浅谈阻燃材料发展现状与趋势分析

浅谈阻燃材料发展现状与趋势分析摘要：为提高电气线路的安全水平，电缆的阻燃问题越来越引起人们的关注，电缆的阻燃化已成为电缆行业的一个综合性发展方向。由于聚氯乙烯绝缘电缆和一些其他含卤材料燃烧时放出大量的腐蚀性气体和浓烟，危及人们的生命安全，所以近年来无卤低烟电缆得到广泛的应用。本文分析了各种阻燃剂的种类及其阻燃机理和性能，还有阻燃电缆的概念，特性，结构和分类。以及阻燃材料的应用领域。指出了其各自存在的问题，探讨了阻燃剂在国内外的应用研究现状，以及各种阻燃剂在未来发展趋势，对今后阻燃剂的研究与应用提出了建议。关键词：阻燃材料阻燃剂发展现状机理低烟无毒正文：一阻燃电缆的定义及分类㈠阻燃电缆材料的定义所谓阻燃电缆就是在规定试验条件下，试样被燃烧，在撤去试验火源后，火焰的蔓延仅在限定范围内，残焰或残灼在限定时间内自行熄灭特性的电缆。阻燃电缆主要的功效是依靠阻燃材料，阻燃材料分为有机阻燃材料和无机阻燃材料，目前阻燃材料主要利用添加阻燃剂来实现阻燃效果，阻燃剂现在种类繁多，主要有无机和有机阻燃剂，有机阻燃剂目前使用较为普遍。具有阻燃效果好、添加量少、对材料的其他性能影响小等特点，但它在燃烧过程中发烟量较大，会释放出有毒性、腐蚀性的卤化氢气体。无机阻燃剂具有无卤、无毒、低烟，热稳定性好、不挥发、不析出、不产生腐蚀性和有毒性气体且价格便宜，可利用的资源丰富等优点，但却存在添加量大且与基材亲和力差，阻燃效果差，对材料的加工和机械性能影响大等缺点。㈡阻燃电缆的分类及构成根据电缆阻燃材料的不同,阻燃电缆分为含卤阻燃电缆及无卤低烟阻燃电缆两大类。其中含卤阻燃电缆的绝缘层、护套、外护层以及辅助材料（包带及填充）全部或部分采用含卤的聚乙烯（PVC）阻燃材料,因而具有良好的阻燃特性。但是在电缆燃烧时会释放大量的浓烟和卤酸气体,卤酸气体对周围的电气设备有腐蚀性危害,救援人员需要带上防毒面具才能接近现场进行灭火。电缆燃烧时给周围电气设备以及救援人员造成危害,不利于灭火救援工作,从而导致严重的“二次危害”。而无卤低烟阻燃电缆的绝缘层、护套、外护层以及辅助材料（包带及填充）全部或部分采用的是不含卤的交联聚乙烯（XLPE）阻燃材料,不仅具有更好的阻燃特性,而且在电缆燃烧时没有卤酸气体放出,电缆的发烟量也小,电缆燃烧产生的腐蚀性气体也少,对周围电气设备及人身造成的危害较小,有利于灭火救援工作,因而,该电缆在国外被称做”清洁电缆”由于无卤阻燃电缆的价格较贵,因此在提高电缆阻燃性和降低卤酸气体发生量之间采取折衷的方式开发出了低卤低烟阻燃电缆。它的含卤量约为含卤阻燃电缆的1/3左右。发烟量也接近于公认的“低烟”水平。根据《电线电缆燃烧试验方法的规定》采用成束燃烧试验方法考核的阻燃电缆分为A,B,C三类，其中A类电缆试验条件最苛刻)性能较B,C类更优，价格也最贵。二阻燃电缆的机理目前国内用量最大的塑料绝缘阻燃电缆均为含氯阻燃材料，它是以氯作为阻燃剂是电缆达到阻燃目的。含氯阻燃电缆的机理如下：RH+O2→Ro·+HO·Ho·+RCH3→RCH，·+H2ORCH2·+02→RCHO+H0·从上述反应式中不难看出O2和HO·分别出现同RH有机物放出大量的热，只要有RH有机物存在，HO·不减，燃烧现象不断延续。但是它还有抑制燃烧，阻止延燃的作用，即活性羟基NO·与HCl(氯化氢)的反应：HCI+HO·→Cl·+H20Cl·+Cl→C12HCl同HO·反应后，生成游离的氯离子和水蒸气，而游离的氯离子相互结合又生成氯气，由于生成物本身不燃，而且在燃烧反应中能稀释空气中的氧和活性羟基的浓度。因此，聚氯乙烯电缆能不能阻燃，完全取决于上述二方面。化学反应是哪个起主导作用，即取决于单位时间HO·的增加量是正还是负，当HO·>0时就燃烧，大得越多，燃烧就越剧烈；反之亦然。为了抑制HO·的增加量，一般在普通聚氯乙烯材料中添加含卤量大的十溴联苯醚或氯化石蜡作为阻燃剂，使普通聚氯乙烯的氧指数达到32以上，增强了聚氯乙烯为基材电缆的阻燃能力。三阻燃电缆的工艺1．挤出设备阻燃电缆挤出性能和挤出设备的关系很密切，有卤阻燃电缆料的挤出，使用长径比L／D为20或25的螺杆都能得到理想的挤出表面。无卤低烟阻燃电缆聚烯烃电缆料的挤出，使用长径比L／D为20或25的螺杆也能得到较为理想的挤出表面，但相比而言，使用长径比L／D为20的螺杆挤出的电缆表面更加光洁。这是由于长径比越大，能改进物料温度分布，有利于塑料的混合和塑化，并能减少漏流和逆流，提高挤出机的生产能力，适应性较强，但长径比过大，会使塑料受热时间增长，易引起降解，并增大挤出机的功率消耗，而无卤低烟阻燃电缆料中由于加入了较多的填充材料(氢氧化镁或氢氧化铝)，受热易分解而造成挤出表面变差，故采用长径比L／D为20的螺杆挤出效果较好。另外对于无卤低烟阻燃电缆料的挤出，螺杆压缩比为1：1—2．5：l之间比较合适。并且采用挤出PVC用的螺杆比采用挤出聚乙烯用的螺杆挤出阻燃聚烯烃较好；这是由于压缩比越大，螺槽深度越浅，螺旋角越小，螺杆与料桶间隙越小，对塑料产生的剪切力和积压力增大，物料在螺杆中的剪切生热也越大，易引起物料机械分解，影响挤出质量；而挤出PVC用的螺杆压缩比较小，螺槽深度较深，螺旋角较大，螺杆与料桶间隙较大，故一般采用挤出PVC用的螺杆挤出阻燃聚烯烃电缆料。无卤低烟阻燃电缆料的挤出设备要有良好的冷却装置，因为阻燃聚烯烃挤出过程中会由于摩擦而生热，如果没有良好的冷却效果，材料极易分解而影响挤出效果。2．挤出模具由于阻燃电缆料中有较多的填充物，导致在熔融状态下熔体强度、拉伸比和熔体粘度与非阻燃电缆料的性能存在较大的差异，从而使模具的选取也有所不同。一般来说，阻燃绝缘料的挤出采用挤压式，护套采用挤管式或半挤管式生产。采用挤压式模具时由于阻燃电缆料熔体粘度大，使得机头压力增加，挤出制品压得比较密实，导致离模时有所膨胀，故选用模具内径尺寸比成品的标称直径小5％左右。使用挤管式或半挤管式生产时必须考虑拉伸比，有卤阻燃料拉伸比为6—7左右，无卤低烟阻燃电缆料拉伸比为2．5—3．2，理论上是拉伸比越小，表面越光洁，实践得出挤制护套配模：模芯内径=绕包层外径+(0．6～1．5)mm，模套内径=电缆标称外径+(2—7)mm。3．挤出工艺挤出工艺主要包括挤出温度和螺杆转速的设置。由于阻燃电缆料挤出时会因摩擦而生热，引起温升，冷却一段后会趋于平衡，所以初始温度设定一般比正常挤出温度低5一lO℃左右，以使挤塑稳定时，温度正好在材料的挤出温度范围之内。般来说，无卤低烟阻燃聚烯烃电缆料比有卤阻燃电缆料的摩擦升温快，工艺温度范围窄。挤塑时螺杆转速也是一个重要问题，挤包阻燃电缆料时，螺杆转速不能太快。这是由于螺杆转速快后受到的剪切作用增大，易引起阻燃剂的机械热分解；另外由于转速增加，摩擦生热量大，也会造成阻燃剂分解从而影响挤出表面质量。对于无卤低烟阻燃电缆料的挤出来说，螺杆转速大时，主机电流一般比较大，导致电机超负荷运转。四阻燃材料发展现状近年来，随着防火安全标准的日益提高和塑料产量的快速增长，全球阻燃剂的用量不断增长。按照化学组成，阻燃剂可分为无机阻燃剂和有机阻燃剂，机阻燃剂主要以卤素添加剂为主，机阻燃剂在合成材料中，除了有阻燃效果外还有抑制发烟和氯化氢生成的作用，而且赋予材料无毒性、腐蚀性和价格低廉等优点。国外工业发达国家无机阻燃剂消费量远远高于有机阻燃剂，如美国、西欧和日本等工业发达国家地区无机阻燃剂的消费占总消费量约60，我国不到因此我国发展无机阻燃剂非常紧迫而且潜力巨大。目前我国阻燃系主要品种有卤系、铝镁系、磷系、卤一磷系、硅系、硼酸盐系等。1铝系阻燃氢氧化铝是问世最早的无机阻燃剂之一，也是国际上阻燃剂中用量最大的一种。目前氢氧化铝占全球无机阻燃剂消费量的8O%上，广泛应用于各种塑料、涂料、聚氨酯、弹性体和橡胶制品中，有阻燃、消烟、填充3大功能，不产生二次污染，能与多种物质产生协同作用、不挥发、无毒、无腐蚀性、价格低廉。氢氧化铝的阻燃机理是向聚合物中添加氢氧化铝，降低可燃聚合物浓度；在250℃左右开始脱水，吸热，抑制聚合物升温；分解生成的水蒸气稀释了可燃气体和氧气浓度，可阻止燃烧进行；在可燃物表面生成Al氢氧化铝也存在许多不足之处包括氢氧化铝的阻燃效果随着添加量的增加而增强，但是填充量过大会降低物质的强度；氢氧化铝单位质量吸热量较大，分解温度低，在245～320℃的温度范围内完成脱水反应，因此只能适用于加工温度较低的聚合物。在现在和未来很长一段时间里，氢氧化铝添加型阻燃材料将继续作为主要的阻燃材料添加剂。2镁系阻燃氢氧化镁属于添加型无机阻燃剂，与同类无机阻燃剂相比，氢氧化镁无论在原料来源、制备过程、废物处理等方面都是一种环保型绿色阻燃剂，具有更好的抑炯效果，由于火灾中有80%烟窒息而死亡，因此当代阻燃剂技术中“抑烟”比“阻燃”更为重要；氢氧化镁的分解能高(1137kJ／g)，且热容也高，比目前常用的无机阻燃剂氢氧化铝的热分解温度高出140度，以使添加氢氧化镁的合成材料承受更高的加工温度，有利于加快挤塑速度，缩短模塑时间，同时亦有助于提高阻燃效率，同时氢氧化镁与其他阻燃剂有良好复合能力，配使用可广泛用于聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、高抗冲聚苯乙烯和ABS等塑料、橡胶行业。氢氧化镁是一种环保绿色阻燃剂，未来前景不错，作为阻燃材料添加剂，在未来的阻燃材料添加剂中，将会得到重视，但是价格较高。五发展趋势1无卤化趋势卤素阻燃剂因其用量少、阻燃效率高且适应性广，已发展成为阻燃剂市场的主流产品。但卤素阻燃剂的严重缺点是燃烧时生成大量的烟和有毒且具腐蚀性的气体，可导致单纯由火所不能引起的电路系统开关和其它金属物件的腐蚀及对环境的污染；对人体呼吸道和其它器官的危害甚至因窒息而威胁生命安全。近几年，美国、英国、挪威、澳大利亚已制定或颁布法令，对某些制品进行燃烧毒性试验或对某些制品的使所释放的酸性气体进行规定，开发无卤阻燃剂取代卤素阻燃剂已成为世界阻燃领域的趋势。无机阻燃剂(A1(OH)3等)来源丰富、价格低廉，但其阻燃效果较差，添加量大，对制品的性能影响较大，因而国内外努力向超细化、微胶囊化、表面处理、协同增效复合化方面进行技术开发。美国Alcoa公司、Alcan化学公司、Lonza公司和Solem公司不断推出新品种，如Zerogen、Halfree、Hydrax、Magnifin系列等，国内的山东铝厂、江苏海水研究所、北京化工大学、大连理工大学等对此进行了研究开发，研究出阻燃性能好、粒径小、补强效果明显的无机阻燃剂。北京化工大学已实现了超细Mg(OH)类水滑石的产业化。红磷阻燃效率高、用量少、适用面较广，微胶囊化红磷克服了红磷吸潮、易着色、易爆炸等缺点。磷的稳定化处理一微胶囊化技术在阻燃领域深受重视，英国、日本开发研制的产品已商品化，主要产品有英国AlbrightWilsom公司的AMGARDCPC、AMGARDCRP系列，日本的RINKA系列。我国北京理工大学、湘潭大学、天津合成工业研究所对此也进行了研究开发。已有中试产品供应。膨胀型阻燃剂由于具有在燃烧过程中发烟量少、无有毒气体产生，被认为是实现无卤化很有希望的途径之一2减少有害气体趋势据统计，火灾中发生的死亡事故80是由于燃烧所释放的烟和有毒气体的窒息造成的。研究开发新型阻燃剂，降低材料燃烧时的烟量及有毒气体量，成为近年来阻燃领域中的重点研究课题之一。目前采用的抑烟剂主要以金属氧化物、过渡金属氧化物为主，主要有硼酸锌、钼化合物(三氧化钼、钼酸铵)及其复配物、镁一锌复合物、二茂铁、氧化锡、氧化铜等，主要产品有美国Broax公司Firebrake硼酸锌系列、XP系列，Climax公司的MolyFR钼酸盐系列，can公司提供的两种含锡及其它元素的Flare—tardh和Flamtards等。此外，某些无机填料（Mg(OH)2)同时具有阻燃抑烟的功效，膨胀型阻燃剂的多孔炭层也具有阻燃和抑烟的双重作用。六结语阻燃剂已经随着高分子材料的广泛应用而得到了很大发展，并且随着人们环保意识的增强，新型阻燃剂品种不断出现，一些新兴技术也被不断地应用于阻燃剂的研究和生产。目前我国使用的阻燃剂主要以有机卤系阻燃剂为主，它具有与有机高聚物相容性好、阻燃效果好、添加量少、对材料的其他性能影响小等特点，然而它在燃烧过程中发烟量较大，释放出有毒性、腐蚀性的卤化氢气体。与有机阻燃剂不同，无机阻燃剂具有无卤、无毒、低烟，热稳定性好、不挥发、不析出、不产生腐蚀性和有毒性气体且价格便宜，可利用的资源丰富等优点，但却存在添加量大且与基材亲和力差，阻燃效果差、对材料的加工和机械性能影响很大等缺点。综合阻燃剂的优劣，人们越来越倾向于选择使用无机阻燃剂。目前工业发达国家的无机阻燃剂消费量远远高于有机阻燃剂。国外对阻燃剂的研究已进入相对完善的发展阶段，而在国内，阻燃剂还是一个新生的工业，有关研究起步较晚，虽已取得了长足的发展，但是与先进国家相比，在产量和品种结构上都还有一定的差距。纵观近年来的阻燃剂研究开发与发展状况，可以看出其正逐步向环保化、低毒化、高效化、多功能化等方向发展，超细化技术、微胶囊化技术、复配协同技术、交联技术以及大分子技术等阻燃剂研究开发新技术将不断得到发展。参考文献[1]崔隽，姜洪雷，吴明艳等．阻燃剂的现状与发展趋势[J]．山东轻工业学报，200717（1）