)中，控制反应液pH=3～4左右，通氨时不断搅拌和冷却，此时发生下列反应：NH3+H3PO4=NH4H2PO4，再将反应液浓缩至液面出现结晶膜，趁热抽滤，滤液再进行结晶，即得NH4H2PO4晶体。
3.1.2 安全性好
水基型阻燃剂不仅可以获得高度的阻燃效果，而且发烟量低，毒性小，火灾时产生的有毒气体和烟尘量小，因而对人体的危害也小。
3.1.3 稳定性好
水基型阻燃剂具有稳定性好，不易分解，不易挥发，效果持久的特点。
3.2 水基型阻燃剂的缺点
3.2.1 会对基材外观产生一定的影响
由于水基型阻燃剂基本采用的是喷涂或浸渍的处理方法，以物理分散方式存在于基材的内部和表面，必然会对基材的外观产生一定的影响。在处理织物时，会使织物的柔韧性和手感度降低；在处理木材时，会对木材可加工性和表面材质的天然质感产生影响。
3.2.2 对于深度阻燃要求比较高的产品，处理效果不太令人满意即使是采用真空高压浸渍方法，也只能在一定程度上浸润到基材内部，而且离表面越远的部位，阻燃剂分布量越低，阻燃效果越差。
3.2.3 耐水性差
对于有耐水性要求的被处理基材，一般不适用。
4 水基型阻燃剂在我国的应用
4.1 水基型阻燃剂在我国的存在
水基型阻燃剂一般是用来处理成品或原材料，通过喷涂、浸渍等方式使基材达到一定的阻燃效果。在我国，用于处理木材、织物、纸张的水基型阻燃剂都广泛使用。尤其是在建筑内部装修时，对于装饰织物如窗帘、帷幕、地毯的处理，对于纸质、布质壁纸的处理，对于木质顶棚、护墙板、地板、隔断的处理，水基型阻燃处理剂都不失为一种简便有效的方法。
4.2 我国水基型阻燃剂存在的问题
4.2.1 两组水基型阻燃剂检测数据见表2、表3。

4.2.2 水基型阻燃剂在应用中存在的问题
4.2.2.1 对被处理基材(包括木材、织物、纸张)外观有影响
经阻燃剂处理过的基材，手感会有比较明显的变化，如会使织物的柔韧度降低并变得僵硬，会使纸板变脆、发黄，会使木材的质感下降，甚至会影响到基材的色泽、花纹。

4.2.2.2 会使基材的发烟量增大
虽然阻燃剂处理后的基材，阻燃性能会加强，但是阻燃剂会降低基材的燃烧性能，使不完全燃烧增加。许多高聚物燃烧时都伴随着大量的烟雾产生，有的产生白烟，有的产生黑烟，有的刺激性大，有的刺激性小，这些现象的产生皆与烟雾的成分有关。烟雾中含炭微粒越多，颜色越深；含氯化氢、氰化氢、氧化氮、氨等成分越多，刺激性越大。我们都有一个常识，就是聚氯乙烯燃烧时明显比聚乙烯发烟量大。可见，很多含卤阻燃剂使用时在降低基材可燃性的同时，又带来了发烟量大的问题。
4.2.2.3 对基材强度的影响
经水基型阻燃处理剂处理过的基材(木材、织物、纸张等)，其强度会发生一定的变化。但是有的会使木材的抗弯强度增大，有的会使其抗弯强度减小；对于织物也同样，有的会使织物的断裂强度增大，有的会使其断裂强度减小。这种改变一般是由于阻燃剂的使用使基材纤维的钢性和韧性发生了改变，导致其变得更结实或更脆弱。
4.2.2.4 吸附干量过大
目前市场上的水基型阻燃处理剂，普遍存在着吸附干量过大的问题。一般来讲，吸附干量增大，会使得基材的阻燃效果加强。但是吸附干量过大，对被处理基材的外观、材质都会产生明显影响，甚至会影响到其可加工性。也会使基材变得更容易吸潮。
4.2.2.5 吸潮率大
吸潮率大，表明该阻燃剂对水分的吸附能力比较强。这可能是因为阻燃剂分子中存在着亲水基，或阻燃剂分子本身易于形成水合分子。阻燃剂的吸潮率大，将使得被处理基材变得更容易吸潮，从而会影响到使用效果。
5 结束语
水基型阻燃剂作为阻燃剂中的一类，拥有广泛的市场空间。由于这类阻燃剂具有价格低廉，使用方便，阻燃效果明显等优点，因而在木材、织物、纸张等可燃基材上大量使用。随着我国经济建设快速发展和人民生活水平的显著提高，无论是宾馆、剧院、商场、体育馆等公众建筑，还是居民住宅，家用电器和现代化装修都使得火灾荷载越来越大，着火危险性越来越高。如果不能采取有效的阻燃防火技术，一旦发生火灾其后果难以想象。水基型阻燃剂的使用能有效地延缓或阻止可燃基材的燃烧，为逃生和灭火赢得宝贵的时间。但是现行水基型阻燃剂，还有许多需要改进和提高的地方。现行使用的水基型阻燃剂阻燃效果不断加强，但是如何降低它对可燃基材的外观和质感的影响，如何解决吸潮率和吸附干量大的问题，是目前水基型阻燃处理剂普遍需要考虑的问题。