1.高分子材料的燃燒及阻燃機理

高分子材料在空氣中受熱時，會分解生成揮發(fā)性可燃物。當可燃物濃度和體系溫度足夠高時即可燃燒。當高分子材料受熱的熱源熱量能夠使高分子材料分解，且分解產(chǎn)生的可燃物達到一定濃度，同時體系被加熱到點燃溫度后，燃燒才能發(fā)生。而己被點燃的高分子材料在點燃源穩(wěn)定后能否繼續(xù)燃燒則取決于燃燒過程的熱量平衡。當供給燃燒產(chǎn)生的熱量等于或大于燃燒過程各階段所需的總熱量時，高分子材料燃燒才能繼續(xù)，否則將中止或熄滅。從高分子材料的燃燒機理可看出，阻燃作用的本質是通過減緩或阻止其中一個或幾個要素實現(xiàn)的。其中包括六個方面：提高材料熱穩(wěn)定性、捕捉游離基、形成非可燃性保護膜、吸收熱量、形成重質氣體隔離層、稀釋氧氣和可燃性氣體。

2.阻燃劑的分類

2.1 有機阻燃劑 

2.1.1 氮系阻燃劑

含氮阻燃劑的阻燃機理詳細報道的比較少，它受熱放出CO2、NO2、N2、NH3、H2O等不燃氣體，可以沖淡可燃氣體，覆蓋、環(huán)繞在聚合物周圍，隔斷聚合物與空氣中氧氣的接觸，同時氮氣能捕捉高能自由基，抑制聚合物的持續(xù)燃燒，從而達到阻燃目的。常用的氮系阻燃劑有三聚氰胺、三聚氰胺氰尿酸(MCA)等。

2.1.2 鹵系阻燃劑 

鹵系阻燃劑（主要指氯系、溴系）是開發(fā)早的阻燃劑品種，國內(nèi)外有大量的商品問世，主要產(chǎn)品有氯化石蠟、十溴聯(lián)苯醚、四溴雙酚A等。市售鹵系阻燃劑的主要品種見表1。

鹵系阻燃劑特別是溴系阻燃劑，因其原料便宜，阻燃效率高，因此在阻燃劑市場中始終處于主流地位。但由于環(huán)保的問題，鹵系阻燃劑在阻燃同時放出大量鹵化氫(HX)煙霧，具有高腐蝕性，往往發(fā)生二次危害，因此近年來人們迫切希望阻燃劑向低煙、無鹵、低毒方向發(fā)展。但鹵系阻燃劑的成本效能平衡性好，適應面廣，市場份額大，并且尋找替代品還有一定的難度，因此，目前要完全取消也絕非容易。考慮到工程塑料、聚合物合金阻燃要求增多，鹵系阻燃劑要拓寬市場，必須向功能化方向發(fā)展，開發(fā)耐熱、不噴霜、加工性和衛(wèi)生性良好的高分子量鹵系阻燃劑是未來鹵系阻燃劑的發(fā)展方向。新開發(fā)的具有代表性的幾種產(chǎn)品有溴代聚苯乙烯、聚二溴苯乙烯、溴代環(huán)氧類高分子量阻燃劑、四溴雙酚A碳酸酯齊聚物、聚二溴苯醚、聚五溴苯基丙烯酸酯等，旨在代替多溴聯(lián)苯醚等傳統(tǒng)鹵系阻燃劑。

2.1.3 磷系阻燃劑 

磷系阻燃劑分為無機磷系阻燃劑和有機磷系阻燃劑。常用的無機磷系阻燃劑有磷酸酯、含鹵磷酸酯、多磷酸酯、赤磷等；通常的有機磷系阻燃劑有磷酸三苯酯、磷酸三甲苯酯、磷酸三(二甲苯)酯等。磷系阻燃劑的特點是具有阻燃和增塑雙重功能，使材料成型時流動加工性變好，可抑制燃燒后的殘余物，產(chǎn)生的毒性氣體和腐蝕性氣體比鹵系阻燃劑少。它與樹脂的相容性好，可保持樹脂的透明性。

2.1.3.1 赤磷 

赤磷是重要的無機磷系阻燃劑，主要應用對象是PA。其優(yōu)點是有效磷含量高，在燃燒時比其它含磷化合物產(chǎn)生更多的磷酸，達到相同的阻燃等級時，赤磷的添加量比其它阻燃劑用量少，使PA能較好地保持自身的力學性能；缺點是帶色，受熱加工時產(chǎn)生有毒氣體，直接用做阻燃劑時，表面吸濕性強，儲藏穩(wěn)定性差，與樹脂相容性欠佳。

2.1.3.2 聚磷酸銨(APP) 

聚磷酸銨(APP)屬于無機磷系阻燃劑，同時含有P、N兩種阻燃元素，具有很好的協(xié)同效應，阻燃效果非常好；細度可達300目以上，分散性好，化學穩(wěn)定性好，可很好地與涂料、橡膠、塑料等混合而不影響主體物料的物理性能；毒性低，使用安全。但是APP吸濕性強，熱穩(wěn)定性不是很高，在聚合物制品中容易因滲析而流失，而使阻燃性能下降。

2.1.4 膨脹型阻燃劑(IFR) 

膨脹型阻燃劑(IFR)由酸源、碳源、氣源三部分組成，它不含鹵素，也不采用氧化鎂作為協(xié)效劑，熱穩(wěn)定性好，能經(jīng)受聚合物加工過程中200℃以上的高溫。但大多數(shù)膨脹型阻燃劑主要用于聚烯烴阻燃改性，適用面不寬、用量較多、加工困難，并且成本較高、易吸潮。

2.2 無機阻燃劑

無機阻燃劑主要包括金屬氫氧化物、硼酸鹽、有機硅氧化物。 

2.2.1 金屬氫氧化物 

金屬氫氧化物用量大的品種是氫氧化鋁和氫氧化鎂，兼具阻燃、抑煙、填充三種功能，其消耗量占添加型阻燃劑的60%左右。但是金屬氫氧化物阻燃劑的阻燃效果較差，添加量大，對制品的物理機械性能和加工性能有較大影響。

無機阻燃劑通過采用硅烷類或鈦酸酯類偶聯(lián)劑進行表面處理，使其表面有機化，可以改善ATH與基體聚合物之間的親和性，提高材料的加工性能和力學性能。同時，由于分散性更好、體系粘度減小，可以高填充，降低成本；由于吸水性降低，使電氣性能更優(yōu)良。 

2.2.2 硼酸鋅 

硼酸鋅不僅是一種優(yōu)良的增效劑，而且也是一種阻燃劑，硼酸鋅是有希望替代Sb2O3協(xié)效劑的產(chǎn)品，具有以下應用特征：(1)脫水溫度高于290℃，在聚合物加工溫度下保持穩(wěn)定；(2)不含游離ZnO，對含鹵聚合物熱穩(wěn)定性影響小；(3)抑煙和抑制余燼燃燒效果好；(4)折光率與聚合物相近，對制品透光率無明顯影響；(5)不降低制品電絕緣性，耐電弧性顯著；(6)與氧化銻相比，有害性低。 

2.2.3 有機硅化合物 

有機硅化合物也是氫氧化鋁、氫氧化鎂等的有效阻燃增效劑，同時本身又是一種新型無鹵阻燃劑，也是一種成炭型抑煙劑，它能賦予高聚物優(yōu)異阻燃抑煙性能，同時還能改善材料的加工性能及提高材料的機械強度，特別是低溫沖擊強度，為阻燃劑無鹵化、功能化提供了廣闊的前景。 

2.3 阻燃劑的復配技術 

在實際應用中，單一的阻燃劑總存在這樣或那樣的缺陷，另一方面，人們的安全環(huán)保意識正在不斷提高，使用單一的阻燃劑很難滿足愈高的要求。阻燃劑的復配技術就是磷系、鹵系、氮系和無機阻燃劑之間，或某類內(nèi)部進行復合化，尋求最佳經(jīng)濟和社會效益。阻燃劑復配技術可以綜合兩種或兩種以上阻燃劑的長處，使其性能互補，達到降低阻燃劑用量，提高材料阻燃性能、加工性能及物理機械性能等目的。 

2.3.1 有機阻燃劑內(nèi)部的復配 

鹵系以氣相阻燃為主，磷系阻燃劑以固相阻燃為主，因此鹵系和磷系復配比單獨使用的阻燃效果好，這是由于它們除保持各自的阻燃特性外，在燃燒過程中還產(chǎn)生鹵磷化合物及其水合物，這些氣相物質具有更大的阻燃效果。在配方中，溴系阻燃劑常與紅磷復配。

由于氮元素對磷系阻燃劑有很好增效和協(xié)同效應，因此，P-N系化合物也是阻燃劑發(fā)展的方向，膨脹型阻燃劑就是典型的例子。主要的P-N類阻燃劑主要包括3類，磷酸鹽(酯)類化合物、聚磷酰胺類化合物和磷腈類化合物。 

同時含有溴、磷、氮三元素的復合體系也有很好的協(xié)同效應，制品阻燃性良好。

2.3.2 有機阻燃劑與無機阻燃劑之間的復配 

這種復配體系集中了有機阻燃劑的高效和無機阻燃劑的抑煙、無毒、價廉等功能。其典型體系為鹵系與銻系化合物組成的復配體系。

2.3.3 無機阻燃劑的復配

無機阻燃劑的復配可以降低阻燃體系中主要無機阻燃劑的添加量，從而改善其對材料的物理機械性能和加工性能的影響，并提高材料的阻燃性能。典型的應用是無機阻燃劑與其增效劑的復配。