热塑性弹性体助剂之—阻燃剂

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许多热塑性树脂特别是具有高碳含量的热塑性树脂,由于它们源自石油化学产品,因此易燃。聚烯烃在与火焰接触时会点燃,即使在点火源被移除之后,仍会在微弱火焰下燃烧。由于火焰的高温而发生熔化,产生燃烧滴。

含有卤素的热塑性树脂不易燃烧,其中一些根本不燃烧,主要因素是卤素的含量。

用于阻止,延缓或终止火焰的添加剂称为“阻燃剂”。阻燃剂通常在冷凝相或气相中赋予聚合物阻燃性能。在冷凝相中添加剂可以起散热器作用而从基底中除去热能,或通过参与成碳阻隔热和质量传递。

添加剂也可以通过传导、蒸发或质量稀释,或通过参与吸热反应提供阻燃性。

[hide]成碳体系,也称为“膨胀体系”,在聚合物材料上形成泡沫状多孔保护屏障,以防止其进一步热解和燃烧。大多数膨胀体系需要酸源(催化剂)、成碳化合物(碳化物)以及气体化合物(喷雾剂)。在典型的体系中,磷化合物能促进底物(通常为碳氧化合物或含氧聚合物)的碳化,这些碳通过在氮化合物分解期间释放的气体形成泡沫。酸通常是磷酸或合适的衍生物(例如,多磷酸铵)。典型的碳源包括季戊四醇和其他多元醇,常见的喷雾剂包括尿素、三聚氰胺和双氰。[/hide]

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其他阻燃剂在冷凝相中起作用,不是通过形成膨胀层,而是通过沉积一层表面覆盖层,使聚合物与热源隔绝,并阻止可燃气体向外逸出。

一些有机硅阻燃剂是在聚合物表面沉积二氧化硅(砂)。

最广泛使用的阻燃剂氧化铝三水合物(ATH)在冷凝相中起的作用,不是作为成碳剂或保护层,而是作为散热器以及不可燃气体(H2O)的来源,将可燃物分解出来的可燃气体浓度冲淡。ATH在230℃开始分解,最终作为水蒸气失去34.5%的质量。氢氧化镁在340℃分解,最终失去31%的质量,ATH和氢氧化镁吸热分解并从冷凝相中除去热量,降低了聚合物分解速度.对于可燃聚合物,需要大量的ATH和氢氧化镁才能予阻燃性。通常树脂配方中ATH含量为40%~60%(质量分数)。

在气相中起作用的阻燃剂是中断火燃烧的化学过程。在燃烧过程中,聚合物链段在链反应中与氧和其他高度反应性物质相互作用形成氧自由基、羟基自由基和氢自由基,某些添加剂,主要是含有卤素或磷的添加剂可以与这些自由基起化学作用,形成较少能量的物质,并中断链增长,使之不能起燃或再继续燃烧。这种阻燃体系的典型例子是三氧化锑,其在
卤化聚合物体系中是有效的。一些含磷阻燃剂在气相中也可以是有效的。硼酸锌主要用于烯烃部分或完全替代氧化锑。硼酸锌比氧化锑便宜,并且也起抑烟剂、余辉抑制剂和抗起弧剂的作用。

含有卤素(氯或溴)的有机化合物能消除燃烧过程中形成的自由基,在燃烧反应的气相中起作用,为获得协同效应,三氧化锑通常加入到卤系阻燃剂中.由于溴化二苯醚可能引起的环境和健康风险,在一些条件下可能形成溴化二噁英和呋喃,因此溴系阻燃剂受到越来越多的限制。

在纳米复合材料领域已经获得阻燃添加剂,它是有效和环境友好的。插层型聚合物-黏土纳米复合材料已应用于几种聚合物,发现其峰值热释放速率低于纯聚合物.这种体系的优点是仅添加少量(3%~6%)就可以赋予阻燃性,而不影响所用树脂的物理性能。

另一种方法是使用双羟基脱氧苯偶姻(BHDB)单体,它能产生具有高达70%碳化率的聚合物。这种单体释放水蒸气而不是有害气体。

可燃性测试是在特定条件下测量材料的燃烧参数,例如燃烧时间、滴落、烟雾排放和火焰蔓延,以便预测材料在实际火灾中的性能。许多方面的应用都要求在可燃性试验中达到一定的阻燃级别。最常见的测试是美国安全检测实验室的UL-94燃烧速度测试。在该试验中,试样垂直悬挂在本生灯和手术棉上方,用规定的气体火焰从下面燃烧样品10s。如果移开点火火焰后,样品熄灭,再点火一次,点燃样品10s。

(1)V-0等级

①续燃时间<10s

②没有燃烧物掉下点燃棉花。

③样品没有完全燃烧到夹具。

④移开点火后,余辉≤60s

(2)V-1等级

①续燃时间<30s

②总燃烧时间(燃烧10次)≤250s

③没有燃烧物掉下点燃棉花。

④样品没有完全燃烧到夹具。

⑤移开点火后,余辉≤60s

(3)V-2等级

①续燃时间<30s

②总燃烧时间(燃烧10次)≤250s

③燃烧物掉下点燃棉花。

④移开点火后,余辉≤60s

极限氧指数(LOI)是保持蜡烛状持续燃烧≥3min所必需的最低氧浓度。LOI试验获得的是数值数据,一般与阻燃剂的浓度成正比,LOI的数值越高,表明需要更多的氧支持燃烧。空气含有约21%的氧气,所以,低于此等级通常表示在正常大气条件下会燃烧.

美国测试材料协会已将LOI方法作为标准(ASTM D2863),国际标准化组织也以LOI方法作为标准(ISO4589-2)

在欧洲,德国的DIN4102,英国的BS476 Part7以及法国的NF P 92-501等标准也用于测试建筑材料,并确定易燃性等级.

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