聚合物基材料的阻燃性能研究

ＯＣＴＯＢＥＲ试验研究・Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　

聚合物／蒙脱土纳米复合材料及其　磷一氮协同阻燃研究冰　

毛文英　李巧玲　中北大学化学系　山西太原０３００５１　摘要：介绍了蒙脱土原料的层间结构及有机化处理过程。综述了近年来国内外在聚合物基蒙脱土纳米复合材料　热稳定性方面的研究进展及机理。提出纳米级蒙脱土与各种磷一氦阻燃剂的协同阻燃是今后这种材料阻燃改性研　究的主要方向。　关键词：蒙脱土纳米复合热稳定性协同阻燃　

随着新型聚合物及其复合材料广泛应用于社会　生产与生活的许多领域，它们给人们的生产与生活带　来便利的同时，也带来了潜在的火灾安全问题。常规　阻燃方法，不论是反应型阻燃剂，还是添加型阻燃剂，　在提高材料阻燃性的同时，也会对材料本身和环境产　生较大的负面影响。如反应型阻燃剂会大幅度增加材　料燃烧时的发烟量，材料废弃后在自然循环中会造成　环境污染；添加型阻燃剂使用量大（有时高达５０％～　６０％），面且由于其两相界面极性不同，导致材料本身　的力学性能大幅度下降，从而极大地限制了材料的使　用范围ｌｌ】。因此，研究开发符合火灾安全和环保要求的　新型阻燃材料具有重要意义。　２０世纪８０年代以来，无论是基础研究还是工业　开发，关于聚合物／粘土纳米复合材料（Ｐｏｌｙｍｅｒ／Ｃｌａｙ　Ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ，ＰＣＮ）的研究都十分活跃，涉及的聚合　物几乎包括所有聚合物材料，如极性聚合物和非极性　聚合物、由自由基聚合和缩合聚合的聚合物、热塑性　和热固性聚合物等，并在基础理论和应用方面取得了　一系列进展ｌ２卅，但总体来说有关塑料方面的聚合物基　蒙脱土纳米复合材料研究较多。国外纳米复合材料阻　燃课题研究的前沿是美国Ｃｏｒｎｅｌｌ大学以及美国国家　作者简介：毛文英，１９７８年出生，女，在读硕士研究生，从事聚合　物阻燃改性研究。　基金项目：山西省科技攻关项目　（０５ｌｌ５１）　山西省自然科学基金项目（２００４１０２７）　５２匠曼登塑垂２００６／１０　标准与技术研究所（ＮＩＳＴ），他们研究了尼龙６、聚丙烯　和聚苯乙烯纳米复合材料的阻燃性，并获得了初步成　果［５１。国内在这方面研究较多的有中国科学院、北京理　工大学和中国科技大学等。蒙脱土添加量少（一般为基　材质量的２％～５％），分散性好；添加剂与聚合物之间接　触面积极大且存在二者界面间的化学键，因面它们具　有理想的粘接性能　】，有望成为一种“绿色”阻燃剂用　来取代目前市场上广泛使用的部分成规阻燃剂，与其　他阻燃剂复配在影响力学性能较小的前提下达到一　定的阻燃级别更是有较高的研究价值。　

浅议阻燃剂及材料的阻燃处理

火灾是一种对财物和人身造成损害的燃烧现象和社会现象。古往今来，它无情地给人类带来了许多灾难和痛苦。人类在同火灾的斗争中总结出要防止火灾发生，减少火灾对人类的危害，关键要做好火灾预防工作，其中阻燃剂及材料的阻燃处理就是人类探索出的从根本上预防火灾的措施。本文介绍了常见阻燃剂的种类、阻燃机理、材料的阻燃处理及新型阻燃剂的发展，以增强人们对阻燃技术领域的认识和了解。

标签：火灾；预防；阻燃剂；材料阻燃

燃烧，俗称“着火”。人类学会用火，是跨入文明世界的一个标志，不仅摆脱了“茹毛饮血”的时代，而且对人类发展和社会进步产生了深远的影响。随着科学技术的发展，火在生产和生活中的应用日益广泛，时至当代，人造卫星和宇宙飞船的上天都离不开火。在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害称为火灾。社会生活中，火灾是威胁公共安全，危害人们生命财产的灾害之一。以2008年为例，全国共发生火灾13.3万起，死亡1385人，受伤684人，直接财产损失15亿元（不包括森林、草原、军队、矿井地下火灾）。随着城市建设速度不断加快，各种高层建筑、地下建筑和大型商业娱乐设施也越来越多，这就使我国火灾发生的隐患逐渐加大。人类在使用火的同时，不断总结火灾发生的规律及防范措施，以期最大限度地实现火达到利用价值的同时，尽可能地减少火灾及其对人类造成的危害。如何将火灾事故发生率降低，人们除了要增强防火安全意识外，阻燃剂的使用及材料的阻燃处理就是预防火灾发生的一项重要而有效的措施，人们应在各种建筑及电线电缆等火灾危险性大的领域大力推广使用阻燃材料，加快新型阻燃材料的研究开发。一旦发生火灾事故，让火患无法蔓延并消失于无形之中，这对于降低和消灭火灾事故具有重要意义。

阻燃剂是能够保护材料不着火或使火焰难以蔓延的化学物质。在建筑、电气及日常生活中使用的木材、塑料和纺织品，大多数是易燃材料。为了预防火灾的发生，或者发生火灾以后阻止或延缓火灾的发展，往往用阻燃剂对易燃材料进行阻燃处理，使易燃材料变成难燃、不燃的材料；或仅碳化而不着火、不发烟；或者虽碳化、着火和发烟，但燃烧难以扩展。近几年，我国的阻燃科学技术的研究和阻燃剂的开发利用已受到重视，为减轻火灾造成的经济损失，保障人民生命财产的安全起着越来越重要的作用。

阻燃聚氨酯的研究与进展

摘要：聚氨酯作为一种广泛应用的高分子材料，因其独特的物理性能和化学稳定性，在建筑、家具、交通运输等多个领域发挥着重要作用。然而，其易燃性成为一个显著的安全隐患，尤其在火灾事故中，易燃聚氨酯可释放出有毒烟雾，对人类健康和安全构成威胁。因此，研发高效的阻燃聚氨酯成为了迫切需求，不仅为了满足日益严格的安全法规，也为了提升材料的应用范围和性能。

关键词：阻燃聚氨酯；研究进展；应用前景

一、聚氨酯的基本特性

聚氨酯是由多元醇与异氰酸酯反应形成的高分子化合物，这种结构使其具备独特的物理特性，如良好的弹性、耐磨性和抗撕裂强度。阻燃聚氨酯的化学结构中，通过引入含有磷、氮或卤素的阻燃剂，能显著提高其耐火性能。同时，这些阻燃剂在高温下能形成炭层，有效隔离氧气和热量，从而降低材料的燃烧速度。从物理特性来看，阻燃聚氨酯保持了普通聚氨酯的柔软性、弹性和耐用性，但同时展现出更高的热稳定性和较低的燃烧速率，这些特性使得阻燃聚氨酯在安全性能方面更加优越，尤其在需要严格遵守火安全规范的应用中，如建筑保温材料、家具填充物和交通工具内饰等领域。总的来说，阻燃聚氨酯通过结构优化和添加特定的阻燃剂，实现了阻燃性与物理性能的有效结合，满足了现代应用对高性能和安全性的双重要求。

二、阻燃技术的发展历程

（一）早期阻燃技术概述

早期的阻燃技术主要集中在寻找有效的阻燃剂，并将它们添加到材料中以提升其抗火性能。在聚氨酯的早期应用中，阻燃技术主要依赖于卤素化合物，如氯和溴的衍生物。这些卤素基阻燃剂在材料燃烧时能够释放卤素自由基，有效地中断火焰传播的化学链反应，从而减缓或阻止材料的进一步燃烧。然而，虽然卤素基阻燃剂在防火效果上表现出色，但它们也带来了环境污染和对人体健康的潜在风险。此外，磷基和氮基阻燃剂也在早期得到了广泛的应用。这些阻燃剂能够在加热时形成一层隔热的炭化层，保护下面的材料不被火焰侵袭。磷基阻燃剂尤其在形成稳定的炭层方面表现出色，而氮基阻燃剂则通过释放非燃性气体来稀释可燃气体和氧气，降低火焰的温度。总之，这些早期的阻燃技术为现代更高效、更环保的阻燃解决方案奠定了基础，尽管它们在环境和健康安全方面存在一定的问题，但在当时是提高材料阻燃性能的重要手段。随着技术的发展和对环境友好材料的需求日益增长，阻燃技术也在不断进化，朝着更加安全和环保的方向发展。

聚合物阻燃机理及阻燃剂概述

根据Claudius年鉴记载，人类最早的阻燃历史可追述到炼金术和罗马帝国时代，从17世纪开始，有关聚合物阻燃的相关报道逐渐增多。到现在为止，聚合物阻燃方面的研究已经非常成熟。第二次世界大战之后，聚合物阻燃方面取得突飞猛进的发展，包括氯化石蜡-氧化锑协效体系的发现、阻燃填料的使用、聚合物阻燃性能的测试方法——氧指数法的采用、膨胀型阻燃体系的建立、含氯的不饱和聚合物以及本质阻燃高聚物的制备等等[14]。这些进展为现代阻燃技术的发展奠定了基础，为人类的阻燃事业做出了巨大贡献。

按照阻燃剂与被阻燃基材的关系，阻燃剂可以分为反应型和添加型两种。反应型阻燃剂是指阻燃剂作为高聚物的单体，或者作为辅助试剂而参与合成高聚物的化学反应最后成为高聚物的结构单元，这种阻燃方法相对较复杂且成本昂贵，不适于大范围推广。而添加型阻燃剂是指阻燃剂与基材中的其他组分不发生化学反应，只是以物理方式分散于基材中。由于添加型阻燃剂在阻燃聚乙烯加工过程中使用方便、加工工艺简单、价格相对较低廉，因而是目前实现聚乙烯阻燃最常用的方法之一。常用的添加型阻燃体系主要有卤系阻燃复合体系、无卤阻燃复合体系以及其他常用复合体系。

1阻燃机理

通常聚乙烯中有少量支链并发生交联，研究表明，PE在空气中燃烧时产生活性很大的HO·、H·和O·，这些自由基有促进燃烧的作用，同时足够的热量以及适合的氧气浓度都是聚乙烯燃烧时所必须的条件，因此只要切断以上三个要素中的任何一种都可以达到阻燃的效果。所以对PE的阻燃可以通过以下途径：

终止自由基链反应，捕获传递燃烧链式反应的活性自由基，即卤系阻燃剂的阻燃机理。

吸收热分解产生的热量，降低体系温度。氢氧化铝、氢氧化镁及硼酸类无机阻燃剂是典型代表。

稀释可燃性物质和氧气浓度，使之降到着火极限以下，即氮系阻燃剂阻燃机理。

促进聚合物成炭，减少可燃性气体的生成，在材料表面形成一层膨松、有细孔的均质碳层，起到隔热、隔氧、抑烟、防止熔滴的作用，即膨胀阻燃剂的主要阻燃机理。