材料阻燃技术（共7篇）
材料阻燃技术 篇1
随着工程建设和交通事业的发展以及人类生产、生活的不断需求,世界各国所建交通隧道的里程迅速延长。按照规划,我国在10年内将新建成公路40万km,“五纵七横”国道主干线将贯通,其中将建设总长155 km以上的公路隧道。在这个大背景下,也促进了一批跨江海隧道的建设,比如在建的上海崇明岛和武汉的长江隧道。我国已经进入了隧道建设的高速发展时期。
目前,国内外公路隧道路面大部分采用水泥混凝土。但通过对中国西部多个省的公路隧道进行调查,发现隧道中的水泥混凝土路面在使用中存在如下几个主要问题:行车舒适性差、表面抗滑性能不良、行车噪音大、路面接缝破坏较多、路面积水不易排除等。造成这些问题的原因,一方面由于水泥混凝土的刚度很大,施工平整度控制不好就会造成行车的颠簸,导致较高的噪音;另一方面水泥混凝土路面的表面构造不发达,同时长期使用过程中,车辆进入隧道时会减速,驶出隧道会加速,使得进口和出口两端路面抗滑性能衰减很快。而沥青混凝土路面具有无接缝、表面平整好、行车平稳、舒适、施工机械化程度高、进度快、质量好、维护简单等优点,为了提高隧道路面的行车安全舒适性,采用沥青混凝土路面已成为隧道路面的主流。
但沥青是一种易燃性材料,隧道内路面处于一个相对封闭的环境中,隧道内部封闭潮湿、通风条件差,倘若发生交通事故而引发火灾,将使沥青燃烧后释放的有害气体严重影响人的身体健康,甚至危及人员的生命安全。
近10年来,公路隧道的不断涌现和隧道交通量的增大以及运输物品的复杂化,增加了交通隧道的火灾隐患,引发了不少严重的火灾事故。隧道火灾不仅严重威胁着人们的生命财产安全,而且对交通设施、人类的生产活动造成巨大的影响。这些引起了人们对隧道安全性与火灾问题的极大关注。随着沥青混凝土路面在隧道建设中的广泛的应用,对隧道安全性和火灾问题的关注更是提到了一个全新的高度,但现阶段,对于沥青混凝土路面抵抗火灾能力方面的研究还不够充分,在隧道阻燃抗滑路面材料的研究与开发方面尚未取得突破性的进展,所以亟待开发一种具有阻燃抗滑性能的沥青混凝土路面。这对消除交通事故隐患,具有重要的现实意义。并且在我国大力推进西部大开发的政策施行之际,研究公路隧道火灾,对于保障社会主义现代化建设的顺利进行,保障交通事业的迅猛发展,保障人们群众的人身和财产安全方面都具有重大意义。
1 阻燃技术
沥青路面将逐步取代水泥路面成为公路隧道路面的主流,但是,目前国内外阻燃沥青路面的研究主要侧重于阻燃沥青的研究。
我国在安徽沿江高速公路中就应用了阻燃沥青混凝土路面。安徽沿江高速公路是国家和安徽省重点建设工程,其中YJ1-LM02合同段工程中,共有4条隧道(朱村隧道、梅冲1号隧道、梅冲2号隧道以及大尖山隧道)做沥青混凝土路面铺筑。为了提高沥青混凝土路面在隧道中的阻燃防火性能,这4条隧道沥青混凝土路面的表面层施工中采用阻燃沥青混合料铺筑。在沿江高速公路YJ1-LM02合同段隧道工程中采用了一种对沥青混合料进行阻燃改性的颗粒状阻燃改性剂—FRMAXTM阻燃改性剂。经业主、监理和阻燃剂供应方共同现场取样,送国家防火建筑材料质量监督检验中心检测。检测结果:阻燃沥青的氧指数为26.0%。此数据表明:本项目用沥青混合料达到了隧道沥青混凝土路面阻燃要求。
我国对用阻燃剂代替聚酯纤维进行阻燃和采用多孔隙沥青混凝土路面进行阻燃基本上没有应用,但已经有部分研究室进行了初步研究并发现阻燃效果是明显的。比如:张厚记博士发表在2006年4月第28卷第4期《武汉理工大学学报》上的一篇文章—《碱性矿物纤维增强沥青混合料的研究》,里面就指出碱性矿物纤维可以作为沥青路面的增强纤维和阻燃纤维,特别适用于隧道内的阻燃沥青面层。
另外由杨良等发表在2004年8月第4卷第四期《安全与环境学报》上的一篇文章—《OGFC面层在公路隧道防火中的作用》里面就对OGFC面层的阻燃性能进行了初步的研究,并指出从从防火的角度来看,OGFC面层应该成为隧道路面的首选。
综上所述并结合隧道的特殊使用环境,提高隧道路面阻燃性能的主要研究思路是: 1)尽量提高建筑工程中可燃材料的阻燃性能,或者在保证使用性能的条件下尽量用不可燃材料代替可燃材料的使用; 2)在火灾发生后最大限度的减少可供燃烧的物质。
根据材料阻燃技术研究的思路,在沥青及沥青混凝土阻燃技术的研究中采用的阻燃方法是: 1)在沥青中掺加阻燃剂,提高沥青的阻燃性能; 2)用不可燃的矿物纤维代替工程上广泛使用可燃聚酯纤维,尽可能减少混合料中可燃成份的用量; 3)采用具有多孔结构的开级配沥青磨耗层(OGFC)排除隧道火灾中的液态燃烧物质。其中开发阻燃沥青,在隧道阻燃方面得到了广泛的研究,也在部分公路隧道工程中得到了应用。
2 阻燃机理研究
2.1 阻燃沥青的阻燃机理
阻燃沥青是在沥青中掺加适当的阻燃剂,并通过一定的改性工艺制备而成,其燃烧性能被大大抑制,甚至达到难燃程度。用制备出的阻燃沥青进行沥青混合料设计,制备出既具有阻燃性能又满足路用性能技术要求的沥青混凝土。
赋予沥青一定的阻燃性,现在已有多种技术,包括接枝和交联改性技术、抑制降解技术、催化阻燃技术、气相阻燃技术、成炭隔热技术、冷却降温技术等。目前广泛采用的是气相阻燃技术与冷却阻燃技术。
2.2 矿物纤维的阻燃机理
现在工程上广泛使用的是聚酯纤维,而聚酯纤维是可燃的,这样在火灾中可能会起到一定的助燃效果,增大火势。矿物纤维是以天然矿石为原材料,通过高温熔化拉丝制备而成,不具有燃烧性,用矿物纤维代替聚酯纤维,减少了火灾后可燃烧物的量,可以在一定程度上缩短火灾持续时间,降低灾害程度。目前工程中应用的矿物纤维包括石棉纤维、玄武岩纤维及各种保温矿物纤维材料,石棉纤维具有一定的毒性,用于路面建设会存在一定的健康隐患,各种保温纤维质地疏松,抗拉强度及拉伸断裂延伸率等都无法满足路面纤维材料的技术要求,而玄武岩纤维采用玄武岩作为原材料,与沥青的粘附性好,拉伸强度等都能满足路面工程的技术要求,并在国内外部分工程得到了应用,更适于隧道阻燃沥青路面工程。
2.3 OGFC阻燃机理
开级配沥青磨耗层(Open-grade Asphalt Friction Course OGFC)是一种具有高孔隙率的开级配沥青混合料,空隙率高达18%～25%,具有排除路面积水,减少水雾、眩光,降低噪音,抗滑性能好,防止水漂等功能。用其铺筑隧道路面防滑磨耗层,不但能显著提高雨天抗滑性能,减少噪声和防止眩光,而且在隧道防火中也能发挥重要作用。
公路隧道火灾的发生与液体燃料的泄漏相关性很大,并且液体燃料泄漏后可能会沿着隧道路线方向流淌,引燃其他车辆。OGFC面层的阻燃机理就在于:当隧道内发生液体燃料泄漏时,液体燃料能够通过空隙迅速渗入排水面层,最终排入道路两侧的边沟。即使液体燃料泄漏后立刻着火,OGFC面层也能够吸收和排放掉一部分燃料,这样就减少了可供燃烧的燃料,抑制液体燃料的流淌,一定程度上控制火势,从而达到防火阻燃效果。而减少掉的液体燃料又分为两种情况,排放掉并流入道路两侧的边沟的那一部分燃料,已经远离了着火点,这部分的燃料将不会参与任何燃烧,另外OGFC面层中的空隙中还吸收有一部分燃料并处于饱和状态,这部分汽油虽处于着火点的高温状态下,有短时间的燃烧现象,但由于OGFC面层中的空隙中是一种饱和状态,空隙中没有足够的氧气,虽然含有大量的液体燃料,并处于高温下,液体燃料在短时间内会由于缺氧而自熄。
OGFC的另一个优点是,在所有沥青面层中,OGFC的沥青含量较少。这意味着减少了隧道火灾中可供燃烧的沥青量。假设OGFC含油量为4%,SMA的含油量为6%。对于隧道内宽8 m,厚5 cm的沥青面层,每1 m OGFC混合料(密度2.1 g/cm3)比SMA混合料(密度2.3 g/cm3)少用沥青21.6 kg。单位体积的OGFC的沥青用量仅为SMA沥青用量的61%。
OGFC的排油防火能力取决于其渗透性能。OGFC面层的排水过程分为2个阶段,首先是雨水从路表面通过竖向的孔隙渗入到路面内部,然后通过横向的孔隙排向路面边缘。实际上这两个阶段是同时进行的,水向下渗时,一旦遇到横向连通空隙就会转为横向流动。当汽油泄漏在OGFC面层上时,也具有类似的渗透过程。因此OGFC的阻燃性能取决于空隙率,同时存在较多的连通孔对阻燃性能也会有很大的提高。
3 复合阻燃技术试验研究
总体来讲国内在隧道路面阻燃方面的研究是比较少的,前阶段所应用阻燃技术在阻燃效果上有一定的不足。比如实际使用比较多且具有良好阻燃效果的阻燃剂十溴二苯醚在阻燃过程中会分解出有毒气体,这样在火灾中阻燃路面的确达到了一定的阻燃性能,火势有所减小,但隧道内却充满了有毒气体,隧道中的人员可能会因为不易疏散长时间停滞而吸入大量的有毒气体而导致中毒。并且这种阻燃剂在热伴法施工过程中,由于在施工温度下会分解出一小部分有毒气体,于是要求施工中需要采取过多的保护措施不便于施工,影响施工进程。又比如使用氢氧化镁、氢氧化铝等冷却性阻燃剂,对于小的火势有一定的阻燃效果,但对于大量的汽油燃烧而且是在隧道这种特殊环境内,其阻燃效果并不明显。
另外一些学者提出的用矿物纤维代替聚酯纤维以及采用多孔隙沥青混凝土面层也都有其局限性。矿物纤维的加入相对于采用聚酯纤维沥青面层材料的路用性能有很大的降低,必须采用高粘度改性沥青,并提高矿物纤维的掺量,以弥补损失路用性能。同时,纤维作为稳定剂外掺,其掺量是很低的,用不燃的矿物纤维代替可燃的聚酯纤维,对阻燃性能的提高效果并不是很明显。
结合以上各种阻燃技术的弊端,笔者提出了在保证路用性能的前提下对材料和结构两个方面同时进行阻燃处理的设计思路:
在材料上,对沥青进行阻燃处理以及采用不燃的矿物纤维代替可燃的聚酯纤维,减少沥青混合料中可燃物质含量;其中阻燃剂采用实验室研制的无机高效阻燃剂,即减少有机阻燃剂毒性对人的伤害,又可以与有机阻燃剂的效果想媲美;矿物纤维采用絮状,相比与常用的切断状,絮状矿物纤维对路用性能的影响相比与采用聚酯纤维时的情况是接近的。
结构上,设计多空隙结构沥青路面材料—OGFC,在液体燃料泄漏时,燃料能够通过孔隙迅速渗入沥青混凝土内部,并由于空气含量的减少而自熄,这样就减少了可供燃烧的燃料,抑制了燃料的流淌及火势的蔓延,从而达到防火、阻燃的效果;另外OGFC的沥青含量相对较少,再添加一定量的沥青阻燃剂,将降低隧道火灾中沥青参与燃烧的机率和含量。另外,OGFC抗滑性能优良,提高了隧道的行车安全性,降低交通事故发生率,在一定程度上也防止了火灾的发生。
最后优化沥青混合料的级配,设计研究最佳孔隙率,以达到最佳阻燃性能,同时采用外加剂等提高阻燃沥青混合料的路用性能,以满足隧道路面的使用要求。
3.1 试验方法
燃烧试验选用规格为30 cm×30 cm×5 cm的试件,放在钢制挡板上,以100 g 90#乙醇汽油作为燃烧物(见图1)。温度变化采集点为试件表面中心和试件正上方30 cm处,试件的表面温度利用红外线温度感应器测定,试件上方环境温度采用K型热电偶温度测试器测定[15]。燃烧时间采用秒表记录,从点火开始计时,看不到明火时为终止时间。并分别在燃烧试验前后称取试件的重量,计算逃逸汽油量。采用燃烧时间、逃逸汽油量、温度变化综合评价C30水泥混凝土、AC-13、SMA-13及OGFC-13的防火阻燃性能,其中AC-13、SMA-13未添加阻燃组分,OGFC-13添加了阻燃组分。
3.2 结果与讨论
试件表面和上方30 cm空气的温度变化曲线图(图2、图3),燃烧时间、逃逸汽油量、烟气状况等相关指标见表1。
2组试验中OGFC-13的试件表面和试件上方空气的峰值温度都远远低于其他3种道路材料,仅在172.6 ℃和42 ℃,并且在整个燃烧试验过程中的温度也都低于其他试件,其温度变化范围比其他几种材料的变化范围要窄得多。在逃逸汽油量方面,OGFC-13的逃逸汽油量都远远高于其他几种路面材料,相比于其他几种路面材料,OGFC-13试件逃逸了大量的汽油,逃逸汽油量达到80%以上。说明OGFC-13试件中一定含有大量的未参与燃烧的残留汽油。另外阻燃沥青制OGFC-13沥青混合料的燃烧时间也远远低于其他路面材料,只有82 s,仅为SMA燃烧时间的1/4,表现出优异的阻燃防火性能。另外在燃烧实验过程中,OGFC-13试件表面火焰小,几乎看不到黑烟的释放仅有少量烟雾产生,而其他3种路面材料在汽油燃烧的过程中伴随有黑烟产生。说明采用复合阻燃技术的防火性能优良。
4 结 语
采用复合阻燃技术即从结构和材料2个方面同时进行综合阻燃的的设计思路,采用无机高效阻燃剂、矿物纤维等产品,设计大空隙沥青路面,发挥了各种阻燃技术的优点,很大程度上避免独立阻燃技术的缺点,试验结果也表面其优势和效果明显。因此笔者认为利用各种阻燃机理进行综合阻燃处理将会是今后隧道沥青面层材料阻燃技术的主要发展方向。而解决公路隧道火灾问题,对加快我国隧道工程,甚至交通道路工程的建设都有积极的指导和参考意义。
摘要：综述国内外隧道阻燃沥青路面材料的研究进展状况,介绍了3种阻燃技术的机理和特点,讨论各种阻燃技术在试验、工程上的研究与应用情况,提出复合阻燃新技术。研究表明采用复合阻燃技术制备的沥青混凝土路面燃烧时间较水泥混凝土缩短一半,逃逸汽油量高达89%,路表温度控制在200℃以下,空气温度不足50℃,其阻燃、防火性能优异。
关键词：阻燃,OGFC,矿物纤维
材料阻燃技术 篇2
一、高分子材料相关理论简述
1. 燃烧机理
高分子材料受到热量影响, 其化学性质会发生很大的改变, 挥发分解出大量可燃性物质。同时, 高分子材料在燃烧过程中极易受热分解, 分解产物在气相和固相环境中快速分解。如果燃烧没有遵循热平衡原理, 则高分子会随着产生热量与燃烧总热量的关系变化而发生性质改变。
2. 阻燃原理
阻燃技术主要是针对高分子材料的燃烧机理研发出来的应用技术, 高分子材料要想稳定燃烧, 必须具备热稳定性、可燃性, 能够将重质的气体或物质进行隔离。阻燃技术就是通过对材料进行冷却、稀释实现阻燃目的的。从化学角度讲, 高分子材料的燃烧与阻燃过程非常复杂, 其阻燃体系会同时兼顾多种材料化学性质。
二、高分子阻燃技术应用
1. 阻燃剂
阻燃剂可以有效提高高分子材料的抗燃性, 并且还能抑制火焰的传播速度, 作为主要的燃烧阻剂, 阻燃剂中的高分子结构有两大类, 一种是反应型、一种是添加型。两种类型的高分子结构以其分子分散形式进行区分, 具体内容如下:
(1) 反应型
热塑性高分子与阻燃剂发生化学反应时, 其分子结构的固热性会受到严重干扰, 阻燃元素中磷系、氮系、锑系、铝-镁系、无机磷系等结构都会阻隔分子结构之间的热量传输。
(2) 添加型
添加型阻燃剂主要利用催化剂对高分子阻燃结构进行热量转化处理, 含溴、氯的阻燃剂是典型的添加阻燃剂, 其阻燃效果要高于反应型阻燃剂。同时, 由于阻燃剂在阻燃过程中会产生有毒气体, 所以阻燃剂中还应增加相应的气体吸附能力, 应用磷酸酯、有机盐、多元醇、磷氮化合物等物质提高阻燃剂的安全系数。
2. 阻燃技术
在消防防火中, 阻燃技术的应用水平最高, 阻燃剂是阻燃技术有效落实的主要载体, 由上文分析可知, 阻燃剂的高分子结构组成和改变对其阻燃性能的影响很大, 阻燃技术也是利用阻燃剂的化学功能对其分子结构进行改变的。所以阻燃技术必须在促进高分子材料脱水碳化的同时, 不产生多余的有毒气体和可燃性气体。
(1) 碳膜
由于阻燃剂在高温条件下比较容易分解, 所以在对阻燃剂进行技术改革时, 应围绕其分子结构的稳定性进行深入研究。阻燃剂与可燃材料发生化学反应会产生一层碳化膜, 这个碳膜会阻隔材料与外界环境接触, 并且还能够有效阻隔空气, 提高阻燃剂的阻燃性能。
(2) 无机阻燃技术
无机阻燃技术体现了阻燃剂的蓄热和导热功能, 高分子材料在燃烧过程中, 其分子结构会根据其蓄热和导热情况发生周期性变化, 当蓄热和导热量过大时, 其分子结构会被严重破坏, 无机阻燃技术可以将多余的热量进行循环吸收, 并同时加大阻燃剂的受热面积, 以分解, 吸收形式将热量转送到安全位置。其阻燃原理表现在阻燃剂受热产生大量具有吸热能力的水晶体, 水晶体遇热蒸发会转化掉一大部分热量, 高分子材料受热降低, 其高分子结构的热分解速度也会大幅度降低。
三、阻燃技术应用发展展望
目前, 我国消防部门对阻燃技术的研究力度正逐渐加大, 其技术应用价值也在稳步上升。阻燃技术由传统的物理性质阻燃、到化学反应融合阻燃、再到无机阻燃, 其发展过程复杂, 相关改革性内容能够充分体现出高分子材料的结构变化。微胶囊技术、纳米技术、有机技术的阻燃功能性非常高, 无论是在阻燃性能还是在阻燃效果上都具有显著疗效, 复合型材料的应用为阻燃技术研究和发展提出了重要的改革发展方向, 今后几年, 阻燃技术必须以丰富阻燃形态、提高阻燃效能、减少阻燃环境污染为发展目的, 进一步实现接枝和交联的分子材料功能化转变。
结论:通过上文对阻燃技术与阻燃剂进行系统分析可知, 阻燃技术的发展增强了高分子材料的阻燃功能。阻燃技术的研发与阻燃剂的分类发展也标志着我国材料工程的组合结构会发生翻天覆地的变化。通过接枝共聚以提高聚合物的热稳定性及阻燃性多系凝聚相阻燃模式, 即可以借助技术研究来实现, 也可以通过改善聚合物的阻燃性来实现。
摘要：近年来, 随着现代工业技术的不断发展和改革, 高分子材料的应用性能越来越好, 材料材质具有很强的抗破坏能力。高分子材料在消防领域中的应用较为广泛。高分子可燃燃料在燃烧过程中缺少阻燃能力, 并不能够在极短时间内将热量释放出来, 甚至有时还会产生大量的有毒物质, 所以为提高高分子材料的实际应用效果, 分子研究人员也正在尝试加大阻燃技术的研究力度。基于此, 本文将结合高分子材料阻燃技术的应用问题, 对其发展方向进行深入探究。
关键词：高分子,材料阻燃技术,应用,发展探析
参考文献
[1]朱玉刚.高分子材料阻燃技术应用及发展探析[J].中华建筑报, 2011, 13 (07) :109-131.
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[3]杨立.材料阻燃技术研究现状分析[J].科技传播, 2013, 14 (26) :112-126.
高强度阻燃导电尼龙材料制备 篇3
关键词：高强度,阻燃导电,尼龙材料,制备
尼龙是一种工程塑料, 具有较高强度和良好的尺寸稳定性, 普遍应用到机械、仪表和汽车领域中。随着电子工业和信息技术的快速发展, 对功能性聚合物材料的需求越来越紧迫, 而高强度阻燃导电尼龙材料在微波吸收、井下作业和电磁屏蔽领域中的应用, 受到业界青睐, 也逐渐成为阻燃材料发展的必然途径。
1 高强度阻燃导电尼龙材料制备要点
1.1 主要原材料
尼龙66 (主要包括EPR24和EPR27) 、玻璃纤维 (通用级) 、导电炭黑、红磷阻燃母粒、三氧化二锑、碳纤维、溴二苯醚、增韧剂和其它助剂。
1.2 应用设备
双螺杆挤出机、注塑机、电子万能拉力机、高速搅拌机、水平垂直燃烧试验仪、电热鼓风干燥箱、冲击试验机和电阻率测试系统。
1.3 试样制备
先在高速混合机中放入少许高强度阻燃导电尼龙材料与炭黑, 低速搅拌2min;再放进液体润滑剂, 高速搅拌3min;并适当放入高强度阻燃导电尼龙材料、阻燃剂、增韧剂和抗氧剂, 混合后搅拌均匀;然后在双螺杆挤出机中放入已经配置好的材料, 设置好挤出温度和螺杆转速参数, 放入纤维, 挤出造粒。最后将已经配置好的粒料加入电热鼓风干燥箱中, 将温度调到110℃, 干燥4h后, 注塑成标准试样。
1.4 性能测试
(1) 按照GB/T1040.2-2006的拉力试验机标准对拉伸强度进行测试, 试样类型为Ⅰ型; (2) 按照GB/T9341-2008的塑料弯曲性能对弯曲强度进行测试, 试样类型为Ⅰ型; (3) 按照GB/T1843-2008塑料悬臂梁冲击强度对缺口冲击强度进行测试, 试样类型为Ⅰ型; (4) 按照GB/T1410-2006体积表面电阻率对表面电阻率 (s) 进行测试; (5) 按照UL94测试阻燃性能。
2 不同材料对尼龙材料性能影响
2.1 导电填料
通过高强度阻燃导电尼龙材料, 将炭黑和碳纤维混合配置成导电填料, 以此分析导电填料对高强度阻燃导电尼龙材料制备影响。具体操作如下:先增加导电填料的含量, 然后对材料制备的性能的影响进行观察, 以此分析导电填料中的碳纤维情况。例如在已经配置好的导电填料中放入基体树脂, 如果增加导电填料的质量分数上升到10%后, 材料表面电阻率降低到1*103~1*106Ω, 说明炭纤维高于炭黑。但是在添加过程中, 导电填料中含量低于1*103Ω时, 少许的炭纤维不能搭接形成导电网络, 而增加后纤维之间就会搭接形成一个导电网络进行通路, 以此提升材料导电性能。实践证明, 导电性能中导电填料的碳纤维含量不能过低。
2.2 阻燃剂和导电填料复配
以基体树脂为主, 通过红磷阻燃母粒、三氧化二锑与溴二苯醚, 观察材料阻燃性能与表面电阻率。经过试验观察, 加入溴二苯醚, 随着导电填料碳纤维含量上上, 材料阻燃性能降低, 如果想要达到UL94V-0级, 必须将阻燃剂三氧化二锑中阻燃体系质量分数控制在19%, 主要是因为炭黑具有覆盖和吸热的性能, 能够强化阻燃效果, 而碳纤维是导电和增强填料重要材料, 相当于燃烧中的灯芯, 起到助燃作用。因此, 对于阻燃效果来说, 导电填料中碳纤维应放入少量, 不宜过多。此外, 针对溴二苯醚, 如果阻燃级别为UL94V-0级时, 阻燃剂的含量必须适当减少, 当阻燃剂质量参数和导电填料中的炭黑和碳纤维参数相同, 放入红磷阻燃母粒和溴二苯醚、三氧化二锑材料相比, 占有一定优势。但是, 为了不影响阻燃性能, 必须将参数分数控制在12%, 导电填料参数控制在10%, 而导电填料中炭黑和碳纤维参数比控制在2:8, 以此降低对材料性能的影响力。
2.3 玻璃纤维
在确定阻燃剂和导电填料条件下, 放入适当的玻璃纤维, 以加强高强度阻燃导电材料性能。例如为了观察玻璃纤维对材料性能的影响, 将玻璃纤维质量参数设置成10%、20%和40%, 阻燃等级均为UL94V-0级, 经过试验分析后, 其表面电阻率为2.1*104、6.4*103和7.6*102Ω, 弯曲强度分别是235MPa、242MPa和298MPa, 就试验可知, 随着玻璃纤维参数的增加, 弯曲强度也会提升。
2.4 基体树脂相对黏度
由于高强度阻燃导电尼龙材料的制备中含有较多的纤维与助剂, 因此, 在加工过程中材料性能势必会受到影响, 其中基体树脂的黏度对加工性能的影响尤为明显。基于其他助剂与纤维配方的确认, 可通过在材料加工中加入黏度不同的基体树脂, 并将挤出温度与螺杆转速控制在26.1~35.8%。随着黏度的增加, 材料挤出成型时挤出机扭矩有所提升, 而从单个制品注塑充模效果来说, 使用低黏度的基体树脂来制作高强度阻燃导电尼龙材料, 以此降低注塑的压力, 达到外观光滑和无任何浮纤和良好光泽度。实践证明, 选择黏度低的基体树脂, 能够提升高强度阻燃导电尼龙材料的流动性, 从而提升产量, 改善制备外观质量。
3 结语
综上所述, 高强度阻燃导电尼龙材料的制备, 具有较高的导电性能和阻燃性能, 能够满足产业使用需求。因此, 结合制备要点, 通过使用导电填料、阻燃剂和导电填料复配、玻璃纤维、基体树脂相对黏度方式, 分析对尼龙材料性能影响例, 以此改善外观和质量。
参考文献
[1]何杰, 刘苏芹, 佘进娟, 等.高强度阻燃导电尼龙材料制备[J].工程塑料应用, 2014, (2) :34-37.
浅谈纺织材料的阻燃检测 篇4
随着城市现代化的发展, 人们对纺织品的阻燃意识日益提高, 为了减少由于纺织品引起的火灾事故, 避免不必要的损失, 织物燃烧性能的测试近年来受到世界各国的重视。针对纺织品的不同用途, 各国制定的阻燃法规也由飞机内纺织品、地毯和建筑材料开始, 扩大到睡衣、家具沙发套、味垫和室内装饰物。英国、美国、日本等国家还以法律形式规定:妇女、儿童、老年人、残疾人的服装以及睡衣必须标明“阻燃”。我国在这方面的工作也在不断加大力度。
1 织物阻燃性能的评定
评定织物的可燃性主要从两方面来考虑:一方面是易点燃性, 即着火点的高低, 它表明织物着火的难易;另一方面是织物的燃烧性能即阻燃性。
评定织物的燃烧性能存在两种评判标准:一种是从织物的燃烧速率来进行评判。即经过阻燃整理的面料按规定的方法与火焰接触一定的时间, 然后移去火焰, 测定面料继续有焰燃烧的时间和无焰燃烧的时间, 以及面料被损毁的程度。有焰燃烧的时间和无焰燃烧的时间越短, 被损毁的程度越低, 则表示面料的阻燃性能越好;反之, 则表示面料的阻燃性能不佳。
另一种是通过氧指数 (也称极限氧指数) 法来进行评判:面料燃烧都需要氧气, 氧指数 (LOI) 是纤维燃烧所需氧气的表述, 故通过测定氧指数即可判定面料的阻燃性能, 氧指数越高则维持燃烧所需的氧气浓度越高, 即表示越难燃烧:该指数可用样品在氮、氧混合气体中保持烛状燃烧所需氧气的最小体积百分数来表示:LOI=氧气浓度/ (氧气浓度+氮气浓度) ×100%
氧指数低于20%, 属易燃纤维;氧指数在20%~26%之间, 属可燃纤维;氧指数在26%~34%之间属难燃纤维;氧指数在35%以上属不燃纤维。
2 阻燃性能的测试方法
燃烧测试方法多种多样, 各种测试方法的测试结果之间难以相互比较, 实验结果仅能在一定程度上说明试样燃烧性能的优劣。燃烧实验法, 主要用来测试试样的燃烧广度 (炭化面积和损毁长度) 、续燃时间和阴燃时间。根据试样与火焰的相对位置, 可分为垂直法、倾斜法和水平法。
我国目前对于服装阻燃性能的测试主要使用GB/T5455-1997纺织品燃烧性能试验垂直法。其原理是将一定尺寸的试样垂直置于规定的燃烧试验箱中, 用规定的火源点燃12s, 除去火源后测定试样的续燃时间和阴燃时间, 阴燃停止后, 按规定的方法测出损毁长度。该方法可用于服装织物、装饰织物、帐篷织物等的阻燃性能;45°倾斜法适用于飞机内装饰用布;水平法适用于地毯之类的铺垫织物和汽车内饰织物。
氧指数法是将被夹持试样。垂直放入透明燃烧筒中, 筒内有向上的移动氧氮气流, 点燃试样端, 随即观察燃烧现象, 并与规定的极限比较其持续燃烧时间或燃烧的距离:通过不同氧浓度中一系列试样的实验, 可以测得最低氧浓度, 氧指数法较适合用于工艺过程实验使用。
3 我国对燃烧性能的规定
3.1 GB 17591阻燃机织物
该标准规定了阻燃机织物的产品 (下转第22页) (上接第69页) 分类、技术要求、实验方法、检验规则及包装和标志。标准将阻燃机织物的阻燃性能分为2个级别:B1级:损毁长度≤150mm, 续燃时间≤5s, 阴燃时间≤5s;B2级:损毁长度≤200mm, 续燃时间≤15s, 阴燃时间≤10s。阻燃性能的测试方法按照GB/T5455。根据产品用途或由供需双方协商确定考核级别, 一般B1级适用于服用和特殊需要的装饰用布, B2级适用于各种装饰布。
3.2 GB 8965阻燃防护服
该标准规定了阻燃防护服的技术要求、试验方法、检验规程、标志、包装、运输和储存。只适用于劳动者从事有明火、散发火花、在熔融金属附近操作和在易燃物质并有发火危险的场所穿用的阻燃服。其衣料的阻燃性能应根据GB/T 5455进行测试, 并达到GB 17591中所规定的B1级要求。
3.3 GB 50222建筑内部装修设计防火规范
该标准对家庭内装饰织物 (如窗帘、帷幕、床罩、家具包布等) 的阻燃要求以及测试方法都做了相关规定。根据GB/T 5455垂直法进行测试, 低层民用建筑中的装饰织物都必须达到B1级要求, 高层民用建筑中住宅和旅馆的床罩要达到B1级要求, 而窗帘、帷幕和家具包布根据建筑物和场所的不同也要达到B1级或B2级要求。
4 结语
材料阻燃技术 篇5
关键词：六氯环三磷腈,聚苯乙烯,阻燃
聚苯乙烯(PS)是一种热塑性塑料,具有绝缘、力学性能好、耐化学腐蚀等优点,广泛应用于工业生产和日常生活等领域。但是PS属于易燃高聚物,燃烧时常常伴随产生浓烟和有毒气体,不仅给消防扑救工作带来极大的困难,而且极易造成重大人员伤亡和财产损失。随着社会生产力水平的不断提高,社会财富的积累日益增加,当发生火灾时,由火灾造成的损失及火灾危害波及的范围势必会迅猛上升和扩大［１－４］。如何提高PS的阻燃性能已成为阻燃领域十分关注的问题。广大研究工作者在提高PS阻燃性能方面做了大量研究工作,谢芳宁等［５］运用悬浮聚合法把2,3-二溴丙基反丁烯二酸酯阻燃剂成功添加到PS基体材料中,结果表明,添加2,3-二溴丙基反丁烯二酸酯的PS阻燃性能明显提高。还有研究表明［６］,在PS中添加金属氢氧化物等无机填充材料也有良好的阻燃效果,但是存在添加量大、阻燃效率低、与基体相容性差等问题。
六氯环三磷腈是一种典型的有机阻燃剂,具有阻燃性能好、透明、绝缘、易于加工和着色以及与高分子材料相容性好的优点。六氯环三磷腈可以直接和聚合物混合,还能通过化学反应与聚合物的主链或支链连接,在聚合物燃烧过程中不仅可以消耗热量,还能产生不燃性气体如N２、NH３等来稀释可燃性气体,还能促进聚合物炭层结构生成,从而阻断氧气和热量传递,达到阻燃目的［７］。六氯环三磷腈的阻燃性能研究已经成为阻燃剂领域研究的热点,但将六氯环三磷腈应用于PS阻燃的研究还鲜有报道。
本研究以氯苯为溶剂,金属氯化物为催化剂,筛选出典型的影响条件,以催化剂类型、氯化铵粒径、缚酸剂吡啶用量为考察对象,优化六氯环三磷腈合成工艺,采用FT-IR、XRD等测试手段对合成样品进行测试表征;将合成的六氯环三磷腈采用原位聚合法来制备六氯环三磷腈/PS复合材料,采用TG、FESEM手段对六氯环三磷腈/PS复合材料的阻燃性能进行研究。
1实验部分
1.1六氯环三磷腈样品制备
将20g五氯化磷和100mL氯苯加入到500mL三口烧瓶中,放入磁子,连接冷凝管,冷凝管上端连接尾气接收装置,将一定量的吡啶滴加到三口烧瓶中。随着吡啶滴入,烧瓶中有大量白烟生成,待吡啶滴加完毕后,烧瓶中有淡黄色浑浊浆状溶液生成。随后向该浆状溶液中加入6.40g经研磨过一定目数的氯化铵、60mL氯苯和适量的催化剂,同时向反应体系中通入氮气。控制升温速率保持在5℃/min,通过油浴加热使反应体系从常温升至120℃,使反应体系达到稳定回流状态,反应3h后,三口烧瓶在空气中冷却至室温,然后用循环水式真空泵抽滤,收集滤液;使用200mL蒸馏水进行洗涤,时间为2h;水洗结束后,将混合溶液倒入分液漏斗,静置12h;待氯苯层和水层分离后,收集下层的氯苯层溶液,进行减压蒸馏,将溶剂氯苯和合成的目标产物分离,待溶剂蒸干后,向瓶底残留物中加入适量正庚烷重结晶。得到白色晶体烘干备用。
1.2六氯环三磷腈/PS复合材料样品制备
量取50mL精制苯乙烯于100mL烧杯中,加入适量精制的过氧化苯甲酰作为引发剂,室温下磁力搅拌30min。再向其中加入一定量的六氯环三磷腈,添加量是苯乙烯质量的5% (wt,质量分数,下同),磁力搅拌30min得到均匀的悬浮体系。 向500mL三口烧瓶中加入300mL去离子水,然后将苯乙烯悬浮溶液倒入烧瓶中,水浴加热并搅拌。先使反应体系在60℃ 下反应2h,然后以5℃/min的升温速率将反应体系调节至80℃,并在该温度下反应6h,烧瓶中出现白色黏稠状物质时, 将反应体系快速倾倒至烧杯中。 收集白色黏稠状物质,用100℃的去离子水煮30min洗掉没有反应的苯乙烯单体。最后将得到的白色物质置于100℃烘箱中再次聚合12h,最终得到六氯环三磷腈/PS复合材料。
1.3表征与测试
采用傅里叶红外光谱仪(TENSOR37型,德国)对制备的样品进行表征,测试方法为KBr粉末压片;采用X-射线衍射仪(D/MAX-2500型)对制备的样品结构进行表征,工作电压40kV,工作电流150mA,样品测试条件为:2θ角范围5°~80°, 步长0.02°;采用场发射电子扫描显微镜(日立S-4800型)对制备样品进行表面形貌表征,测试前对其进行喷金处理;采用热重分析测试仪(NETZSCH STA 499F3型,德国)对制备样品进行热稳定性能表征,样品测试条件为:氮气气氛保护,升温速率10℃/min。
2结果与讨论
2.1六氯环三磷腈XRD分析
图1是所制备六氯环三磷腈样品的XRD谱图。由图可知,所制备样品有峰强度较高的特征衍射峰,在2θ为13.6°、 15.6°、24.0°、25.2°和29.1°处均出现了与六氯环三磷腈标准粉末衍射卡片(JCPDS file No.72-0717)相对应的特征衍射峰,在13.6°、15.6°、24.0°、25.2°和29.1°的衍射峰分别归属于六氯环三磷腈(JCPDS file No.72-0717)(020)、(101)、 (230)、(400)、(401)晶面。由此说明所合成的样品是六氯环三磷腈。
2.2六氯环三磷腈FT-IR分析
由图2可以看出,波数在1500~4000cm－１范围内, 3500cm－１处出现较强的吸收振动峰,主要归属于样品中残留乙醇的—OH的伸缩振动吸收峰,波数为1215、1190cm－１处出现的强吸收峰归属于P=N键的伸缩振动吸收峰,波数为870cm－１处吸收峰归属于P—N键弱的伸缩振动吸收峰,波数为530、600cm－１处则是P—Cl构象不同的耦合伸缩振动吸收峰［８］。图2与文献报道六氯环三磷腈的傅里叶变换红外标准谱图基本一致［９］。结合XRD分析,可以得出,本实验成功制备出了六氯环三磷腈。
2.3六氯环三磷腈/PS复合材料FESEM分析
由图3可见,六氯环三磷腈深嵌于PS表面,复合材料表面平整光滑,结构致密。说明六氯环三磷腈在PS中表现出良好的相容性。由此说明,六氯环三磷腈与PS形成了结构致密、相容性好的复合材料。
2.4六氯环三磷腈/PS复合材料TG分析
图4为纯PS(a)和添加六氯环三磷腈的复合材料(b)的TG曲线。由热重曲线可以得出,第1个失重温度区间是115~330℃左右,在该阶段中样品轻微失重,体现的是样品中少量吸附水的蒸发;第2个失重温度区间是330~450℃左右, 该阶段中纯PS材料在450℃左右已基本分解完成,添加了六氯环三磷腈(5%)的复合材料在该温度下并没有完全分解,当在500℃时失重率达98.66%。可见,添加适量六氯环三磷腈可以明显改善PS的热稳定性。原因是六氯环三磷腈受热分解过程中产生不燃性气体稀释了聚合物在燃烧过程中产生的挥发性可燃性气体浓度,同时消耗了大量热量,从而降低了材料的热分解速率,提高了PS的阻燃性能。
3结论
采用缚酸剂合成法成功制备了高效阻燃剂六氯环三磷腈,确定了最佳制备条件:以氯化锌为催化剂,氯化铵粒径150目,缚酸剂吡啶用量为20mL。以六氯环三磷腈为阻燃剂,PS为基体材料,采用原位聚合法制备了六氯环三磷腈/PS复合材料。通过XRD、FT-IR、TG、FESEM等表征手段对合成样品进行表征和分析。结果表明,添加适量六氯环三磷腈后的PS阻燃性能有了显著提高。
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聚合物材料的阻燃性能分析 篇6
1 实验与分析
1.1 锥形量热仪实验过程及结果分析
实验材料选择常见的聚合物材料聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)。阻燃剂的质量分数选择5%和10%。实验过程中,为保证样品的稳定性,材料制备采用熔融插层法,此法是先将聚合物与要复合的材料的混合物在混炼机中加热到软化点以上熔融共混,实现插层反应。第一组实验中采用纯聚苯乙烯(PS),添加5%及10%蒙脱土(MMT)的聚苯乙烯/蒙脱土(PS/MMT)复合材料。另外两组材料也同样制备。
实验仪器选用锥形量热仪,锥形加热器最大加热功率为5 000 W,热输出热量为0~100kW/m2,实验选用尺寸为100mm×100mm×50mm的样品在室温24℃,相对湿度60%,空气流量为24L/s,热辐射功率为35kW/m2下进行实验。3种材料的热释放速率曲线,如图1~图3所示。
由图1~图3可以看出,3种材料的热释放速率都比较高,其中聚苯乙烯和聚氯乙烯材料的热释放峰值超过了150kW/m2。PVC材料在很短的时间内热释放速率很快上升,表明3种材料的燃烧性能较好,其燃烧的危害性很大。
添加阻燃剂后,3种材料的热释放速率值都有所下降,其热释放速率的峰值点下降较多,热释放速率值较稳定。添加10%蒙脱土的材料热释放速率下降较添加5%阻燃剂的要多。对于聚苯乙烯和聚氯乙烯材料,添加5%阻燃剂时热释放速率的峰值有两个,这可能是因为添加阻燃剂时首先发生聚合物的裂解,在裂解过程中产生少量的可燃气体,这些气体随着质量损失的变大而变大,所以燃烧放热量增加。而添加10%阻燃剂材料没有发生双峰的出现,这可能是因为阻燃剂的比例大,抑制了材料的燃烧,使材料需要的能量达不到其燃点。为了更好地了解添加不同量蒙脱土材料的阻燃性能,采用阴燃实验考查聚氯乙烯材料添加10%和5%蒙脱土时,阴燃向明火转化的能力。
1.2 阴燃实验过程及结果分析
实验选用尺寸为200mm×200mm×100mm的聚氯乙烯样品。采用自制实验台,实验装置的主体采用长方形容器,容器的左右端采用绝热材料硅酸铝进行隔热,下部采用不同功率的变压器加热材料。传输装置采用热电偶,其排布方式为第一根放在材料的表面,剩余的热电偶伸进材料内的长度分别是2、4、6、8、10、12、14、16cm,热电偶的温度值通过计算机进行采集储存。实验结果如图4、图5所示。
由图4可以看出,含有5%蒙脱土阻燃剂的材料在阴燃发生初期反应进行较稳定,但温度上升不高,距离加热器最近的部位温度最高不到100℃,这可能是因为阻燃剂在聚合物的表层形成较稳定的炭化层,对氧气及聚合物热解产生的可燃挥发性产物的扩散和热量的传递起到了阻碍和延缓作用;随着热量的慢慢聚积,阴燃发生,在阴燃过程中出现了两个峰值,这也与锥形量热仪实验中热释放量出现两个峰值的现象比较相近,第一个峰值的出现是阴燃进行中热量的不断蓄积达到的峰值,最高达近600℃,随之温度急剧下降,阴燃没有转化为有焰火;随后出现的第二个峰值则是由于达到第一个温度峰值时聚合物的部分热解释放出的气体,由于阻燃剂采用的是蒙脱土,该阻燃剂在一定温度下热解的气体是可燃性气体,在温度急剧下降到可燃性气体燃烧的温度时,可燃性气体燃烧释放的热量使温度增高的结果。随着可燃性气体的耗尽,温度急剧下降至阴燃结束。
由图5可以看出,含有10%蒙脱土阻燃剂的材料阴燃没有转化为有焰火。在阴燃进行初期,距离进气口也就是加热器的位置附近阴燃进行较顺利,热量传播较快,但由于含有阻燃剂的比例较高,一方面阻燃剂在聚合物表面形成的炭化层使热量传播变得缓慢,同时对氧气的隔绝也起到了很大的作用,氧气减少使阴燃进行得极其缓慢;另一方面,阻燃剂的吸热作用也增大了聚合物熔体的黏度,抑制聚合物熔体的滴落,使阴燃过程很快结束。从图5数据看,阴燃传播到材料距离容器外壁8cm时就结束了,表明含有10%阻燃剂的材料的阻燃性能较含有5%阻燃剂的材料更好。
2 结论
(1)3种原材料的热释放速率都较高,而添加10%阻燃剂材料的热释放速率下降较含有5%阻燃剂材料快,且含有5%阻燃剂材料的热释放速率有两个峰值。
(2)通过考查添加不同比例阻燃剂材料的阴燃向明火转化的过程可知,含有10%阻燃剂的材料,阴燃过程中热量的传递历时很短就导致阴燃结束,而含有5%阻燃剂的材料阴燃过程出现了双峰值,说明阻燃剂含量不同在聚合物发生热解直至燃烧的过程中阻燃作用的程度会有差异。
摘要：对聚苯乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯采用熔融插层法添加5%和10%的蒙脱土阻燃剂进行锥形量热仪实验,样品尺寸为100mm×100 mm×50 mm,实验在室温24℃、相对湿度60%、空气流量24L/s、热辐射功率35kW/m2下进行。分析实验结果并与未加阻燃剂的实验结果对比,得出添加阻燃剂后热释放速率都大大降低,其中含10%阻燃剂的样品的阻燃性能优于含5%阻燃剂的样品。取添加阻燃剂10%和5%的材料样进行阴燃实验,含有10%阻燃剂的材料阴燃过程中热量的传递历时很短就导致阴燃结束,而含有比例5%阻燃剂材料的阴燃过程出现了双峰值,说明阻燃剂比例不同在聚合物发生热解直至燃烧的过程中发挥阻燃作用的程度会有差异。
关键词：热释放速率,阻燃剂比例,蒙脱土,熔融插层,聚合物,阴燃
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新型本质阻燃高分子材料研究进展 篇7
关键词：本质阻燃,高分子材料,改性,研究进展
高分子材料因其性能优异、价格低廉而被广泛地应用于各类建筑和其它领域, 但是目前使用的绝大多数高聚物都是可燃的, 其极限氧指数 (LOI) 低于20%, 易发生火灾, 给环境、国民经济、人身安全等造成巨大的损失。在我国, 从2001~2012年全国重大火灾事故统计中, 因高分子材料所引起的火灾就有十几场, 例如:2000年, 由于聚氨酯保温材料的燃烧导致38人死亡, 20人受伤。因此, 如何提高高分子材料的阻燃性能, 已经成为当前一个急需解决的问题。对于现阶段, 制备阻燃高聚物的方法主要是对其添加阻燃剂, 但是这种方法存在很多的不足, 如聚合物的机械性能下降, 阻燃剂易迁移, 毒性物质易挥发等。为了克服这些缺点, 研究者们对聚合物进行化学改性, 从而得到本身就具有阻燃性能的聚合物。本文从反应型路线出发, 阐述国内外新型高聚物本征阻燃的发展现状及其前景[1,2,3]。
1 新型本质阻燃高分子材料
1.1 环氧树脂 (EP)
环氧树脂具有多方面优良的性能, 如耐腐蚀性能、力学性能、可粘结性以及优于其他热固性树脂的加工工艺性能, 因此环氧树脂以其优异的综合性能广泛应用于国民经济的各个领域, 尤其在电子电气领域, 环氧树脂已成为目前最为重要的电子化学材料之一。然而它是一种易于燃烧的材料, 其阻燃性能较差, 氧指数较低 (约19.8) , 因而环氧树脂的易燃性及离火后的持续自燃容易引发火灾的缺点限制了它的应用。所以对于提高环氧树脂阻燃性能的研究一直是国内外研究者关注的热点[4]。
Gao等[5]首先合成5, 5-二甲基-2-氧-1, 3, 2-二氧磷杂环乙烷 (DODP) , 以此为原料与对苯醌 (BQ) 反应合成DODPP, 最终合成了具有反应性能的含磷环氧树脂。通过实验检测得知:当P含量为2.5%时, 阻燃性能达到UL-94V-0等级, 极限氧指数 (LOI) 为30.2%。随着P含量的增加, LOI、成碳量、阻燃性能都随之增加。但是, 这种含P本质阻燃环氧树脂的玻璃化温度与热稳定性却有所下降。
Mercado L A等[6]采用2种不同的途径将硅元素引入到环氧树脂中。他们使用了新的反应型含硅单体, 通过硅醇反应将DGEBA接到分子链中, 获得含硅本质阻燃环氧树脂。合成出的含硅环氧树脂具有较高的极限氧指数, 当硅含量为3.3%时, 碳化率为33%, 分解温度为350℃。通过实验发现, 随着硅含量的上升, 含P环氧树脂的玻璃化温度缓慢下降, 其分解温度也随之降低, 然而碳化率却呈现出上升的趋势。
Hua等[7]首次成功的合成出BPHPPO, 并将其与环氧树脂 (EP) 反应制备出含磷阻燃环氧树脂 (BPHPPO-EP) 。通过实验得知:BPHPPO-EP本身就具有阻燃性能, 并且还能作为阻燃剂将其运用于其他商业树脂中。通过检测发现BPHP-PO-EP的防火性能比传统的四溴双酚A环氧树脂具有更好的防火性能, 而且在燃烧过程中产生更少的烟雾。
1.2 聚酯 (PET)
PET具有良好的物理性能, 如耐摩擦, 绝缘性好, 冲击强度高, 耐溶剂等优点。但是和大多数高分子材料一样, PET具有可燃性、氧指数较低等弱点, 其用途受到了一定的限制, 从而研究和制备阻燃型的PET具有重要的意义[8]。目前对其阻燃的方法主要有共聚改性型和共混添加型。虽然共混改性具有方便性、成本低等优点, 但由于阻燃剂的热稳定性和与聚酯的相容性较差等因素阻碍了其广泛应用。因此, 共聚阻燃改性已经逐渐成为最主要的阻燃改性手段。
夏延致[9]将阻燃剂与EG、TPA聚合在一起得到不同含量阻燃剂的共聚阻燃聚酯。通过利用NMR、SEM、DSC、DTA/TGA、LOI等测试方法对合成的磷系共聚型阻燃聚对苯二甲酸乙二酯 (PET) 切片的结构以及热性能、燃烧性能、成炭性能等进行研究, 结果发现共聚聚酯切片热降解温度变宽并具有良好的阻燃性能 (LOI>28) 和成炭性能。
葛欣国等[10]选用羟基苯氧膦丙烯酸 (HPPPA) 作为反应型含磷阻燃单体合成阻燃共聚酯。当聚酯中磷含量达到0.447的时候, 极限氧指数就可达32.2, 与纯PET相比, 有了很大的提高, 具备了良好的阻燃效果, 熔点降低10℃左右, 可纺性与普通PET基本相同。在考察的范围内, 限氧指数随P含量的升高而升高。
侯彩英等[11]在文中阐述了环保型共聚酯阻燃聚酯类型, 如侧链含磷共聚阻燃聚酯, 侧链含硫共聚阻燃聚酯。文中提到张强合成的共聚酯含磷单元位于大分子链的侧基, 当磷含量分别为0.35%, 0.65%时, 均表现出良好的阻燃性能, 其极限氧指数 (LOI) 分别为31.5%, 33.4%, 且具有良好的抗熔滴行为。
1.3 聚酰胺 (PA)
聚酰胺俗称尼龙, 是应用最广的工程塑料。PA具有良好的综合性能, 有一定的阻燃性, 但按美国UL标准, 为UL94V-2级, 仍为可燃物。因此, 自70年代以来, 世界各国相继开发了阻燃聚酰胺。但是目前用于防止塑料燃烧的主要方法是向其中添加卤系阻燃剂, 这类阻燃剂效果很好, 但在阻燃过程中释放大量的有毒黑烟, 剧统计, 在火灾中灼烧致死的人数仅占15%, 而85%的人是死于毒烟导致的窒息, 因此, 加快阻燃塑料的研究和发展是十分的迫切和必要。
欧育湘[12]在文中涉及到反应型磷系阻燃剂阻燃的PA, 文中是将含磷单体以共聚方法结合入PA链中, 即可赋予PA以较永久的阻燃性。欧育湘等人采用了在PA中引入三芳基氧化膦 (TPO) 单体从而制得阻燃PA。共聚物中随着TPO含量的增加, 其成炭率越高, 阻燃性能也随之提高。但TPO的引入可略降低聚合物的起始失重温度。
Shadpour等[13]采用二羧酸与芳香二胺在离子液体中通过缩聚反应合成出新型的PA, 使得PA本身就具有阻燃性能。通过一系列的实验得知, 合成出的PA高分子材料具有高的热稳定性, 分解温度超过400℃, 与相应的未经改性的PA相比略有下降, 而且文中还详细探讨了动力学参数。但在合成过程中存在一些不足如:使用了含溴的化合物作为原料, 碳源短缺等。
1.4 其他阻燃高分子材料
近年来阻燃高分子材料的发展迅速, 随着新型阻燃剂的出现和阻燃技术的不断进步及其制造工艺的改进, 阻燃高分子材料的用量和品种都在逐年的增加。但是本质阻燃高分子材料的研制在我国的起步比较晚, 无论在基础研究还是在应用研究方面, 与发达国家之间都存在较大的差距。
曹堃等[14]详细的阐述了目前已有的阻燃腈纶制备方法 (按生产过程和阻燃剂的引入方式) 。腈氯纶中阻燃单体含量一般在32%~36%范围内, LOI可达26%~37%。腈氯纶纤维及其织物的阻燃性好, 既不能维持燃烧, 也不会传播火焰或熔滴, 当火焰离开后会自行熄灭, 直接点火时发生无溶滴炭化, 从而形成一个附加的阻火层。但是, 燃烧剧烈时发烟量巨大, 并且会产生大量有害气体。
Ravichandan等[15]使用可再生和可生物降解的腰果酚, 不需要有机溶剂, 在水介质中, 制备出了聚腰果酚。通过TGAP、CFC检测显示, 这种环保新型聚合物, 具有很好的热稳定性和低热量释放能力。聚腰果酚通过分解产生惰性气体达到阻燃效果, 与其他商业高分子材料相比较具有适度的耐火性能。通过初步的实验结果显示, 合成出的这种新型聚合物成为新一代的阻燃材料, 其具有广阔的市场前景。
Sibads[16]选用三氯三嗪环合成了具有阻燃性能的超支化聚胺 (HBPA) 。通过TG、DSC分析显示, 这种聚合物具有良好的耐热性, 达到290℃时未分解, 玻璃化温度为243℃, 其具有自熄性 (LOI为38) , 并且能作为阻燃剂应用于线型聚合物, 如文中将其应用于PVC和LDPE材料中。
2 本质阻燃高分子材料的发展前景
现阶段, 制备阻燃高分子材料的方法主要是以物理机械的方式加入阻燃剂从而达到阻燃的目的, 这种方法虽然简便, 但是存在太多的不足:如阻燃剂的添加量太大 (加入量为20%~40%) ;阻燃剂的加入使得基体聚合物的理化性能、机械性能特别是力学、电学、加工性能大大下降;并且阻燃剂在材料中的稳定性差, 使用过程中容易流失从而污染环境和造成资源的严重浪费。而且对于氯、溴系阻燃剂由于其高效的阻燃性能, 曾一段时间内成为阻燃剂市场的主流, 但经过研究发现, 卤系阻燃剂在阻燃时产生大量的腐蚀性和有毒气体, 由此引发的二口恶英问题受到人们的关注, 对环境和人身生命安全构成严重的威胁。此外, 卤素的引入降低了被阻燃基体材料的抗紫外线的能力[17]。
为了克服以上的不足, 研究者们通过化学反应手段来合成出一系列自身具有阻燃性能的新型高分子材料。常采用的途径主要有两种: (1) 选用含有活泼原子的阻燃剂与聚合物中的羟基、环氧基、酯基等通过缩聚或重排来制得阻燃高聚物, 如:环氧树脂的阻燃、聚酯以及聚氨酯等。 (2) 选用具有阻燃性能的原子如:P、N等活泼的单体, 直接合成出新型本征阻燃高分子材料, 不需要添加阻燃剂就具有耐高温、抗氧化、不易燃烧等特点[18]。