氢氧化铝阻燃剂(三分钟带你了解阻燃剂的发展现状)

Posted 2023-05-30

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氢氧化铝阻燃剂(三分钟带你了解阻燃剂的发展现状)

阻燃剂应用现状及面临问题

前言

随着科技的进步与社会的发展，聚合物由于具有质轻价廉、化学稳定性好、成型性好以及原料丰富等优点，被广泛应用于机械、纺织、建筑材料、汽车、电工电子等领域。

然而，大多数聚合物具有可燃易燃特性，而一旦燃烧，聚合物还会产生熔滴加快火势蔓延以及产生烟尘和一些有毒气体，从而造成人员伤亡以及巨大的经济损失。

因此聚合物阻燃技术一直是人们关注的问题之一，而且改领域的研究热度也较高。

图1　以“阻燃剂”、“阻燃性能”、“阻燃性”或“防火材料”为关键词的SCI论文数量统计图

阻燃剂分类

根据聚合物阻燃性能的方式，通常分为本征阻燃与添加型阻燃两种。本征型阻燃的原理是将氮、硅、磷等阻燃元素通过化学方法添加到聚合物分子链中，从而达到阻燃的效果。添加型阻燃是通过将阻燃剂添加到聚合物中，从而达到阻燃效果。该方法成本低，阻燃效果好，易于产业化，目前应用较广。

阻燃剂种类分为卤素阻燃剂、无机阻燃剂、膨胀型阻燃剂（IFR）和矿物阻燃剂。卤素阻燃剂阻燃效果好，添加量少，对基体材料力学性能影响小，分为溴系和氯系阻燃剂；无机阻燃剂可分为金属氧化物类、金属氢氧化物类；膨胀性助燃剂在受热过程中会发泡膨胀，通常为P、N、C为主要核心成分的复合阻燃剂；矿物阻燃剂分为普通矿物类、粘土矿物以及可膨胀石墨等等。

图2 无机阻燃剂-氢氧化铝阻燃剂

阻燃剂的环保性

某些阻燃剂如卤素阻燃剂，在燃烧过程中会产生有毒烟雾，因此卤素阻燃剂使用越来越少。又比如有机磷酸酯（OPEs），越来越多地用作增塑剂，并被阻燃剂行业用作受管制的多溴联苯醚的替代品。

然而其与有毒有机农药结构及其相似，引起公众对这些化合物构成的风险与担忧。虽然很少有报道OPE含量达到风险程度，但在少数研究中发现某些食品中含量令人担忧，特别是某些婴儿母乳中。

对此世界各大机构纷纷研究开发新品种的阻燃剂及替代品。目前，国内外学者对于环境友好型无卤阻燃剂研发开展大量研究，其中无机阻燃剂、IFR和矿物阻燃剂由于具有环境友好型和良好阻燃效果成为研究领域热点。

氢氧化镁、氢氧化铝等金属氢氧化物阻燃剂在受热分解后会释放结晶水并吸收大量燃烧热，从而降低聚合物表面温度；此外，脱水生成的金属氧化物可以催化形成炭层。但是无机阻燃剂只有加入较大量才可以达到阻燃效果，但这样又会导致材料力学性能下降。

而且，无机阻燃剂与聚合物结合力小，相容性差。IFR环保，可被用于多种聚合物阻燃，但是其与高聚物相容性差，吸湿性大、热稳定性弱以及阻燃剂分散性差等缺点。而矿物阻燃剂具有环保无毒、资源丰富、价格低廉等优点。其通常是以纳米尺度分散在聚合物中，多数粘土矿物的纳米片在二维方向上对聚合物燃烧产生的小分子、可燃蒸汽和放出热量起到阻隔作用。而提高粘土矿物阻燃效率、减低其添加量、提高其与聚合物界面相容性仍为一种挑战。

图3 塑料燃烧产生大量有毒烟尘

提高阻燃剂阻燃效果

提高阻燃剂阻燃效果目前主要有阻燃剂复配、添加阻燃协效剂和纳米化三种方法。

阻燃剂的复配

单一阻燃剂通常无法达到理想效果，而可以将多种阻燃剂复配使其产生协同阻燃效果。例如，金属氢氧化物阻燃剂效率低，需要大量添加，降低了聚合物的力学性能。因此，可以在氢氧化物添加量较小时，复配其他阻燃剂获得性能优异的阻燃复合材料。

2.添加阻燃协效剂

添加阻燃协效剂也可以有效提高阻燃剂性能。例如为了提高卤素阻燃剂阻燃效率，降低其使用量，通常加入氧化锑作为阻燃协效剂；又比如为提高IFR阻燃效率，可以向基体中添加阻燃协效剂与炭层助剂以提高阻燃效率。对于不同阻燃剂和聚合物基体材料，阻燃协效剂选用也是区别对待。常使用协同效应与阻燃效应考察阻燃剂与协效剂之间的协同效果。

3.阻燃剂纳米化

纳米颗粒比表面积大、扩散性高以及具有体积效应，当将纳米化阻燃颗粒作为阻燃添加剂中，聚合物阻燃效果会明显增加。研究表明纳米二氧化硅可以显著降低防火涂层的失重率、炭化指数、火焰传播率、热释放率，发烟率、总发烟量等等。

此外，纳米化后的阻燃剂可提高与聚合物间的界面相容性，有益于提高聚合物的综合力学性能。但是若要获得分散性优异的纳米聚合物复合材料，纳米阻燃剂容易团聚的问题仍需解决。

图4 纳米二氧化硅

阻燃剂开发要求

减少聚合物力学性能影响
适用聚合物色泽要求的阻燃剂
提高抑烟性能优秀
满足其他性能要求如热稳定性