阻燃剂分类及应用

1、阻燃剂的分类与应用黄建江 冯婉芹阻燃剂及其发展阻燃剂及其发展 阻燃剂又称难燃剂，耐火剂或防火剂：赋予易燃聚合物难燃性的功能性助剂。主要适用于有阻燃需求的塑料，延迟或防止塑料尤其是高分子类塑料的燃烧。使其点燃时间增长，点燃自熄，难以点燃。3阻燃技术发展简介阻燃技术最早历史记录 在公元前83年，古希腊人在围攻战中采用矾溶液处理木质碉堡，提高木质碉堡的阻燃性能 第一个阻燃纤维专利 （英国专利551）1735年Wyld以矾液、硼砂及硫酸亚铁处理木材和纺织品幕布阻燃处理 1820年盖吕萨克受法国国王路易十八的委托，研究剧院窗帘的阻燃方法，他发现磷酸铵、氯化铵和硼砂的混合物对亚麻和黄麻的阻燃十分有效，并成

2、功地在巴黎剧院的幕布进行了阻燃处理 阻燃理论研究 1913年，化学家珀金（Perkin）采用锡酸盐浸渍绒布，再用硫酸铵溶液处理，获得较好的阻燃性能。它还对阻燃机理进行了理论上的研究，开创了阻燃技术新纪元，标志着近代新阻燃方法的开始。 4阻燃剂协同效应的发现： 1930年，人们发现氧化锑氯化石蜡协效阻燃体系，并将其在高分子材料中广泛应用，卤-锑协效作用的发现被誉为近代阻燃技术的一个里程碑，至今仍是阻燃技术和研究的主流。膨胀型防火涂料的研究 1938年，Tramm第一次提出膨胀型防火涂料的配方，它以磷酸二铵为催化剂，以二氰二胺为膨胀发泡剂，以甲醛为碳化剂。阻燃技术在军事上首次应用 第二次世界大战中

3、，美国开发了以四羟甲基氯化磷为主的一系列纤维素的阻燃整理剂。同时军队对阻燃、防水帆布帐篷的需要，促进了氯化石蜡、氧化锑和黏结剂的阻燃系统的发展。 反应型阻燃剂的出现 20世纪50年代美国Hooker公司研制出多种含卤、含磷反应型阻燃剂单体，它们可应用于一系列缩聚高分子化合物 衡量阻燃性的指标氧指数（氧指数（OI） 氧指数定义为塑料试样在N2-O2混合气体中保持连续燃烧所需的最低氧气体积分数。%100ONOOI222式中，N2和O2代表两种气体的流量。 塑料的氧指数越小，说明其连续燃烧所需氧气的浓度越低，材料越易燃；反之，塑料的氧指数越大，说明其连续燃烧所需氧气的浓度高，材料越不易燃。常见塑料的

4、氧指数常见塑料的氧指数7理想的阻燃剂 阻燃效率高，添加量少； 无毒，无烟，对环境友好； 热稳定性好，便于加工； 对被阻燃物各项性能影响小，不渗出，便于回收； 使用方便，使用面广，还要价格便宜。 同时具有上面这些要求的阻燃剂几乎是不存在的，只能是在满足基本要求的前提下取得最佳的综合平衡。 聚合物燃烧聚合物燃烧 合成聚合物材料具有优良的性能，其应用范围越来越广，特合成聚合物材料具有优良的性能，其应用范围越来越广，特别是在建筑、交通、家具、电子电器及日用制品等行业被大量使别是在建筑、交通、家具、电子电器及日用制品等行业被大量使用，获得了显著的经济效益和社会效益，已逐步代替了传统材料。用，获得了显著的

5、经济效益和社会效益，已逐步代替了传统材料。但是，但是，绝大多数常用合成聚合物材料在空气中是可燃或易燃的绝大多数常用合成聚合物材料在空气中是可燃或易燃的，并且，与天然聚合物材料相比，在燃烧时会产生更多的有毒且具并且，与天然聚合物材料相比，在燃烧时会产生更多的有毒且具腐蚀性的气体和烟尘，因此由其引起的火灾所造成的后果就更为腐蚀性的气体和烟尘，因此由其引起的火灾所造成的后果就更为严重。正有鉴于此，严重。正有鉴于此，聚合物材料阻燃技术的开发聚合物材料阻燃技术的开发已引起世界各国已引起世界各国的高度重视。的高度重视。 聚合物燃烧反应聚合物燃烧反应 聚合物热分解产物的燃烧是按自由基链式反应进行的，其机聚合

6、物热分解产物的燃烧是按自由基链式反应进行的，其机理与聚合物热氧降解类似，包括下述四步：理与聚合物热氧降解类似，包括下述四步： (1)链引发链引发 (2)链增长链增长 RHhv/R + H (3)链支化链支化 (4)链终止链终止 聚合物受热分解产物，主要包括：聚合物受热分解产物，主要包括： 可燃气体可燃气体，如甲烷、乙烷、丙烷、甲醛、，如甲烷、乙烷、丙烷、甲醛、丙酮、一氧化碳等；丙酮、一氧化碳等； 不燃气体不燃气体，如二氧化碳、氮气等；，如二氧化碳、氮气等； 液体产物液体产物，即熔融降解聚合物和预聚体；，即熔融降解聚合物和预聚体； 固体产物固体产物，如碳化物等；，如碳化物等； 烟气烟气，即悬浮于

7、空气中的固体，即悬浮于空气中的固体(如碳如碳)颗粒。颗粒。阻燃机理 阻阻燃机理有多种，分述如下。燃机理有多种，分述如下。 1.保护膜机理保护膜机理（覆盖效应）（覆盖效应） 阻燃剂在燃烧温度下形成了一层不燃烧的保护膜，阻燃剂在燃烧温度下形成了一层不燃烧的保护膜，覆盖在材料上，隔离空气而阻燃，这又可分为两种情况。覆盖在材料上，隔离空气而阻燃，这又可分为两种情况。 (1)玻璃状薄膜玻璃状薄膜 阻燃剂阻燃剂在在燃烧温度下的分解成为不挥发、不氧化的燃烧温度下的分解成为不挥发、不氧化的玻璃状薄膜覆盖在材料的表面上，可隔离空气玻璃状薄膜覆盖在材料的表面上，可隔离空气(或氧或氧)，且能使热量反射出去或具有低的

8、导热系数从而达到阻燃且能使热量反射出去或具有低的导热系数从而达到阻燃的目的。如使用卤代磷作阻燃剂就是这种情况的目的。如使用卤代磷作阻燃剂就是这种情况。硼酸和水合硼酸盐都是低熔点的化合物，加热时形成玻璃状涂层覆盖于聚合物之上。例如硼酸当温度高于325时，产物软化形成玻璃状物质，加热到500时呈多孔性物质。 (2)隔热焦炭层隔热焦炭层 阻燃剂在燃烧温度时可使材料表面脱水炭化，形成一层多孔性隔热焦炭层。从而阻止热传导而起阻燃作用。如经磷化物处理过的纤维素，当受热时纤维素首先分解出磷酸。它是一种有很好脱水作用的催化剂，与纤维素作用的结果脱去水分留下焦炭。当受强热时，磷酸聚合成聚磷酸。后者是一种更强有力

9、的脱水催化剂。14成炭对阻燃的作用热分解时易形成炭的高聚物本身具有一定的阻燃作用 成炭率高的高聚物，其LOI较高 成炭率达40%50%的高聚物，LOI可高于30%。 而成炭率低的高聚物，其LOI不超过20% 成炭阻燃作用机理 （1）在热分解生成挥发物的反应，也生成炭；生成的炭越多，就会减少挥发物的产生；可燃气体的量也就减少 （2）炭的生成会影响下一步的热降解； 它在聚合物表面形成黏的绝缘炭层时，此炭层就会使聚合物同火焰隔绝，从而使进一步的热降解变得困难。而炭的燃烧是一个困难的过程，并取决于炭层、组分和形态。炭的本身LOI高达65%。 15成碳量高的聚合物： 主链上含有大量芳基的高聚物，如酚醛树

10、脂。但聚苯乙烯（PS）除外。 燃烧时可缩合成芳构型炭，如聚碳酸酯、聚酰亚胺等由于，产生的可燃性挥发物少，其LOI就比脂肪烃高聚物要高。 脂肪烃高聚物不易成炭（PP,PE) 2不燃性气体机理扑灭自由基（稀释效应） 阻燃剂能在中等温度下立即分解出不燃性气体，稀释可燃性气休和冲淡燃烧区氧的浓度，阻止燃烧发生。作为这类催化剂的代表为含卤阻燃剂，有机卤化合物受热后释出HX。H是难燃性气体，不仅稀释空气中的氧而且其相对密度比空气大，可替代空气形成保护层，使材料的燃烧速度减缓或熄灭，HBr与Hcl的重量比为1：22，因而含溴阻燃利的效能约为含氯阻燃剂效能的22倍。 3冷却机理（吸热效应） 聚合物材料的固体表

11、面的阻燃剂能在较低温度下熔化，吸收潜热或发生吸热反应，大量消耗掉热量，从而阻止燃烧继续进行。此类阻燃剂有氢氧化铝和氢氧化镁。 氢氧化铝即三水合氧化铝。当温度在200以内时，水合分子与氧化铝结合非常紧密，不易释出，此时外部加入的热量，由于聚合物本身的熔化而吸收消耗掉，氢氧化铝仅作为填科存在于塑料内，当温度升高到大于250、高聚物燃烧时，氢氧化铝发生分解，吸收大量热量，并产生水汽化，亦需吸收热量，从而降低聚合物温度，减缓和阻止燃烧。 氢氧化镁与氢氧化铝类似，在340左右开始吸热分解反应。 4终止链锁反应机理终止链锁反应机理（抑制效应）（抑制效应） 阻燃剂的分解产物易与活性游离基作用，降低某些游离基

12、的浓度，使作为燃烧支柱的链锁反应不能顺利进行。聚合物燃烧时，般分解为烃，烃在高温下进一步氧化分解成HO游离基，HO的链锁反应使得火焰燃烧持续下去。 由于在上述众多的游离基中，HO游离基能量很高，反应速度很大，所以燃烧速度取决于OH的浓度大小。当含有卤阻燃剂存在时由于它在燃烧温度下分解产生卤化氢H而H能捕获高能量的OH游离基，并生产和H2O，同时X与聚合物分子反应生成HX，又可用来捕获HO，如此循环下去，即可将HO促成的链锁反应切断，这就终止了烃的燃烧达到阻燃的目的。 在卤素氟、氯、溴、碘中氟由于太活在卤素氟、氯、溴、碘中氟由于太活泼而形成的氟分子又较稳定，所以阻燃性不好，泼而形成的氟分子又较稳

13、定，所以阻燃性不好，有时氟与其他卤素一起使用可增加化合物稳定有时氟与其他卤素一起使用可增加化合物稳定性，减少化合物毒性。碘元素形成的化合物不稳性，减少化合物毒性。碘元素形成的化合物不稳定。常温下易分解且价格昂贵，故也很少采用。定。常温下易分解且价格昂贵，故也很少采用。所以，卤素阻燃剂以溴、氯为主。所以，卤素阻燃剂以溴、氯为主。 5 5协同作用体系协同作用体系（协同效应）（协同效应） 阻燃剂的复配是利用阻燃剂之间的相互阻燃剂的复配是利用阻燃剂之间的相互作用从而提高阻燃效能，称为协同作用体作用从而提高阻燃效能，称为协同作用体系，常用的协同作用体系有锑卤体系，磷系，常用的协同作用体系有锑卤体系，磷一

14、卤体系，磷一卤体系，磷氨体系。氨体系。 (1)(1)锑锑卤体系卤体系 锑常用的是锑常用的是SbSb2 23 3，卤化物常用的是有机卤化物。卤化物常用的是有机卤化物。SbSb2 23 3本身阻本身阻燃性很小，但与有机卤化物一起使用，能发燃性很小，但与有机卤化物一起使用，能发挥阻燃作用挥阻燃作用其机理认为：它与卤其机理认为：它与卤化化物放出的卤化氢作用，生成物放出的卤化氢作用，生成SbSbClCl，后者遇热可分解放出后者遇热可分解放出SbCl3SbCl3。 SbCl3SbCl3是沸点是沸点(223(223）较高的挥发性气体，这种气）较高的挥发性气体，这种气体相对密度较高，能长时间停留在燃烧区内稀释

15、体相对密度较高，能长时间停留在燃烧区内稀释可燃性气体，隔绝空气，起到阻燃作用；其次，可燃性气体，隔绝空气，起到阻燃作用；其次，它能捕获燃烧性的游离基它能捕获燃烧性的游离基H, HOH, HO，CH3CH3等，等，起到抑制火焰作用。另外起到抑制火焰作用。另外,SbCl3,SbCl3可在火焰的上空可在火焰的上空凝结成液滴式固体微粒，其壁效应散射大量热量，凝结成液滴式固体微粒，其壁效应散射大量热量，使燃烧速度减缓或停止有人报道使燃烧速度减缓或停止有人报道SbCl3SbCl3可进一步可进一步还原成金属锑。它与聚合物脱还原成金属锑。它与聚合物脱HClHCl后形成的不饱和后形成的不饱和化合物反应，形成交联

16、聚合物，提高了材料的热化合物反应，形成交联聚合物，提高了材料的热稳定性。稳定性。(2)(2)磷一氮阻燃体系磷一氮阻燃体系膨胀型阻燃剂。膨胀型阻燃剂。 磷一氮阻燃体系能促酯类在较低温度下分解，形成焦炭磷一氮阻燃体系能促酯类在较低温度下分解，形成焦炭和水，并增加焦炭残留物生成量，从而提高阻燃效能。和水，并增加焦炭残留物生成量，从而提高阻燃效能。 磷化物和氮化物在高温下形成膨涨性焦炭层，它起着隔热磷化物和氮化物在高温下形成膨涨性焦炭层，它起着隔热阻氧保护层的作用，含氮化合物起着发泡剂和焦炭增强剂阻氧保护层的作用，含氮化合物起着发泡剂和焦炭增强剂的作用。的作用。 基于元素分析得知，残留物中含氯、磷、氧

17、三种元素，它基于元素分析得知，残留物中含氯、磷、氧三种元素，它们在火焰温度下形成热稳定性无定形物，犹如玻璃体，作们在火焰温度下形成热稳定性无定形物，犹如玻璃体，作为纤维素的绝热保护层。为纤维素的绝热保护层。 磷、氮体系复合阻燃剂，涉及阻燃防火材料，特别是用于磷、氮体系复合阻燃剂，涉及阻燃防火材料，特别是用于建材、塑料、织物等多种高分子材料的阻燃剂和防火涂料建材、塑料、织物等多种高分子材料的阻燃剂和防火涂料的阻燃添加剂。旨在解决已有的阻燃剂含有卤素，在燃烧的阻燃添加剂。旨在解决已有的阻燃剂含有卤素，在燃烧时产生有毒气体和大量烟雾等问题。时产生有毒气体和大量烟雾等问题。24阻燃剂的分类 根据元素种

18、类分为根据元素种类分为 卤系、有机磷系及卤-磷系、氮系、硅系、铝-镁系、钼系等 按阻燃作用分为按阻燃作用分为 膨胀型阻燃剂、成炭阻燃剂等。 按化学结构分为按化学结构分为 无机阻燃剂、有机阻燃剂、高分子阻燃剂等。 按阻燃剂与被阻燃材料的关系可分为按阻燃剂与被阻燃材料的关系可分为 添加型阻燃剂和反应型阻燃剂，反应型阻燃剂参与高聚物的化学反应。 阻燃剂的元素组成特征阻燃剂的元素组成特征 目前已开发应用的聚合物阻燃剂，主要是目前已开发应用的聚合物阻燃剂，主要是含第含第A族的族的N、P、As、Sb、Bi和第和第A族的族的Cl、Br，以及，以及Al、B、Zn、Sn、Mg、Ca等的化合物。等的化合物。其中最

19、常用和最有效的是含其中最常用和最有效的是含P、Cl、Br、Sb和和Al的化合物。的化合物。常用阻燃剂元素分布红磷阻燃母料 常见阻燃剂a. 卤系阻燃剂 b. 磷系阻燃剂 c. 氮系阻燃剂d. 无机阻燃剂 e. 含硅阻燃剂无卤环保的硅系阻燃剂阻燃剂应用阻燃剂应用1、氯化石蜡、氯化石蜡氯化石蜡包括含氯量50%和含氯量70%的两大类产品，含氯量50%的主要用作PVC的辅助增塑剂，含氯量70%的则主要作为阻燃剂使用。含氯70%的氯化石蜡为白色粉末，化学稳定性好，价廉，用途广泛，常和Sb2O3混合使用。可用于PE、PS、聚酯、合成橡胶的阻燃剂。氯化石蜡的缺点是分解温度较低（120oC），在塑料成型时有时会

20、发生热分解，使制品着色切腐蚀金属模具。2、四溴双酚、四溴双酚A性质：灰白色粉末。熔点180-184，沸点316（分解）。 用途：用于塑料；橡胶；纺织；纤维和造纸等工业作阻燃剂，如用于环氧；聚碳酸酯；聚酯；酚醛及ABS等树脂中，使制品具有良好的阻燃性和自熄性。目前正式用于电视高压包灌注环氧树脂中。 3、十溴二苯醚、十溴二苯醚性质：白色或淡黄色粉末。熔点304-309。溴含量83.3%。几乎不溶于所有溶剂。热稳定性良好。 用途：添加型阻燃剂，用途广泛。可用于PE、PP、ABS、PBT、PET以及硅橡胶、三元乙丙橡胶制品中。该品与Sb2O3并用阻燃效果更佳，是无污染阻燃剂。该品作为阻燃剂在物性和经济

21、性两方面都比较好。但其缺点是耐候性差，并会使树脂发黄。用于高冲击聚苯乙烯中的添加量为12%-15%。 314.含磷阻燃剂 含磷阻燃剂的应用： 可作为热塑性塑料、热固性塑料、织物、纸张、涂料和胶黏剂等的阻燃剂。 种类： 红磷 水溶性的无机磷酸盐类 不溶性的聚磷酸铵 有机磷酸酯和膦酸酯类 氧化膦类 氯烃基磷酸酯类和溴芳烃基磷酸酯类。325.无机氢氧化物无机氢氧化物是非常重要的阻燃剂。1995年估计使用899kt的阻燃剂，无机氢氧化物为422kt，占将近50%。无机氢氧化物易处理，相对无毒，不产生有毒、有腐蚀性的气体，而且抑烟，更重要的是比卤、磷阻燃体系便宜。氢氧化铝是无机氢氧化物销售最多的阻燃剂，

22、主要用于加工温度在200以下的人造橡胶、热固性树脂及热塑性塑料氢氧化镁是一种热稳定性更好的无机阻燃剂，超过300仍然稳定，广泛用于许多人造橡胶、树脂、包括工程塑料及其他在高温加工下的树脂。因为考虑含卤及含磷阻燃剂的环境问题，无机氢氧化物阻燃剂的应用得到持续的增长。 33 （1） 氢氧化铝（ATH, aluminum tri-hydroxidate ） 氢氧化铝是应用最为广泛的阻燃剂 性质： 氢氧化铝是一种无毒、白色至浅白色的粉末，相对密度2.42，莫氏硬度为3.0，当温度加热到高于320时ATH因失水而损失其质量的34.6%。用途： 对于加工温度低于氢氧化铝分解温度（190230）的聚合物来讲

23、，氢氧化铝是一种优良的阻燃材料，关于颗粒直径的大小对于热稳定的影响也是值得注意的。 氢氧化铝作为阻燃材料，用于弹性体、热固性树脂及热塑性塑料等，也大量用于生产阻燃地毯的苯乙烯-丁二烯胶乳中，用于生产阻燃绝缘橡胶电缆、保温泡沫塑料、传送皮带、屋顶天棚及软管中。34优点： 氢氧化铝是非常有用的阻燃剂，可以提供生烟度较低的配方。与含卤化物和氧化锑混合物的配方相比，该种配方生烟毒性低、腐蚀性也小。缺点： ATH添加量为50%75%（质量）。对树脂的物理性能产生负面影响。解决方法： 采用合适的助剂，合理的搅拌技术能使ATH充分的分散 ATH经适当的表面处理也能减少因装填率高而生产的影响，但会在很大程度上增加材料的成本 细化处理35 （2）氢氧化镁 氢氧化镁Mg(OH)2是世界销售量占第二的无机氢氧化物阻燃剂。性质： 氢氧化镁是一种白色至浅白色晶状体粉末，相对密度