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隨著現代科學技術的飛速發展，塑料、橡膠、纖維等高分子材料已滲透到國民經濟及日常生活的各個角落。由于絕大多數有機高聚物的易燃性，使它們在電氣、交通、建材及家庭等領域應用時的防火安全問題也日益顯得突出。對于高分子材料的阻燃問題已引起許多國家的普遍關注，如美國、日本等發達國家已陸續建立起許多有關高分子材料的阻燃法規和標準，并不斷地嚴格、升級。因此，大大刺激了阻燃劑的研制和開發。阻燃劑已成為精細化工產品家族中很重要的一員。本文擬就各種阻燃劑及對阻燃劑的評價和應用作一介紹。

一、阻燃劑的類型

原則上，能夠阻止高聚物材料燃燒的物質都可選作阻燃劑。但實際上，除阻燃性外，阻燃劑還必須具備下列條件：

1）熱分解溫度要高于高聚物的加工溫度（大約高出60℃左右）。

2）相溶性好。能夠與高聚物均勻混合，不析出。

3）對其施加對象的其他性能無嚴重不良影響。如機械性能、加工性能、熔融指數及各項強度等。

4）生產成本低、無毒，燃燒時不釋放有毒和腐蝕性氣體。

實際上，任何單一物質均難以滿足上述各種條件，好的阻燃劑往往由兩種以上物質協同使用，從而要求人們不僅僅是尋找有效的阻燃劑，還要研究其最佳配方。

按化學組成的不同，阻燃劑大致可以分為鹵系阻燃劑、磷系阻燃劑、無機阻燃劑三大類。

（一）鹵系阻燃劑

鹵系阻燃劑品種最多，應用面也最廣。鹵系中的氟化物由于價格高、阻燃效力差，非特殊情況一般極少作阻燃劑使用。碘化物雖然阻燃效力好，但由于不穩定、易分解，而且價格高，因而也很少使用。唯有氯、溴才是作為鹵系阻燃劑中最重要、最普遍的元素。

當前由于我國氯氣過剩，開發性能優良的含氯或氯—溴兼有的阻燃劑，對防止高聚物引起火災有著無法估計的經濟意義和現實意義。

實驗表明，鹵系阻燃劑在單獨使用時，往往很難達到理想的阻燃效果，除非增加阻燃劑的用量。可是阻燃劑用量加大，又給高聚物的機械性能、加工性能帶來不良影響。為解決這一矛盾，人們嘗試添加一些其他物質同鹵系阻燃劑混合使用，就可以較少用量獲得較好的阻燃效果——這就是協同效應，常用的增效劑有Sb、N、P等化合物、最常見的增效劑是Sb2O3。在表一中同時列出了一些增效劑。

（二）磷系阻燃劑

磷系阻燃劑的特點是阻燃效力高，但由于它對高聚物的機械加工性能影響較大，因而不如鹵系阻燃劑使用廣泛。磷系阻燃劑包括無機磷阻燃劑和有機磷阻燃劑兩大類。

1．無機磷阻燃劑：最常用的是紅磷和聚磷酸銨。聚磷酸銨單獨使用或與鹵代物并用時，阻燃效果不大，當同其他磷化物或氯化物并用時，阻燃效能明顯提高。

在燃燒時，會發生以下變化：磷化合物→磷酸→偏磷酸→聚偏磷酸，聚偏磷酸玻璃體覆蓋于燃燒體表面，隔絕空氣。對于含氧的高聚物，聚偏磷酸還具有脫水作用，使高聚物脫水分解，生成致密的炭化層，使燃燒終止。

2．有機磷阻燃劑：這類阻燃劑主要包括磷酸酯、亞磷酸酯、磷化合物及鹵化磷等。這些化合物大多同氮、溴化合物并用以提高阻燃效果。如聚丙烯中添加4．5％氯化石蠟，4．5％亞磷酸乙烯酯，可通過ASTM—D635—56T燃燒試驗，如果不加氯化石蠟，即使加入15％亞磷酸乙烯酯，也達不到以上的阻燃效果。

磷化合物的一個突出優點是防熔滴、發煙少，其中效果最佳的是鹵化磷，若與聚磷酸銨并用，效果更好。

（三）其它無機阻燃劑

有機阻燃劑大多都有毒性、腐蝕性、發煙性等缺點，而且價格較貴；無機阻燃劑恰恰可以彌補這些缺陷。一般無機阻燃劑往往兼有阻燃、消煙兩種功能。因此近年來無機阻燃劑得到了迅速發展。除了前面提到的Sb、P無機物外，還有含AL、Mg、B、Mo、Zn等的無機物。這些無機物阻燃劑大多是吸熱失水，水蒸汽起冷卻和稀釋可燃氣體的作用，從而抑制燃燒的進行。

1．鋁化合物：主要品種是AL（OH）3，當外界溫度達到190℃時，AL（OH）3開始失水。但由于它的失水溫度太低，不大適合于高聚物用。由于氧化鋁來源豐富，價格低廉，具有阻燃劑、消煙劑和填充劑三重功能，所以仍不失為一個有發展前途的阻燃劑。

2．硼化合物：硼化合物是一類品種較多的阻燃劑，有硼酸鋅、硼酸銨、硼酸、硼砂、偏硼酸鋇等。其阻燃機理除同AL（OH）3一樣吸熱失水外，還具有同磷化合物類似的“膜效應”，生成一層固熔體覆蓋在高聚物表面，產生阻燃效果。硼酸鋅與Sb2O3等量并用，阻燃效果可超過它們單獨使用的任何一個，而且發煙量少、價格低，硼酸鋅的價格只有Sb2O3的三分之一左右，是一種理想的Sb2O3代用品。

3．氫氧化鎂是高分子材料的添加型無機阻燃劑，與其它無機阻燃劑相比，氫氧化鎂具有較多優點：（一）氫氧化鎂具有阻燃、消煙和填充三重功能，賦予材料無煙性、無腐蝕性，能獲得更優良的阻燃和消煙效果；（二）氫氧化鎂在生產、使用和廢棄過程中均無有害物質排放，不造成環境污染；（三）氫氧化鎂的初始熱分解溫度為340℃，490℃分解完全，比氫氧化鋁的分解溫度高140℃。它的總吸熱量為44.8KJ/mol，比氫氧化鋁的總吸熱量約高17%。因此，它能承受更高的加工溫度，有利于在產品生產中加快擠塑速度，縮短模塑時間；（四）氫氧化鎂在燃燒分解時除自身進行脫水外，還能促進聚合物的成碳作用，形成保護層，發揮出更好的阻燃效果；（五）氫氧化鎂與其它阻燃劑配合使用表現出良好的阻燃協同效應。

二、燃燒及阻燃機理

要研究阻燃劑的阻燃機理，必須首先了解高聚物燃燒機理。

（一）燃燒機理

有機高聚物的燃燒，實質是熱分解的過程伴隨著發光、發熱和氧的化學反應。可燃性物質、氧氣和能量是其三要素。燃燒的總反應可簡單表示為：

有機高聚物＋O2→CO＋CO2＋H2O＋光＋熱

一些基元反應如下：

1．在O2作用下，大分子鏈中較弱的鍵首先發生斷裂，產生自由基：

～CH＋O2→C·＋HOO·

2．在高聚物內部無氧區，大分子鏈吸收外界熱量，發生斷裂，產生自由基和雙自由基：

△

～C—C～→2～C·

△

～C—C·→～C·＋·C—C·

3．在自由基作用下，繼而發生一系列連鎖反應：

　～C·＋O2→～COO·——①

～CH＋HOO·→～C·＋H2O2——②

H2O2→2HO·——③

RCH3＋HO·→RCH2·＋H2O——④

RCH2·＋O2→RCHO＋HO·——⑤

HO·＋H2→H·H2O——⑥

H·＋O2→HO·＋·O·——⑦

·O·＋H2→HO·＋H·——⑧

┇　　　　

以上自由基反應延續下去，導致大分子解聚①—⑧式反應產生的HO·和·O·等自由基活性很高，是發展燃燒的關鍵。

（二）阻燃機理

根據上面的燃燒機理，可以知道通過吸收熱能、降低燃燒體的溫度，除去能量；隔斷空氣；供給CO2等惰性氣體，使氣體的組成改變，離開燃燒極限；捕獲活性自由基等辦法，使熱分解反應終止。

1．氣相阻燃機理

氣相阻燃就是阻燃劑通過轉化為氣相物質，發揮其阻燃作用。

（1）捕獲自由基

阻燃劑受熱后，分解產生氣相物質，這些物質能捕獲高聚熱分解產生的自由基，使熱分解反應得到有效控制，從而達到阻燃、滅火的目的。

以鹵系阻燃劑為例，鹵化物受熱產生的鹵化氫能捕獲到活性的HO·、·O·自由基。通過自由基交換，產生活性較小的自由基：

RX＋H·→HX＋R·

HX＋HO·→H2O＋X·

HX＋·O·→HO·＋X·

（2）“稀釋”效應

阻燃劑在高溫分解出一種難燃氣體（如HX、H2O等），將燃燒體籠罩，“稀釋”了周圍可燃性氣體的濃度，同時吸收大量燃燒熱，降低了溫度，使燃燒得到控制。

如無機阻燃劑Al（OH）3的阻燃機理：

△

Al（OH）3→Al2O3＋3H2O－71．6（Kcal）

鹵系阻燃劑也能分解出比重較大的不燃氣體，產生覆蓋作用，而隔絕或稀釋了空氣（同CO2、N2等滅火相類似），不同鹵素滅火效力與它們本身的原子量成正比，即：F：Cl：Br：I＝1·0：1．9：4．2：6．7按照等重量溴、氯相比，有機溴化物的阻燃效力約為氯化物的兩倍。這些事實正是鹵系阻燃劑滅火理論的有力證據。2。凝相阻燃機理

凝相阻燃就是阻燃劑以凝聚相形態，發揮其阻燃作用。可分成膜阻燃和壁面阻燃效應兩種。

（1）成膜效應

阻燃劑受到高溫后，在燃燒體表面形成一層不易燃燒、不易揮發的保護膜，從而把燃燒體同O2和火源隔絕開來，使火焰熄滅。無機磷阻燃劑的阻燃機理就以凝相機理為主，在燃燒時，磷化合物逐步分解成磷酸、偏磷酸，最后生成玻璃體狀的聚偏磷酸，覆蓋于燃燒體的表面，隔絕空氣。

（2）壁面效應

所謂壁面效應，就是阻燃劑在高溫時產生的一種惰性粉塵，這些惰性粉塵就像容器的器壁一樣，既能吸收燃燒熱，又能吸附燃燒過程的活性物質，使活性物質失活，從而抑制燃燒。

三、阻燃劑的評估方法

為了評估各種阻燃劑的優劣，國際上陸續建立起許多試驗方法和標準。作為先驅，當首推美國的UL規則。自從1928年UL—492（無線電）規則發行以來，大約每三年修訂一次。現在的阻燃規則，大多是由UL規則改進而成的。還有美國試驗與材料協會制訂的“ASTM—D2863—77標準”，國內叫做“氧指數試驗”。這兩個試驗標準在我國已被廣泛采用。

1．UL—94豎直燃燒試驗標準：試樣尺寸分別為5×0．5×1／8吋和5×0．5×1／16吋兩種規格。每種規則取三個試樣進行平行試驗。將試樣上端豎直固定，離其下端一處放些藥棉。點燃試樣下端10秒鐘，將火源移走，記錄燃燒時間。根據試樣的點燃、燃燒時間和滴落情況的不同，將試驗結果分為三個等級：VO；Vl；V2。其中VO級阻燃效果最好，V2級最差。

2．氧指數試驗：把試樣放置在O2和N2的混合氣流中，通過測量能夠維持試樣燃燒一定時間的最低O2含量，來劃分試樣的相對燃燒性能。把此時測得的O2％叫做氧指數（OI）。

OI＝O2流量／（N2流量＋O2流量）×100％

目前一般把OI＞27．0作為合成材料最低燃燒標準。

具體測試方法見我國標準GB2406—80。

3．模擬火災試驗：為了彌補試驗與實際相脫離的缺陷，國外設計了一些大型燃燒試驗方法——模擬火災試驗。

美國通用電器公司曾建立了一個大型燃燒試驗裝置。在野外蓋一間12×14的房屋。墻壁嵌以石膏板，房間外面裝有各種自動監測儀器，當試驗材料在房內燃燒時，監測儀器自動記錄下燃燒過程中的各種有關現象和數據，如溫度、煙霧、有害氣體等。

通過模擬火災試驗測得的結果可信度高，和實際火災中的真實燃燒結果相吻合，對阻燃劑的研究開發具有更大的指導作用。

四、阻燃劑的追蹤與展望

加強阻燃劑應用配方的研究，特別是與Sb2O3、三水合氧化鋁、硼酸鋅、氫氧化鎂等增效劑配方的研究，以及熱穩定性、光穩定性、低揮發和無熔滴配方的研究更是阻燃劑開發過程中的重要課題。積極研制性能好、價格低、耐久、無毒和低發煙的制品，改變我國阻燃劑生產的落后狀況，適應近年來我國高聚物材料飛速發展的需要，是高聚物阻燃工藝今后發展的方向。

阻燃劑的主要目的，即對生命和財產的保護，從沒有被忽略過。八十年代，人們將列出火災對人體危害和對財產破壞最小的函數公式，確實研究測量危害人類的危險指數，危險指數由以下幾個因素混合而成：點火的快慢、燃燒擴散的速度、煙霧的發散和毒氣的產生。危險指數的關鍵因素是測定時間。要達到保護生命和財產的目的的方法之一就是向人們提供足夠的時間，在火災發生時能安全地離開危險場所。

符合標準試驗方法的工作——測量燃燒產物和進行它們對人類和實驗動物危害的試驗——將繼續進行。目前候選的試驗方案中，將會有一個或幾個成為評價天然和合成物質的阻燃性能的標準的方法。

近幾年，國外的阻燃劑研制已向高分子型發展。由于它的分子量大，具有熱穩定性高，低毒性，與高聚物的混容性好，對高聚物的物性影響小等優點。我國的阻燃劑生產還是很落后的，這里介紹幾種外國先進技術提供給我們一個參考，爭取使我國的阻燃劑生產能早日更新換代，趕上世界發展的步伐。

〔1〕氯化石蠟是最早的鹵系阻燃劑，效果較差，但由于價格低廉，目前仍是市場上銷售量最大者。

〔2〕十溴聯苯醚（DBDPO）、良好阻燃劑、但由于環保問題已經被歐盟禁用。

〔3〕六溴環十二烷（HBGD）阻燃效力較高，也面臨環保問題。

〔4〕三（2，3一二溴丙基）異氰酸酯（TBC），日本牌號AFR—1002，。

〔5〕四溴雙酚A—雙（2，3一二溴丙基）醚商品名PE—68。美國GreatLakes化學公司近期開發的新品種。

〔6〕雙（2，3—二溴丙基）反丁烯二酸酯（DDBPF）主要用于與苯乙烯系的單體進行共聚來合成阻燃聚苯乙烯類聚合物。

3．鎂化合物：鎂化合物阻燃劑主要是Mg（OH）2是一個最新發展起來的阻燃劑。它的阻燃機理同AL（OH）3一樣，但其失水溫度達300—350℃，所以更適用于聚烯烴類。Mg（OH）3也具有阻燃、消煙雙重作用。用表面處理劑處理的Mg（OH）2具有更好的阻燃效果。如在聚丙烯中添加47．6％經硬脂酸處理的Mg（OH）2及1．1％NaCl—KCl固熔體，可達到UL—94—VO標準。

上述的無機阻燃劑，都存在一個致命的缺點：只有在添加量很大時（約40—60％）才能達到阻燃目的，而這么多添加量，勢必會導致高聚物機械性能的明顯下降。因此，氫氧化鎂用作阻燃劑時,必須經過特殊處理和表面改性,具備特定的晶形。

一般要求:

①晶形為纖維形或片狀,這樣能夠增加材料的延伸率和撓曲強度。

②純度必須高,純度越高,阻燃效果越好。

③顆粒越小越好，實驗證明納米氫氧化鎂作為阻燃劑填充到材料中時,各方面性能包括阻燃效果、消煙和機械性能都比微米氫氧化鎂優越。

④表面極性低,普通氫氧化鎂正是由于表面極性高、微觀內應力大,作為阻燃劑填充到材料中時影響了材料的機械性能。當表面極性低時,顆粒積聚成團性降低,在材料中分散性和相容性增加,對材料機械性能影響減少。所以要用適當的表面活性劑及用量進行表面處理,來提高與高分子聚合物的相容性,只有具備以上特性的氫氧化鎂才能和材料比較好的相容。

來源：宏泰基阻燃材料，宏泰基阻燃劑。轉載請注明出處。

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