塑料具有优良的性能，应用范围越来越广，特别是在建筑、交通、家具、电子电器及日用品等行业被大量使用，方便和美化了人们的生活与环境，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。

 

但是，绝大多数常用塑料在空气中是可燃或易燃的，燃烧时会产生大量烟雾和有毒气体，使人中毒窒息而死，且影响消防救援工作。因此，塑料和阻燃改性技术已引起世界各国的高度重视。

 

 

常用塑料的燃烧特性

 

塑料的燃烧过程和燃烧反应

 

塑料的燃烧过程

 

塑料的燃烧过程是一个非常激烈复杂的热氧化反应，具有冒浓烟或炽烈火焰的特征。塑料燃烧的一般过程可分为5个基本阶段。

 

第一阶段：加热升温。塑料之所以发生燃烧，首先是因为在外部热源的作用下温度上升。热塑性塑料此时会有熔融现象。

 

第二阶段：热分解。当塑料受热升温至分解温度时，将发生热分解，并产生可燃性气体和其他热分解产物，主要包括：

 

①可燃气体，如甲烷、乙烷、丙烷、甲醛、丙酮、一氧化碳等。

 

②不燃气体，如二氧化碳、氮气等。

 

③液体产物，即熔融降解聚合物和预聚体。

 

④固体产物，如碳化物等。

 

⑤烟气，即悬浮于空气中的固体（如碳）颗粒。

 

第三阶段：着火。当塑料受热分解产生的可燃气体浓度达到着火及先后，与氧气相遇，并且被加热到点燃温度时，即可引发塑料燃烧，并从局部向整体扩散。

 

第四阶段∶持续燃烧。当塑料的燃烧净热，即塑料的燃烧热与加热邻接材料到燃烧状态所需的热量之差等于或大于0时，塑料将持续自行燃烧。

 

第五阶段∶燃烧停止。当塑料燃烧进行到燃烧净热为负值时，则已着火的塑料将会在点火源移开后停止燃烧。

 

 

聚合物燃烧基本过程示意图

 

塑料的燃烧反应

 

塑料热分解产物的燃烧是按照自由基链式反应进行的，其机理与塑料热氧降解类似，包括以下四步：

 

1、链引发

 

 

2、链增长

 

 

3、链支化

 

 

4、链终止

 

 

影响塑料燃烧的因素

 

影响塑料燃烧的因素很多，包括作为内因的聚合物燃烧特性和作为外因的燃烧环境条件。在燃烧环境条件相同的情况下，则主要取决于聚合物的燃烧特性，包括化学组成和结构、比热容、热导率、分解温度、燃烧热、闪点和自燃点、火焰温度、极限氧指数以及燃烧速度等。

 

化学组成和构成

 

聚合物燃烧实质上为聚合物受热发生热分解产生的可燃性气体的燃烧，因此化学组成和结构不同的聚合物由于热分解产物中可燃性气体含量不同而具有不同的燃烧特性。显然，热分解产物中可燃性气体含量越高的聚合物越容易燃烧。

 

 

常用塑料的热分解产物

 

比热容

 

所谓比热容就是1g物质温度升高（或降低）1℃所需吸收（或放出）的热量。在其他因素相同的情况下，比热容大的聚合物材料，在燃烧过程的加热阶段需要较大的热量，因此较难燃烧。

 

 

常用塑料的热分解产物

 

导热率

 

热导率又称导热系数，是一个表示物质热传导性能的物理量。在其他因素相同的情况下，热导率大的聚合物材料，在燃烧过程的加热阶段升温较慢，因此较难燃烧。

 

 

常用塑料的热导率

 

分解温度

 

由于聚合物燃烧实质上为聚合物受热发生热分解产生的可燃性气体的燃烧，因此，一般来说，热分解温度较低的聚合物较易燃烧。

 

 

常用塑料的热分解温度

 

燃烧热

 

燃烧热是维持燃烧和延燃的重要因素。大多数聚合物的燃烧是放热反应。

 

 

常用塑料的燃烧热

 

闪点和自燃点

 

闪点是明火可以引燃的最低温度，而自燃点是不需明火引燃而自发燃烧的最低温度。

 

 

常用塑料的闪点和自燃点

 

火焰温度

 

与燃烧热一样，火焰温度是维持燃烧和延燃的重要因素。大多数聚合物的火焰温度比火柴和香烟高得多，约达2000℃。

 

 

常用塑料的火焰温度

 

极限氧指数

 

能维持聚合物燃烧的混合气体中氧气的最小体积分数，称为聚合物的极限氧指数（LOI），简称氧指数（OI）。氧指数是衡量聚合物材料是否燃烧的重要指标。由于空气中氧气的体积分数为20.9%，所以，氧指数小于21%的聚合物，一般可在空气中被点燃。

 

 

常用塑料的氧指数

 

燃烧速度

 

燃烧速度影响火灾的发展蔓延。各种聚合物材料的燃烧速度不尽相同，因此，燃烧时的传播速度也有快慢。在实际火灾中，材料的燃烧速度受外界气体的扰动和扩散、热的传导、对流和辐射等因素的影响。

 

 

常用塑料的燃烧速度

 

阻燃剂的三大分类

 

01按所含阻燃元素分类

 

按所含阻燃元素可将阻燃剂分为卤系、磷系、氮系、硫系、磷-卤系、磷-氮系、硅系、锑系、硼系和铝镁系等几类阻燃剂，其中卤系阻燃剂是目前世界上产量最大的阻燃剂之一，具有添加量少、阻燃效果显著的特点，在阻燃领域占有重要地位。

 

02按阻燃剂的使用方法分类

 

按阻燃剂使用方法的不同，阻燃剂可分为反应型和添加型两大类。

 

(1）反应型阻燃剂

 

反应型阻燃剂是指分子内具有可反应官能团，能够在聚合物合成过程中参与反应，并结合到聚合物分子中的阻燃剂。其优点是稳定性好、阻燃作用持久、毒性小、对塑料性能影响较小，可以认为是一类理想的阻燃剂。缺点是应用不方便，品种较少，目前使用量仅占阻燃剂的10%-20%左右。反应型阻燃剂主要用于热固性塑料中，有时也用于热塑性塑料中。有些反应型阻燃剂也可用作添加型阻燃剂。

 

(2）添加型阻燃剂

 

添加型阻燃剂是在塑料加工前掺入塑料中，并以物理状态分散在混合料中的阻燃剂。其特点是使用方便、适用性强，目前其使用量占整个阻燃剂的80%-90%。缺点是在改进阻燃性的同时，降低了塑料本身固有的某些性能，如加工性和力学性能等。添加型阻燃剂常用于热塑性塑料中。

 

03按阻燃剂组分分类

 

按阻燃剂组分的不同可将阻燃剂分为无机阻燃剂和有机阻燃剂两大类。

 

(1)无机阻燃剂  

 

无机阻燃剂的品种很多，不同的无机阻燃剂的功能不同。

 

 

有单独使用即显示阻燃效果的,如红磷；有与含卤有机阻燃剂并用而显示阻燃效果的,如Sb₂O₃ ；还有既起填充剂作用又能分解结晶水而显示阻燃效果的,如氢氧化铝。

 

无机阻燃剂具有热稳定性好、无毒、不产生腐蚀性气体、不挥发、抑烟、效果持久、价廉等优点，缺点是会对聚合物材料的加工成型性能和物理、电气性能等产生负面影响。

 

(2)有机阻燃剂

 

有机阻燃剂的品种也很多,按化合物类型细分,主要有磷系和卤系阻燃剂两类。磷系阻燃剂还可分为不含卤和含卤阻燃剂;而卤系阻燃剂也可分为氯系和溴系阻燃剂。

 

 

有机阻燃剂，尤其溴系有机阻燃剂,由于阻燃效果好、用量少、对塑料制品的性能影响小，因此，尽管存在有毒、发烟量较高并会释放高腐蚀性的卤化氢气体等问题,目前仍是应用广泛的重要阻燃剂。

 

常见阻燃塑料及其阻燃方案

 

阻燃PC/ABS

 

PC具有冲击强度高、抗蠕变、尺寸稳定性好、耐热、透明和介电性能优良等优点，但同时也存在加工流动性差、容易发生应力开裂、对缺口敏感、耐磨性差等缺点；ABS具有较好的耐化学药品性和成型加工性，然而其耐热和耐候性相对较差。两者共混改性所得的PC/ABS合金在性能上可互补，广泛应用于汽车工业、通信设备、电子电器、照明设备等。

 

为了满足一些应用领域中的防火安全要求，PC/ABS合金必须具备良好的阻燃性。例如在新能源汽车充电桩以及部分电子电气阻燃等级要达到V-0。用于PC/ABS共混体系目前效果较好的是热稳定性好的双磷酸酯类以及磷酸酯齐聚物等，其中BDP对PC/ABS合金表现出良好的阻燃性能.

 

无卤阻燃PC/ABS的主要生产企业有科思创、沙比克、LG化学、锦湖日丽、万华化学、鲁西化工等。

 

阻燃PC

 

PC具有耐热性好、光学性能优异、尺寸稳定性好、机械强度高以及冲击强度优良等特性，广泛用于家电、电子电器、汽车配件、机械设备和光学仪器零部件等，全球PC产能超过1000万吨。

 

PC的极限氧指数 （LOI）可达21%～24%，材料本身可达 UL94 V-2级阻燃，但仍无法满足特殊领域对阻燃性能的要求，如电子电气和汽车领域均要求PC阻燃等级达到V-0。

 

阻燃PC中，以全氟烷基磺酸钾（PPFBS）为代表的磺酸盐类阻燃剂效果最佳，添加少量(0.5%以下）的磺酸盐阻燃剂就能显著改善PC的阻燃性能，达到1.6～3.0mm V-0的阻燃等级，并且改性后PC的物理性能和力学性能与通用PC相当，还能保持透明。

 

工业化PC产品中使用最多的磷系阻燃剂是三苯基磷酸酯（TPP）、间苯二酚双（二苯基磷酸酯）（RDP）和BDP，在阻燃剂的添加量为10%（质量分数）时，1.6mm厚度PC可达V-0级别，其中TPP在高温下易挥发，仅在气相中发挥阻燃作用；RDP和BDP可同时在气相和固相发挥阻燃效果。TPP常温下为固态，热稳定性相对较差，在PC加工温度下容易挥发；RDP和BDP常温下为液体，热稳定性较好；BDP较RDP抗水解性能好。

 

阻燃ABS

 

ABS光泽度高、韧性好、耐热和耐低温性能好、加工性能优异、具有优良的综合力学性能；ABS电性能不随温度和湿度的改变而出现很大变化，是良好的绝缘材料，广泛应用于家用电器、视听设备、办公用品和电子电气等领域，全球产能超过1000万吨。

 

ABS树脂可燃，LOI为18.3％～18.8％， 按UL94标准属于HB级别。ABS着火时燃烧速率快，并且放出大量毒气和黑烟，不利于实际应用。目前主要以卤素阻燃剂与Sb2O3复配使用， 卤锑协同作用对ABS进行阻燃改性，主要用的溴系阻燃剂有TBBA，DBDPE等。

 

阻燃ABS主要应用于电话、电脑、液晶显示器（LCD） 等电子电气设备外壳、汽车内构部件和外部构件、小型厨房电器、工具盒真空吸尘器的外壳等。

 

阻燃HIPS

 

HIPS是由聚苯乙烯（PS）与聚丁二烯（PB）通过共聚制得，拥有两者共同的优点，易加工、尺寸稳定性好且电绝缘性优良、抗冲性较高，成本低，被广泛应用于食品包装、家用电器、电子产品及军用物资的外壳包装等领域。

 

但HIPS的LOI仅为18％，易燃烧，为了提高使用安全性，必须对其进行阻燃改性。用于HIPS阻燃改性的主要为溴系阻燃剂如十溴二苯乙烷（DBDPE）等，大多与Sb2O3配合协同作用，具有优良的阻燃效果。

 

阻燃PBT

 

PBT是一种结晶型饱和聚酯，具有优异的力学性能、较好的尺寸稳定性、良好的电绝缘性以及耐化学药品腐蚀等特点，广泛应用于汽车、电子电器、机械等领域。但PBT的阻燃性能差（UL94HB级），在空气中易燃烧，难以成炭，燃烧时易滴落，且释放出大量浓烟和有毒气体，易产生比较大的危险，因此必须对其进行阻燃改性。

 

用于PBT阻燃改性的阻燃剂主要为卤系阻燃剂，比较常用的是溴系阻燃剂如DBDPE、溴化环氧树脂等，通过与Sb2O3配合协同作用，达到优良的阻燃效果。PBT中使用的阻燃剂还包括二乙基次膦酸铝（ADP）或其与氢氧化镁、氢氧化铝等的复配产品。

 

阻燃PA

 

PA具有良好的力学性能、电学性能和较为突出的润滑性能，广泛应用于电子元件及汽车零件等领域。未改性的PA阻燃等级为UL94 V-2级，LOI为20％～22％，在接触到明火的情况下，会发生快速燃烧，放出大量热，同时还会因熔融存在滴落现象，这为明火的进一步扩散制造了条件。为防止火灾危害，工业上对汽车、电器等产品中使用的PA复合材料有着明确的阻燃要求，一般需要其达到UL94 V-0级别。

 

卤系阻燃剂由于与PA相容性好，阻燃效率高，在PA中的应用很广泛。无卤阻燃PA中使用的阻燃剂有所区别，一般纯PA阻燃添加12-15%的MCA即可，而PA/GF体系由于“烛芯效应”，需要阻燃效率更高的二乙基次膦酸铝（ADP），再辅以MPP等起到协效和降本作用，也有与氢氧化镁、氢氧化铝等的复配阻燃PA产品。