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阻燃剂:火场安全守护神

2020-1-15 8:53:51 来源:中国矿业报 作者:孙慧中 安子怡

矿业生产中有诸多的火灾隐患,高分子材料的改性剂——阻燃剂应运而生,可从根本上降低火灾风险。例如,新型煤尘阻燃剂等能有效捕捉煤尘,抑制煤尘二次飞扬,还可以防止煤尘燃烧与爆炸、改善煤矿作业环境、提高煤矿抗灾能力,对煤矿安全生产具有重大现实意义。

阻燃剂又称防火剂,是用于改善材料阻燃性物质的统称。阻燃剂通过物理掺混或化学键合的方式加入到高分子材料中,根据其特性在燃烧过程的特定阶段发挥作用,以起到抑制甚至中断燃烧的作用,在建筑、纺织、电子、航天、运输等领域均有广泛的应用。其安全使用可以起到减少能源和自然资源消耗的作用。

阻燃机理揭秘

阻燃剂的作用机理是通过物理或化学途径,减缓或阻止燃烧过程的一个或多个环节,实现阻燃的效果。其阻燃途径主要包括:降低温度、稀释氧气和燃烧产生的可燃性气体的浓度、在材料表面形成非可燃性保护膜或重质气体隔离层、捕捉游离自由基以终止链式反应等。

阻燃剂按化学组成和阻燃原理等,分为多种分类方式:

根据阻燃剂所含阻燃元素的不同可分为卤系、磷系、氮系、硫系、磷卤系、氮磷系、硅系、锑系、硼系和铝镁系等阻燃剂。

根据组成成分可分为有机阻燃剂、无机阻燃剂和有机、无机混合阻燃剂。其中,有机阻燃剂的主要组分为有机物,主要的产品为卤系阻燃剂和有机磷系阻燃剂;无机阻燃剂为现阶段最环保的阻燃剂,应用较多的种类为硼系阻燃剂(一般为硼酸盐)、金属及其氧化物和氢氧化物(如氢氧化铝、氢氧化镁和三氧化二锑等),这类阻燃剂具有无毒、无烟、无卤等优点,需求量正逐年增加。混合阻燃剂是无机阻燃剂的改良产品,在实际应用中已经代替了部分无机阻燃剂。

根据阻燃剂的使用方法及其在聚合物中的存在形态的不同,可分为添加型、反应型和膨胀型。其中,添加型阻燃剂在使用时只是机械地混合于聚合材料中,本身没有发生化学变化;反应型阻燃剂是通过与聚合材料发生化学反应,在材料中引入阻燃基团以提高其阻燃性;膨胀型阻燃剂在燃烧时会在材料表面形成多孔泡沫焦炭层,通过泡沫炭层来隔热、隔离氧气和可燃气体。在这三类阻燃剂中,添加型阻燃剂的使用量最大,超过阻燃剂总量的80%。

火场上各显神通

卤系阻燃剂

卤系阻燃剂是含有氯或溴元素的有机化合物,在燃烧时会分解产生不易燃烧的卤化氢气体。卤化氢可与高分子材料热裂解产生的活性自由基反应,降低游离自由基的浓度,从而减缓或抑制燃烧链式反应,达到阻燃的目的。卤系阻燃剂价格低廉、添加量少、阻燃效果显著,且因为与高分子材料的相容性较好,适用于热塑性、热固性材料,被广泛应用于汽车、包装、纺织等行业,是目前世界上生产量最大的阻燃剂之一。

近些年来,卤系阻燃剂存在的安全问题和环境问题也引起了不少热议。首先是由于卤系阻燃剂燃烧分解生成的卤化氢气体具有毒性,这些气体在吸收了空气中的水分后会形成具有强腐蚀性的氢卤酸,同时阻燃剂燃烧后生成的大量有毒烟气也会给火灾现场的逃生人员带来伤害。其次是已有研究表明,这一类阻燃剂本身就具有一定的生物毒性(可能会干扰人体的内分泌、生殖和甲状腺系统功能),且具有生物累积性,一旦卤系阻燃剂在材料的使用或回收处理过程中逸散,可能会沿食物链不断富集。由于上述安全和环境风险,已有国家已通过法律禁止部分卤系阻燃剂的使用,并不断开发高效、无卤、低烟、低毒的环保型阻燃剂。

磷系阻燃剂

磷系阻燃剂包括无机磷系阻燃剂和有机磷系阻燃剂,其阻燃原理是利用含磷基团受热分解产生的强脱水性产物(焦磷酸、偏磷酸和聚偏磷酸等)促进(含多羟基)材料脱水炭化,形成一层不易燃烧的碳层。同时,阻燃剂本身也会受热熔融形成高粘稠性液体或与氮化物协同形成泡沫层覆盖在材料表面,将可燃材料与氧气和热源隔离。这一类阻燃剂大多具有无卤(或低卤)、低烟等特点,具有良好的发展前景。

无机磷系阻燃剂的主要品种包括红磷、磷酸铵盐、聚磷酸铵等;有机磷系阻燃剂包括磷酸酯、膦酸酯、亚膦酸酯、氧化膦和磷酸酯聚合物等,其中应用最广的是含卤磷酸酯类阻燃剂。与卤系阻燃剂相比,磷系阻燃剂的环境危害大为降低,但由于材料相容性、阻燃效率和热稳定性等方面的不足,其应用范围始终不及卤系阻燃剂广泛。

金属氢氧化物阻燃剂

金属氢氧化物阻燃剂主要包括氢氧化镁、氢氧化铝和层状双金属氢氧化物 (LDHs) 阻燃剂等。这一类阻燃剂在高温下发生脱水吸热反应,能有效降低燃烧体系的温度,极大程度地减缓高分子材料燃烧速率,同时生成的大量水蒸气可以稀释可燃性气体的浓度,热解后形成的氧化镁、氧化铝也可与材料表面的炭化产物结合形成保护膜,隔绝氧气与可燃物的后续反应。

氢氧化铝是最早问世的无机阻燃剂之一,也是目前消费量最大的无机阻燃剂(约占阻燃剂总量的70%)。氢氧化铝和氢氧化镁在热稳定性上的差异决定了两者适用范围的不同:氢氧化铝适用于加工温度低于200℃的人造橡胶及塑料制品;氢氧化镁由于热稳定性好(温度在300℃时仍具有良好的稳定性),可以承受更高的加工温度,但由于其单独使用时阻燃效率低,增大添加量又会导致聚合材料的力学和加工性能劣化,通常需要对其进行表面改性或与其他阻燃剂混合使用。

层状双金属氢氧化物是水滑石和类水滑石化合物的统称,因其组成和特殊的层状结构而具有阻燃和抑烟双重功能。如镁铝水滑石在低温和高温段均可发生分解,极大地拓宽了阻燃的温度范围,是一种高效、无卤、无毒、低烟的新型阻燃剂。

制造业现状与发展趋势

从21世纪初起,国内阻燃剂的消费量急速增长,使其成为目前仅次于增塑剂的第二大高分子改性剂,也为国内阻燃剂行业的发展提供了良好的空间。我国的阻燃剂行业虽然起步较晚,但发展迅速,随着市场规模的不断扩大,产品结构调整也在不断完善。国内阻燃剂行业正逐步从以卤系阻燃剂为主的传统格局,调整为以高效环保型阻燃剂为主的新格局。

不过,与欧美等发达国家相比,我国在建筑建材、电子电气设备和纺织工业等领域的消防规范仍在建立健全的过程中,阻燃剂在相关产品中的添加比例还比较低。现阶段,我国生产的阻燃剂多数直接以原料形式出口欧美以及日本等发达国家,而随着法律法规的不断完善,阻燃剂制造业将走入更为广阔的发展空间。

随着阻燃剂合成技术的提高和发展,许多新型高效的阻燃剂逐步从研究阶段发展到实用阶段。通过对阻燃剂进行表面化处理,或是在阻燃剂的研制中运用微胶囊技术和纳米技术,或是通过多种阻燃剂的复配以达到协同阻燃的效果,阻燃剂正不断向着高效廉价、无害无烟以及环境友好的方向发展,让我们拭目以待。□

(作者单位:中国地质调查局国家地质实验测试中心)

网站编辑:宫莉

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