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近些年來，威脅公共安全的汽車自燃事件及威脅人生命財(cái)產(chǎn)安全的電器自燃現(xiàn)象不斷發(fā)生，材料的阻燃性能受到大家強(qiáng)烈關(guān)注，因此阻燃材料的研究和阻燃劑的合理使用顯得至關(guān)重要。
阻燃材料使用的阻燃劑主要有鹵族阻燃劑、無機(jī)阻燃劑及膨脹阻燃劑等。鹵族阻燃劑具有阻燃效果好、用量少、力學(xué)性能影響小等特點(diǎn)，一直是阻燃材料的主要阻燃劑，但鹵素阻燃劑燃燒時(shí)容易產(chǎn)生濃煙、二噁英及鹵化氫等問題，限制其應(yīng)用。無機(jī)阻燃劑雖有發(fā)煙量少、不產(chǎn)生毒氣的優(yōu)點(diǎn)，但其添加量大，嚴(yán)重影響阻燃材料的力學(xué)性能。膨脹型阻燃劑，顧名思義是指使聚合物受熱或燃燒時(shí)所發(fā)生膨脹或發(fā)泡現(xiàn)象的物質(zhì)，其最早使用于防火涂料中， 20世紀(jì)90年代Camino等人對(duì)膨脹阻燃聚丙烯做了大量的研究，開創(chuàng)了聚合物阻燃技術(shù)的新途徑。膨脹型阻燃劑具有高效、低煙、低毒、添加量少及無熔滴等特點(diǎn)，在某些材料中比其他阻燃劑的阻燃效率更高，因此膨脹型阻燃劑越來越多應(yīng)用于各種復(fù)合材料中。回復(fù)“阻燃劑”，查看更多
圖1 膨脹型阻燃劑炭層膨脹情況
一、 膨脹阻燃劑簡(jiǎn)介
1.1、膨脹阻燃劑(IFR)的組成
膨脹阻燃體系一般由酸源（脫水劑）、炭源（成炭劑）和氣源（發(fā)泡劑）三部分組成。其中酸源的功能是與炭源發(fā)生酯化反應(yīng)，使之脫水。目前使用較多的是聚磷酸銨、硅酸鹽、馬來酸酐等，這些物質(zhì)均可以受熱分解產(chǎn)生酸，實(shí)現(xiàn)酸源的主要功能；氣源是指能夠在受熱分解時(shí)釋放出大量無毒且不易燃?xì)怏w的化合物。常用的氣源主要有三聚氰胺、雙氰胺、聚磷酸銨(APP)、尿素等；炭源是指在燃燒過程中能被脫水劑奪走水分而被炭化的物質(zhì)。炭源是形成泡沫炭層物質(zhì)的基礎(chǔ)，主要是一些含碳量較高的多羥基化合物或碳水化合物。炭源是IFR中非常重要的一部分，炭源是否優(yōu)良直接決定了阻燃效果。炭源的品種主要有季戊四醇(PER)、酚醛樹脂、聚酰胺、丁四醇、環(huán)己六醇、淀粉、麥芽糖、三嗪類化合物等。
表1 常用的膨脹型阻燃劑
對(duì)于某些聚合物, 有時(shí)并不需要膨脹型阻燃劑的三種組分同時(shí)存在, 被阻燃聚合物本身可以充當(dāng)其中的一部分。但是，膨脹型阻燃劑添加到聚合物中必須具備以下條件：
(1)、穩(wěn)定性好, 能夠經(jīng)受聚合物加工過程中200℃以上的高溫；
(2)、由于熱降解而形成的炭渣不應(yīng)對(duì)膨脹發(fā)泡過程產(chǎn)生不良影響；
(3)、能夠均勻分散在聚合物中, 燃燒時(shí)能夠形成一層完整覆蓋在被阻燃材料表面的膨脹炭層；
(4)、與被阻燃聚合物有良好的相容性, 不與其他添加劑產(chǎn)生不良反應(yīng)。
1.2、膨脹型阻燃劑（IFR）的分類
膨脹型阻燃劑通常可分為有機(jī)含磷膨脹型阻燃劑和無機(jī)膨脹型石墨阻燃劑兩大類。
1.2.1、磷氮膨脹型阻燃劑（化學(xué)膨脹型阻燃劑）
磷－氮膨脹型阻燃劑是以磷、氮為主要成分的阻燃劑，其發(fā)煙量、有毒氣體的生成量很小，并顯示出良好的阻燃性能，被認(rèn)為是今后阻燃劑的重要發(fā)展方向之一。目前最典型且應(yīng)用最廣泛的磷－氮系膨脹型阻燃劑是三聚氰胺、APP、PER系統(tǒng)。其中三聚氰胺充當(dāng)氣源，PER是炭源，APP既可作酸源又可作為氣源。化學(xué)膨脹型阻燃體系的阻燃原理如圖2所示。在較低溫度下，先由APP釋放出酸性物質(zhì)，然后在稍高于釋放酸的溫度下，APP和多元醇化合物發(fā)生酯化反應(yīng)，在酯化過程中，酯化產(chǎn)物脫水成炭，形成炭層，體系開始熔融；酯化反應(yīng)產(chǎn)生的水蒸氣、氨氣等氣體和由氣源產(chǎn)生的不燃性氣體填充到炭層中去，使體系膨脹發(fā)泡，反應(yīng)接近完成時(shí)，體系炭層固化，最后就形成了多孔泡沫炭層，從而達(dá)到阻燃的目的。
圖2 三元化學(xué)膨脹阻燃體系的阻燃機(jī)理
1.2.2、膨脹型石墨阻燃劑（物理膨脹型阻燃劑）
膨脹型石墨(EG)是最近發(fā)展起來的一種新型的物理無機(jī)膨脹型阻燃劑。將天然石墨通過特殊化處理，可形成特殊層間化合物EG，當(dāng)其被加熱時(shí)，可沿C-C軸方向膨脹數(shù)百倍。EG自身可以成炭、發(fā)泡，但一般需要一些酸來催化使用，人們對(duì)于EG和有機(jī)膨脹阻燃劑的協(xié)同效應(yīng)作了大量研究，發(fā)現(xiàn)EG與有機(jī)膨脹阻燃劑一起使用能發(fā)揮出很好的阻燃效果。
表2 化學(xué)膨脹型阻燃劑和物理膨脹型阻燃劑對(duì)比
二、膨脹型阻燃劑存在的問題
當(dāng)前, 關(guān)于合成新型膨脹型阻燃劑的報(bào)道很多,但是真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的并不多。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的典型膨脹型阻燃劑也存在一些問題， 具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1.相容性差的問題
在聚合物中加入膨脹型阻燃劑， 雖然可以獲得較好的阻燃效果， 但卻由于膨脹型阻燃劑和大部分基體相容性較差,，進(jìn)而使聚合物的力學(xué)性能降低，尤其是拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和沖擊強(qiáng)度大幅度下降， 往往導(dǎo)致工程上難以應(yīng)用；
2.易吸潮問題
以APP、MEL 和PER 為主要成分的阻燃劑，由于APP 和PER 有一定的吸水性并且易進(jìn)行醇解反應(yīng)，最終導(dǎo)致阻燃聚合物抗水性能下降，易吸潮；
3.低分子物問題
現(xiàn)在使用的大部分膨脹型阻燃劑都是低分子物質(zhì)； 由于無機(jī)聚合物的聚合度較低，這就導(dǎo)致它們的熱穩(wěn)定性差， 易滲出，抗遷移性及聚合物的相容性差。最終導(dǎo)致阻燃產(chǎn)品的力學(xué)性能和外觀很差；
4.膨脹型阻燃劑各組分之間的配比問題
膨脹型阻燃劑各組分的配比往往需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)來獲得。
三、膨脹型阻燃劑（IFR)的改性提效新技術(shù)
傳統(tǒng)的阻燃劑有很多自身的局限性，如IFR對(duì)潮濕十分敏感、與含鹵阻燃劑相比所需求的添加量大、成炭不穩(wěn)定等。這些因素均會(huì)導(dǎo)致材料的阻燃性能或力學(xué)性能下降，從而限制IFR的應(yīng)用。阻燃劑添加得越多，材料性能受影響就越嚴(yán)重。因此迫切需要進(jìn)一步改善傳統(tǒng)阻燃劑的應(yīng)用性能。
1.協(xié)同阻燃技術(shù)
為了提高膨脹型阻燃材料的阻燃效果，學(xué)者首先會(huì)想到采用協(xié)同效應(yīng)提升材料的阻燃性能，并對(duì)不同材料選取適當(dāng)?shù)膮f(xié)效劑，如蒙脫土、沸石、金屬氧化物、螯合物以及一些含硼的化合物等。協(xié)效劑具有催化阻燃體系反應(yīng)、增加成炭量、提高炭層品質(zhì)等作用，因此添加高效協(xié)效劑是今后改善膨脹阻燃體系的研究重點(diǎn)。
2.表面改性技術(shù)
有些膨脹型阻燃劑跟聚合物材料相容性差、界面難以形成良好的結(jié)合和粘接。為改善其與聚合物間的粘接力和界面親和性，常采用偶聯(lián)劑對(duì)其進(jìn)行表面處理。常用的偶聯(lián)劑有硅烷和鈦酸酯類。
3.微膠囊技術(shù)
微膠囊阻燃技術(shù)是近年來新發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)。實(shí)質(zhì)是將阻燃劑粉碎分散成微粒后，用有機(jī)物或無機(jī)物進(jìn)行包囊，形成微膠囊阻燃劑，常用來改善一些阻燃劑與材料不相容的問題。
四、膨脹型阻燃劑的選擇
實(shí)驗(yàn)表明，膨脹型阻燃劑必須與高聚物類型相匹配，才能有效地發(fā)揮其阻燃功效，這種匹配性包括其熱行為，受熱條件下形成的物種及其他等。回復(fù)“阻燃劑”，查看更多
膨脹型阻燃劑用量與材料阻燃性的關(guān)系
另外，與傳統(tǒng)的鹵系阻燃劑比較，膨脹型阻燃劑有一個(gè)顯著不同的特點(diǎn)，即當(dāng)其用量低于一定值時(shí)，對(duì)材料的阻燃性（UL94V)基本沒有貢獻(xiàn)，但當(dāng)用量超過一定值時(shí)，材料的阻燃性急劇提高。而對(duì)鹵系阻燃劑，材料阻燃性隨阻燃劑用量幾乎呈線性增長(zhǎng)。見下圖。
鹵系阻燃劑及膨脹型阻燃劑的用量與被阻燃PP阻燃性的關(guān)系
五、膨脹型阻燃劑的發(fā)展前景
目前，人們不僅要求阻燃劑具有適當(dāng)?shù)淖枞夹阅埽乙笃湟譄熀蜏p少被阻燃材料燃燒時(shí)有毒氣體的釋放量，同時(shí)又不至于過多惡化材料的各種使用性能，因而使許多傳統(tǒng)阻燃劑面臨困境，這樣便給膨脹型阻燃劑的發(fā)展提供了良好的機(jī)遇。現(xiàn)在很多膨脹型阻燃劑（多為混合型）已商品化，還有很多新的膨脹型阻燃劑（包括單質(zhì)型及混合型）正在研發(fā)階段，具有良好的應(yīng)用前景。回復(fù)“阻燃劑”，查看更多
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