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嘉峪檢測網 2022-02-23 21:45
塑料具有優良的性能，應用范圍越來越廣，特別是在建筑、交通、家具、電子電器及日用品等行業被大量使用，方便和美化了人們的生活與環境，獲得了顯著的經濟效益和社會效益，已逐步代替了傳統材料。
但是，絕大多數常用塑料在空氣中是可燃或易燃的，燃燒時會產生大量煙霧和有毒氣體，使人中毒窒息而死，且影響消防救援工作。因此，塑料和阻燃改性技術已引起世界各國的高度重視。
常用塑料的燃燒特性
塑料的燃燒過程和燃燒反應
塑料的燃燒過程
塑料的燃燒過程是一個非常激烈復雜的熱氧化反應，具有冒濃煙或熾烈火焰的特征。塑料燃燒的一般過程可分為5個基本階段。
第一階段：加熱升溫。塑料之所以發生燃燒，首先是因為在外部熱源的作用下溫度上升。熱塑性塑料此時會有熔融現象。
第二階段：熱分解。當塑料受熱升溫至分解溫度時，將發生熱分解，并產生可燃性氣體和其他熱分解產物，主要包括：
①可燃氣體，如甲烷、乙烷、丙烷、甲醛、丙酮、一氧化碳等。
②不燃氣體，如二氧化碳、氮氣等。
③液體產物，即熔融降解聚合物和預聚體。
④固體產物，如碳化物等。
⑤煙氣，即懸浮于空氣中的固體（如碳）顆粒。
第三階段：著火。當塑料受熱分解產生的可燃氣體濃度達到著火及先后，與氧氣相遇，并且被加熱到點燃溫度時，即可引發塑料燃燒，并從局部向整體擴散。
第四階段∶持續燃燒。當塑料的燃燒凈熱，即塑料的燃燒熱與加熱鄰接材料到燃燒狀態所需的熱量之差等于或大于0時，塑料將持續自行燃燒。
第五階段∶燃燒停止。當塑料燃燒進行到燃燒凈熱為負值時，則已著火的塑料將會在點火源移開后停止燃燒。
聚合物燃燒基本過程示意圖
塑料的燃燒反應
塑料熱分解產物的燃燒是按照自由基鏈式反應進行的，其機理與塑料熱氧降解類似，包括以下四步：
1、鏈引發
2、鏈增長
3、鏈支化
4、鏈終止
影響塑料燃燒的因素
影響塑料燃燒的因素很多，包括作為內因的聚合物燃燒特性和作為外因的燃燒環境條件。在燃燒環境條件相同的情況下，則主要取決于聚合物的燃燒特性，包括化學組成和結構、比熱容、熱導率、分解溫度、燃燒熱、閃點和自燃點、火焰溫度、極限氧指數以及燃燒速度等。
化學組成和構成
聚合物燃燒實質上為聚合物受熱發生熱分解產生的可燃性氣體的燃燒，因此化學組成和結構不同的聚合物由于熱分解產物中可燃性氣體含量不同而具有不同的燃燒特性。顯然，熱分解產物中可燃性氣體含量越高的聚合物越容易燃燒。
常用塑料的熱分解產物
比熱容
所謂比熱容就是1g物質溫度升高（或降低）1℃所需吸收（或放出）的熱量。在其他因素相同的情況下，比熱容大的聚合物材料，在燃燒過程的加熱階段需要較大的熱量，因此較難燃燒。
常用塑料的熱分解產物
導熱率
熱導率又稱導熱系數，是一個表示物質熱傳導性能的物理量。在其他因素相同的情況下，熱導率大的聚合物材料，在燃燒過程的加熱階段升溫較慢，因此較難燃燒。
常用塑料的熱導率
分解溫度
由于聚合物燃燒實質上為聚合物受熱發生熱分解產生的可燃性氣體的燃燒，因此，一般來說，熱分解溫度較低的聚合物較易燃燒。
常用塑料的熱分解溫度
燃燒熱
燃燒熱是維持燃燒和延燃的重要因素。大多數聚合物的燃燒是放熱反應。
常用塑料的燃燒熱
閃點和自燃點
閃點是明火可以引燃的最低溫度，而自燃點是不需明火引燃而自發燃燒的最低溫度。
常用塑料的閃點和自燃點
火焰溫度
與燃燒熱一樣，火焰溫度是維持燃燒和延燃的重要因素。大多數聚合物的火焰溫度比火柴和香煙高得多，約達2000℃。
常用塑料的火焰溫度
極限氧指數
能維持聚合物燃燒的混合氣體中氧氣的最小體積分數，稱為聚合物的極限氧指數（LOI），簡稱氧指數（OI）。氧指數是衡量聚合物材料是否燃燒的重要指標。由于空氣中氧氣的體積分數為20.9%，所以，氧指數小于21%的聚合物，一般可在空氣中被點燃。
常用塑料的氧指數
燃燒速度
燃燒速度影響火災的發展蔓延。各種聚合物材料的燃燒速度不盡相同，因此，燃燒時的傳播速度也有快慢。在實際火災中，材料的燃燒速度受外界氣體的擾動和擴散、熱的傳導、對流和輻射等因素的影響。
常用塑料的燃燒速度
阻燃劑的三大分類
01按所含阻燃元素分類
按所含阻燃元素可將阻燃劑分為鹵系、磷系、氮系、硫系、磷-鹵系、磷-氮系、硅系、銻系、硼系和鋁鎂系等幾類阻燃劑，其中鹵系阻燃劑是目前世界上產量最大的阻燃劑之一，具有添加量少、阻燃效果顯著的特點，在阻燃領域占有重要地位。
02按阻燃劑的使用方法分類
按阻燃劑使用方法的不同，阻燃劑可分為反應型和添加型兩大類。
(1）反應型阻燃劑
反應型阻燃劑是指分子內具有可反應官能團，能夠在聚合物合成過程中參與反應，并結合到聚合物分子中的阻燃劑。其優點是穩定性好、阻燃作用持久、毒性小、對塑料性能影響較小，可以認為是一類理想的阻燃劑。缺點是應用不方便，品種較少，目前使用量僅占阻燃劑的10%-20%左右。反應型阻燃劑主要用于熱固性塑料中，有時也用于熱塑性塑料中。有些反應型阻燃劑也可用作添加型阻燃劑。
(2）添加型阻燃劑
添加型阻燃劑是在塑料加工前摻入塑料中，并以物理狀態分散在混合料中的阻燃劑。其特點是使用方便、適用性強，目前其使用量占整個阻燃劑的80%-90%。缺點是在改進阻燃性的同時，降低了塑料本身固有的某些性能，如加工性和力學性能等。添加型阻燃劑常用于熱塑性塑料中。
03按阻燃劑組分分類
按阻燃劑組分的不同可將阻燃劑分為無機阻燃劑和有機阻燃劑兩大類。
(1)無機阻燃劑
無機阻燃劑的品種很多，不同的無機阻燃劑的功能不同。
有單獨使用即顯示阻燃效果的,如紅磷；有與含鹵有機阻燃劑并用而顯示阻燃效果的,如Sb?O? ；還有既起填充劑作用又能分解結晶水而顯示阻燃效果的,如氫氧化鋁。
無機阻燃劑具有熱穩定性好、無毒、不產生腐蝕性氣體、不揮發、抑煙、效果持久、價廉等優點，缺點是會對聚合物材料的加工成型性能和物理、電氣性能等產生負面影響。
(2)有機阻燃劑
有機阻燃劑的品種也很多,按化合物類型細分,主要有磷系和鹵系阻燃劑兩類。磷系阻燃劑還可分為不含鹵和含鹵阻燃劑;而鹵系阻燃劑也可分為氯系和溴系阻燃劑。
有機阻燃劑，尤其溴系有機阻燃劑,由于阻燃效果好、用量少、對塑料制品的性能影響小，因此，盡管存在有毒、發煙量較高并會釋放高腐蝕性的鹵化氫氣體等問題,目前仍是應用廣泛的重要阻燃劑。
常見阻燃塑料及其阻燃方案
阻燃PC/ABS
PC具有沖擊強度高、抗蠕變、尺寸穩定性好、耐熱、透明和介電性能優良等優點，但同時也存在加工流動性差、容易發生應力開裂、對缺口敏感、耐磨性差等缺點；ABS具有較好的耐化學藥品性和成型加工性，然而其耐熱和耐候性相對較差。兩者共混改性所得的PC/ABS合金在性能上可互補，廣泛應用于汽車工業、通信設備、電子電器、照明設備等。
為了滿足一些應用領域中的防火安全要求，PC/ABS合金必須具備良好的阻燃性。例如在新能源汽車充電樁以及部分電子電氣阻燃等級要達到V-0。用于PC/ABS共混體系目前效果較好的是熱穩定性好的雙磷酸酯類以及磷酸酯齊聚物等，其中BDP對PC/ABS合金表現出良好的阻燃性能.
無鹵阻燃PC/ABS的主要生產企業有科思創、沙比克、LG化學、錦湖日麗、萬華化學、魯西化工等。
阻燃PC
PC具有耐熱性好、光學性能優異、尺寸穩定性好、機械強度高以及沖擊強度優良等特性，廣泛用于家電、電子電器、汽車配件、機械設備和光學儀器零部件等，全球PC產能超過1000萬噸。
PC的極限氧指數 （LOI）可達21%～24%，材料本身可達 UL94 V-2級阻燃，但仍無法滿足特殊領域對阻燃性能的要求，如電子電氣和汽車領域均要求PC阻燃等級達到V-0。
阻燃PC中，以全氟烷基磺酸鉀（PPFBS）為代表的磺酸鹽類阻燃劑效果最佳，添加少量(0.5%以下）的磺酸鹽阻燃劑就能顯著改善PC的阻燃性能，達到1.6～3.0mm V-0的阻燃等級，并且改性后PC的物理性能和力學性能與通用PC相當，還能保持透明。
工業化PC產品中使用最多的磷系阻燃劑是三苯基磷酸酯（TPP）、間苯二酚雙（二苯基磷酸酯）（RDP）和BDP，在阻燃劑的添加量為10%（質量分數）時，1.6mm厚度PC可達V-0級別，其中TPP在高溫下易揮發，僅在氣相中發揮阻燃作用；RDP和BDP可同時在氣相和固相發揮阻燃效果。TPP常溫下為固態，熱穩定性相對較差，在PC加工溫度下容易揮發；RDP和BDP常溫下為液體，熱穩定性較好；BDP較RDP抗水解性能好。
阻燃ABS
ABS光澤度高、韌性好、耐熱和耐低溫性能好、加工性能優異、具有優良的綜合力學性能；ABS電性能不隨溫度和濕度的改變而出現很大變化，是良好的絕緣材料，廣泛應用于家用電器、視聽設備、辦公用品和電子電氣等領域，全球產能超過1000萬噸。
ABS樹脂可燃，LOI為18.3％～18.8％， 按UL94標準屬于HB級別。ABS著火時燃燒速率快，并且放出大量毒氣和黑煙，不利于實際應用。目前主要以鹵素阻燃劑與Sb2O3復配使用， 鹵銻協同作用對ABS進行阻燃改性，主要用的溴系阻燃劑有TBBA，DBDPE等。
阻燃ABS主要應用于電話、電腦、液晶顯示器（LCD） 等電子電氣設備外殼、汽車內構部件和外部構件、小型廚房電器、工具盒真空吸塵器的外殼等。
阻燃HIPS
HIPS是由聚苯乙烯（PS）與聚丁二烯（PB）通過共聚制得，擁有兩者共同的優點，易加工、尺寸穩定性好且電絕緣性優良、抗沖性較高，成本低，被廣泛應用于食品包裝、家用電器、電子產品及軍用物資的外殼包裝等領域。
但HIPS的LOI僅為18％，易燃燒，為了提高使用安全性，必須對其進行阻燃改性。用于HIPS阻燃改性的主要為溴系阻燃劑如十溴二苯乙烷（DBDPE）等，大多與Sb2O3配合協同作用，具有優良的阻燃效果。
阻燃PBT
PBT是一種結晶型飽和聚酯，具有優異的力學性能、較好的尺寸穩定性、良好的電絕緣性以及耐化學藥品腐蝕等特點，廣泛應用于汽車、電子電器、機械等領域。但PBT的阻燃性能差（UL94HB級），在空氣中易燃燒，難以成炭，燃燒時易滴落，且釋放出大量濃煙和有毒氣體，易產生比較大的危險，因此必須對其進行阻燃改性。
用于PBT阻燃改性的阻燃劑主要為鹵系阻燃劑，比較常用的是溴系阻燃劑如DBDPE、溴化環氧樹脂等，通過與Sb2O3配合協同作用，達到優良的阻燃效果。PBT中使用的阻燃劑還包括二乙基次膦酸鋁（ADP）或其與氫氧化鎂、氫氧化鋁等的復配產品。
阻燃PA
PA具有良好的力學性能、電學性能和較為突出的潤滑性能，廣泛應用于電子元件及汽車零件等領域。未改性的PA阻燃等級為UL94 V-2級，LOI為20％～22％，在接觸到明火的情況下，會發生快速燃燒，放出大量熱，同時還會因熔融存在滴落現象，這為明火的進一步擴散制造了條件。為防止火災危害，工業上對汽車、電器等產品中使用的PA復合材料有著明確的阻燃要求，一般需要其達到UL94 V-0級別。
鹵系阻燃劑由于與PA相容性好，阻燃效率高，在PA中的應用很廣泛。無鹵阻燃PA中使用的阻燃劑有所區別，一般純PA阻燃添加12-15%的MCA即可，而PA/GF體系由于“燭芯效應”，需要阻燃效率更高的二乙基次膦酸鋁（ADP），再輔以MPP等起到協效和降本作用，也有與氫氧化鎂、氫氧化鋁等的復配阻燃PA產品。
來源：Internet
