摘要:近些年,随着高分子混合材料等的不断出现和应用,其已然在我国机械加工行业、农业生产领域及其它各个方面起到了越来越关键的作用。但也需要注意,常规的高分子原料往往防火特性表现并不理想,需要额外的增加部分阻燃剂等以帮助提升其耐燃特性,由此减少火灾隐患,保证财产以及生命安全。故文章就高分子材料自然有关技术展开讨论,以期对同行业者有所借鉴与帮助。
关键词:高分子;耐燃;技术研究
中图分类号:TQ31 文献标识码:A
1 引言
高分子材料因其性能优异、价格低廉而被广泛地应用于国民经济和人民生活的各个领域。但是大多数高分子材料属于易燃、可燃材料,在燃烧时热释放速率大、热值高、火焰传播速度快,不易熄灭,还产生浓烟和有毒气体,造成对人们生命安全的巨大威胁和对环境的危害。因此,如何提高高分子材料的阻燃性,已经成为当前消防工作一个急需解决的问题。
2 高分子材料的燃烧及阻燃机理
2.1 燃烧机理
高分子材料在空气中受热时,会分解生成挥发性可燃物,当可燃物浓度和体系温度足够高时,即可燃烧。所以高分子材料的燃烧可分为热氧降解和燃烧两个过程,涉及传热、高分子材料在凝聚相的热氧降解、分解产物在固相及气相中的扩散、与空气混合形成氧化反应场及气相中的链式燃烧反应等一系列环节。
2.2 阻燃机理
从高分子材料的燃烧机理可以看出,阻燃作用的本质是通过减缓或阻止其中一个或几个要素来实现的。其中包括6个方面:提高材料热稳定性、捕捉游离基、形成非可燃性保护膜、吸收热量、形成重质气体隔离层、稀释氧气和可燃性气体。目前常采用的阻燃剂行为主要是通过冷却、稀释、形成隔离膜的物理途径和终止自由基的化学途径来实现。一般阻燃机理分为气相阻燃机理、凝聚相阻燃机理和中断热交换阻燃机理。①气相阻燃机理,指在气相中使燃烧中断或延缓链式燃烧反应的阻燃作用。②凝聚相阻燃机理,阻燃材料在固相中延缓或阻止可产生可燃性气体和自由基的热分解,在其表面生成难燃、隔热、隔氧的多孔碳层,阻止可燃气进入燃烧气相,致使燃烧中断。③中断热交换阻燃机理。指将阻燃材料燃烧产生的部分热量带走,致使材料不能维持热分解温度,因而不能持续产生可燃气体,于是燃烧自熄。
3 高分子材料阻燃技术的应用
3.1 微胶囊技术
微胶囊技术是当前高分子阻燃研究领域的应用之一。应用微胶囊技术进行阻燃过程中,将无机阻燃剂或有机阻燃剂用微米剂量的微小容器进行包裹,实现阻燃剂在应用过程中的微胶囊化。微胶囊技术中所选择的容器材料主要通过植物蛋白质、植物纤维素、动物胶原蛋白等天然的高分子材料进行组合,通过这种材料所组成的溶剂材料便不会与阻燃剂发生相应的化学反应。欧美国家研究人员还研究出通过聚苯乙烯、聚酯乙烯、聚乙乙烯等人工材料组合成的高分子天然容器,由于这种容器材料需要通过特制的生产设备进行生产,因此生产成本较高,并未在微胶囊技术中得到普及应用。在后续的研究中,实验人员在将包裹阻燃剂的微胶囊进行高热反应过程中,发现胶囊外壁会由于温度上升出现溶解破裂现象,胶囊内部的阻燃剂会被释放,通过阻燃剂的释放便可以对燃烧的物质进行阻燃。微胶囊技术的阻燃效果与微胶囊的直径大小、微胶囊囊壁的厚度、微胶囊内部阻燃剂的释放速度有着直接关系。还需要对微胶囊阻燃技术在应用过程中的阻燃剂形态和性能进行改善,这样可以提高高分子材料的阻燃性能。
3.2 交联和接枝改性技术
现阶段,该技术已然成为高分子材料阻燃技术的研究热点,同时也是应用最为普遍的技术之一。
这之中辐射交联往往可以实现在未有引发剂以及催化剂的作用下,常温条件下即可进行反应工作,而且也不会对生态环境等带来任何的负面影响。聚合物交联不单单可以就整个的高分子材料结构以及性能进行改变,同时也大幅度的提升了高分子材料可适用性。上世纪九十年代中叶,膨胀阻燃技术逐渐进入公众视野,其主要特性为燃烧期间原料的表层会存在宝宝的碳质泡沫层,从而起到较好的控烟、隔热以及隔氧的作用,在整个的燃烧期间也不会出现腐蚀性以及其他有毒气体形式,烟量也不高。近些年,膨胀阻燃技术的研发已然成为行业关注的重点,相关技术也主要集中于防火涂料、橡胶等的原料与制品内。以ExolitIER-11膨胀性阻燃剂为例,其主要被用于阻燃PE、PP以及弹性体等场合,如若阻燃剂使用量处于25%～30%,则氧化指数等于30,即实现了UL94V-0的燃烧级别,和未有开展任何阻燃技术支持的原料对比,密度提升了10%～15%。
3.3 膨胀技术
在众多的阻燃体系中,最近发展的膨胀阻燃体系由于在燃烧过程中发烟量少、无滴落和无毒气等优点而引起人们的注意。膨胀阻燃体系一般需三种主要成分:炭化剂、炭化促进剂、发泡剂。膨胀型阻燃剂最早用于涂料业,配制用于船舶、建筑装饰材料、电缆外皮等的耐火涂层。近年来,国外已有一些比较成熟的膨胀阻燃体系用于塑料、橡胶等材料及制品。
3.4 纳米技术
综合分析传统形式的阻燃剂技术,往往在价格方面、力学特性方面和环境友好性建设方面均存在一定的不足。而纳米技术的出现则成为阻燃剂技术发展的又一个重要转折点,其不单单降低了对于原料等的使用量方面诉求,同时在安全特性以及使用效能等方面也有了极大的提升与改善,很好地规避了可能对于环境带来的负面影响。以Phoenix为例,此为欧洲地区多个国家联合倡导的合作技术,主要依赖于纳米技术形式,得到各种纳米颗粒并将其和多个无卤原料等形成高度融合,以此来取代以往形式的无卤阻燃技术形式,大大减少了聚合物阻燃剂等的用量,且同时提升了阻燃剂的功效。另外,以汽车行业为例尼龙/层状硅酸盐纳米原料是较为常见的汽车阻燃剂形式,该试剂的使用无疑大大提升了整个商品的热稳定效果以及硬度表现。除此之外,聚合物无机物纳米复合原料在阻燃方面也表现出了一定的优势性,因此在包括轮胎、飞机以及电气电子领域等均有着广泛的应用。
3.5 碳膜技术
碳膜的利用首先是利用了化学阻燃,然后利用了物理阻燃来进行。首先是在高分子材料周围加入能够与高分子材料进行进一步分解或是与其他特殊物质反应后的物质进行反应的物质,也就是阻燃剂,然后使高分子材料产生物质在与阻燃剂发生反应后产生一层碳膜,类似于当三氧化二银受热时在与空气交界的部分形成一层致密氧化膜的形式一般,高分子材料的表面由于和阻燃剂产生反应,也会产生出一层碳膜,根据碳膜极其稳定的特性,能够将高分子材料与外界基本完全隔离,从而达到防止高分子材料被点燃。
4 结束语
总而言之,要想研究高分子材料特性,拓宽高分子材料的应用范围,改善其阻燃性是必不可少的一项研究。随着国家对材料环保清洁性能要求的不断提高,传统的卤系等阻燃剂已经不再满足要求,研究更加清洁高效且与材料有更高兼容性的纳米、膨胀等阻燃技术势在必行。通过对当前高分子材料阻燃技术进行分析,对相关研究工作的进行具有一定的参考意义。
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