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阻燃劑:火場安全守護神

2020-1-15 8:53:51 來源:中國礦業報 作者:孫慧中 安子怡

礦業生產中有諸多的火災隱患,高分子材料的改性劑——阻燃劑應運而生,可從根本上降低火災風險。例如,新型煤塵阻燃劑等能有效捕捉煤塵,抑制煤塵二次飛揚,還可以防止煤塵燃燒與爆炸、改善煤礦作業環境、提高煤礦抗災能力,對煤礦安全生產具有重大現實意義。

阻燃劑又稱防火劑,是用于改善材料阻燃性物質的統稱。阻燃劑通過物理摻混或化學鍵合的方式加入到高分子材料中,根據其特性在燃燒過程的特定階段發揮作用,以起到抑制甚至中斷燃燒的作用,在建筑、紡織、電子、航天、運輸等領域均有廣泛的應用。其安全使用可以起到減少能源和自然資源消耗的作用。

阻燃機理揭秘

阻燃劑的作用機理是通過物理或化學途徑,減緩或阻止燃燒過程的一個或多個環節,實現阻燃的效果。其阻燃途徑主要包括:降低溫度、稀釋氧氣和燃燒產生的可燃性氣體的濃度、在材料表面形成非可燃性保護膜或重質氣體隔離層、捕捉游離自由基以終止鏈式反應等。

阻燃劑按化學組成和阻燃原理等,分為多種分類方式:

根據阻燃劑所含阻燃元素的不同可分為鹵系、磷系、氮系、硫系、磷鹵系、氮磷系、硅系、銻系、硼系和鋁鎂系等阻燃劑。

根據組成成分可分為有機阻燃劑、無機阻燃劑和有機、無機混合阻燃劑。其中,有機阻燃劑的主要組分為有機物,主要的產品為鹵系阻燃劑和有機磷系阻燃劑;無機阻燃劑為現階段最環保的阻燃劑,應用較多的種類為硼系阻燃劑(一般為硼酸鹽)、金屬及其氧化物和氫氧化物(如氫氧化鋁、氫氧化鎂和三氧化二銻等),這類阻燃劑具有無毒、無煙、無鹵等優點,需求量正逐年增加;旌献枞紕┦菬o機阻燃劑的改良產品,在實際應用中已經代替了部分無機阻燃劑。

根據阻燃劑的使用方法及其在聚合物中的存在形態的不同,可分為添加型、反應型和膨脹型。其中,添加型阻燃劑在使用時只是機械地混合于聚合材料中,本身沒有發生化學變化;反應型阻燃劑是通過與聚合材料發生化學反應,在材料中引入阻燃基團以提高其阻燃性;膨脹型阻燃劑在燃燒時會在材料表面形成多孔泡沫焦炭層,通過泡沫炭層來隔熱、隔離氧氣和可燃氣體。在這三類阻燃劑中,添加型阻燃劑的使用量最大,超過阻燃劑總量的80%。

火場上各顯神通

鹵系阻燃劑

鹵系阻燃劑是含有氯或溴元素的有機化合物,在燃燒時會分解產生不易燃燒的鹵化氫氣體。鹵化氫可與高分子材料熱裂解產生的活性自由基反應,降低游離自由基的濃度,從而減緩或抑制燃燒鏈式反應,達到阻燃的目的。鹵系阻燃劑價格低廉、添加量少、阻燃效果顯著,且因為與高分子材料的相容性較好,適用于熱塑性、熱固性材料,被廣泛應用于汽車、包裝、紡織等行業,是目前世界上生產量最大的阻燃劑之一。

近些年來,鹵系阻燃劑存在的安全問題和環境問題也引起了不少熱議。首先是由于鹵系阻燃劑燃燒分解生成的鹵化氫氣體具有毒性,這些氣體在吸收了空氣中的水分后會形成具有強腐蝕性的氫鹵酸,同時阻燃劑燃燒后生成的大量有毒煙氣也會給火災現場的逃生人員帶來傷害。其次是已有研究表明,這一類阻燃劑本身就具有一定的生物毒性(可能會干擾人體的內分泌、生殖和甲狀腺系統功能),且具有生物累積性,一旦鹵系阻燃劑在材料的使用或回收處理過程中逸散,可能會沿食物鏈不斷富集。由于上述安全和環境風險,已有國家已通過法律禁止部分鹵系阻燃劑的使用,并不斷開發高效、無鹵、低煙、低毒的環保型阻燃劑。

磷系阻燃劑

磷系阻燃劑包括無機磷系阻燃劑和有機磷系阻燃劑,其阻燃原理是利用含磷基團受熱分解產生的強脫水性產物(焦磷酸、偏磷酸和聚偏磷酸等)促進(含多羥基)材料脫水炭化,形成一層不易燃燒的碳層。同時,阻燃劑本身也會受熱熔融形成高粘稠性液體或與氮化物協同形成泡沫層覆蓋在材料表面,將可燃材料與氧氣和熱源隔離。這一類阻燃劑大多具有無鹵(或低鹵)、低煙等特點,具有良好的發展前景。

無機磷系阻燃劑的主要品種包括紅磷、磷酸銨鹽、聚磷酸銨等;有機磷系阻燃劑包括磷酸酯、膦酸酯、亞膦酸酯、氧化膦和磷酸酯聚合物等,其中應用最廣的是含鹵磷酸酯類阻燃劑。與鹵系阻燃劑相比,磷系阻燃劑的環境危害大為降低,但由于材料相容性、阻燃效率和熱穩定性等方面的不足,其應用范圍始終不及鹵系阻燃劑廣泛。

金屬氫氧化物阻燃劑

金屬氫氧化物阻燃劑主要包括氫氧化鎂、氫氧化鋁和層狀雙金屬氫氧化物 (LDHs) 阻燃劑等。這一類阻燃劑在高溫下發生脫水吸熱反應,能有效降低燃燒體系的溫度,極大程度地減緩高分子材料燃燒速率,同時生成的大量水蒸氣可以稀釋可燃性氣體的濃度,熱解后形成的氧化鎂、氧化鋁也可與材料表面的炭化產物結合形成保護膜,隔絕氧氣與可燃物的后續反應。

氫氧化鋁是最早問世的無機阻燃劑之一,也是目前消費量最大的無機阻燃劑(約占阻燃劑總量的70%)。氫氧化鋁和氫氧化鎂在熱穩定性上的差異決定了兩者適用范圍的不同:氫氧化鋁適用于加工溫度低于200℃的人造橡膠及塑料制品;氫氧化鎂由于熱穩定性好(溫度在300℃時仍具有良好的穩定性),可以承受更高的加工溫度,但由于其單獨使用時阻燃效率低,增大添加量又會導致聚合材料的力學和加工性能劣化,通常需要對其進行表面改性或與其他阻燃劑混合使用。

層狀雙金屬氫氧化物是水滑石和類水滑石化合物的統稱,因其組成和特殊的層狀結構而具有阻燃和抑煙雙重功能。如鎂鋁水滑石在低溫和高溫段均可發生分解,極大地拓寬了阻燃的溫度范圍,是一種高效、無鹵、無毒、低煙的新型阻燃劑。

制造業現狀與發展趨勢

從21世紀初起,國內阻燃劑的消費量急速增長,使其成為目前僅次于增塑劑的第二大高分子改性劑,也為國內阻燃劑行業的發展提供了良好的空間。我國的阻燃劑行業雖然起步較晚,但發展迅速,隨著市場規模的不斷擴大,產品結構調整也在不斷完善。國內阻燃劑行業正逐步從以鹵系阻燃劑為主的傳統格局,調整為以高效環保型阻燃劑為主的新格局。

不過,與歐美等發達國家相比,我國在建筑建材、電子電氣設備和紡織工業等領域的消防規范仍在建立健全的過程中,阻燃劑在相關產品中的添加比例還比較低,F階段,我國生產的阻燃劑多數直接以原料形式出口歐美以及日本等發達國家,而隨著法律法規的不斷完善,阻燃劑制造業將走入更為廣闊的發展空間。

隨著阻燃劑合成技術的提高和發展,許多新型高效的阻燃劑逐步從研究階段發展到實用階段。通過對阻燃劑進行表面化處理,或是在阻燃劑的研制中運用微膠囊技術和納米技術,或是通過多種阻燃劑的復配以達到協同阻燃的效果,阻燃劑正不斷向著高效廉價、無害無煙以及環境友好的方向發展,讓我們拭目以待!

(作者單位:中國地質調查局國家地質實驗測試中心)

網站編輯:宮莉

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