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       塑料具有優(yōu)良的性能，應(yīng)用范圍越來越廣，特別是在建筑、交通、家具、電子電器及日用品等行業(yè)被大量使用，方便和美化了人們的生活與環(huán)境，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，已逐步代替了傳統(tǒng)材料。

       但是，絕大多數(shù)常用塑料在空氣中是可燃或易燃的，燃燒時會產(chǎn)生大量煙霧和有毒氣體，使人中毒窒息而死，且影響消防救援工作。因此，塑料和阻燃改性技術(shù)已引起世界各國的高度重視。

常用塑料的燃燒特性

塑料的燃燒過程和燃燒反應(yīng)

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塑料的燃燒過程

塑料的燃燒過程是一個非常激烈復(fù)雜的熱氧化反應(yīng)，具有冒濃煙或熾烈火焰的特征。塑料燃燒的一般過程可分為5個基本階段。

第一階段：加熱升溫。塑料之所以發(fā)生燃燒，首先是因?yàn)樵谕獠繜嵩吹淖饔孟聹囟壬仙?。熱塑性塑料此時會有熔融現(xiàn)象。

第二階段：熱分解。當(dāng)塑料受熱升溫至分解溫度時，將發(fā)生熱分解，并產(chǎn)生可燃性氣體和其他熱分解產(chǎn)物，主要包括：

①可燃?xì)怏w，如甲烷、乙烷、丙烷、甲醛、丙酮、一氧化碳等。

②不燃?xì)怏w，如二氧化碳、氮?dú)獾取?/p>

③液體產(chǎn)物，即熔融降解聚合物和預(yù)聚體。

④固體產(chǎn)物，如碳化物等。

⑤煙氣，即懸浮于空氣中的固體（如碳）顆粒。

第三階段：著火。當(dāng)塑料受熱分解產(chǎn)生的可燃?xì)怏w濃度達(dá)到著火及先后，與氧氣相遇，并且被加熱到點(diǎn)燃溫度時，即可引發(fā)塑料燃燒，并從局部向整體擴(kuò)散。

第四階段∶持續(xù)燃燒。當(dāng)塑料的燃燒凈熱，即塑料的燃燒熱與加熱鄰接材料到燃燒狀態(tài)所需的熱量之差等于或大于0時，塑料將持續(xù)自行燃燒。

第五階段∶燃燒停止。當(dāng)塑料燃燒進(jìn)行到燃燒凈熱為負(fù)值時，則已著火的塑料將會在點(diǎn)火源移開后停止燃燒。

                                                                 聚合物燃燒基本過程示意圖

塑料的燃燒反應(yīng)

塑料熱分解產(chǎn)物的燃燒是按照自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)行的，其機(jī)理與塑料熱氧降解類似，包括以下四步：

影響塑料燃燒的因素

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影響塑料燃燒的因素很多，包括作為內(nèi)因的聚合物燃燒特性和作為外因的燃燒環(huán)境條件。在燃燒環(huán)境條件相同的情況下，則主要取決于聚合物的燃燒特性，包括化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)、比熱容、熱導(dǎo)率、分解溫度、燃燒熱、閃點(diǎn)和自燃點(diǎn)、火焰溫度、極限氧指數(shù)以及燃燒速度等。

化學(xué)組成和構(gòu)成

聚合物燃燒實(shí)質(zhì)上為聚合物受熱發(fā)生熱分解產(chǎn)生的可燃性氣體的燃燒，因此化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)不同的聚合物由于熱分解產(chǎn)物中可燃性氣體含量不同而具有不同的燃燒特性。顯然，熱分解產(chǎn)物中可燃性氣體含量越高的聚合物越容易燃燒。

常用塑料的熱分解產(chǎn)物

比熱容

所謂比熱容就是1g物質(zhì)溫度升高（或降低）1℃所需吸收（或放出）的熱量。在其他因素相同的情況下，比熱容大的聚合物材料，在燃燒過程的加熱階段需要較大的熱量，因此較難燃燒。

常用塑料的熱分解產(chǎn)物

導(dǎo)熱率

熱導(dǎo)率又稱導(dǎo)熱系數(shù)，是一個表示物質(zhì)熱傳導(dǎo)性能的物理量。在其他因素相同的情況下，熱導(dǎo)率大的聚合物材料，在燃燒過程的加熱階段升溫較慢，因此較難燃燒。

常用塑料的熱導(dǎo)率

分解溫度

由于聚合物燃燒實(shí)質(zhì)上為聚合物受熱發(fā)生熱分解產(chǎn)生的可燃性氣體的燃燒，因此，一般來說，熱分解溫度較低的聚合物較易燃燒。

常用塑料的熱分解溫度

燃燒熱

燃燒熱是維持燃燒和延燃的重要因素。大多數(shù)聚合物的燃燒是放熱反應(yīng)。

常用塑料的燃燒熱

閃點(diǎn)和自燃點(diǎn)

閃點(diǎn)是明火可以引燃的最低溫度，而自燃點(diǎn)是不需明火引燃而自發(fā)燃燒的最低溫度。

常用塑料的閃點(diǎn)和自燃點(diǎn)

火焰溫度

與燃燒熱一樣，火焰溫度是維持燃燒和延燃的重要因素。大多數(shù)聚合物的火焰溫度比火柴和香煙高得多，約達(dá)2000℃。

常用塑料的火焰溫度

極限氧指數(shù)

能維持聚合物燃燒的混合氣體中氧氣的最小體積分?jǐn)?shù)，稱為聚合物的極限氧指數(shù)（LOI），簡稱氧指數(shù)（OI）。氧指數(shù)是衡量聚合物材料是否燃燒的重要指標(biāo)。由于空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)為20.9%，所以，氧指數(shù)小于21%的聚合物，一般可在空氣中被點(diǎn)燃。

常用塑料的氧指數(shù)

燃燒速度

燃燒速度影響火災(zāi)的發(fā)展蔓延。各種聚合物材料的燃燒速度不盡相同，因此，燃燒時的傳播速度也有快慢。在實(shí)際火災(zāi)中，材料的燃燒速度受外界氣體的擾動和擴(kuò)散、熱的傳導(dǎo)、對流和輻射等因素的影響。

常用塑料的燃燒速度

阻燃劑的三大分類

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01按所含阻燃元素分類
按所含阻燃元素可將阻燃劑分為鹵系、磷系、氮系、硫系、磷-鹵系、磷-氮系、硅系、銻系、硼系和鋁鎂系等幾類阻燃劑，其中鹵系阻燃劑是目前世界上產(chǎn)量最大的阻燃劑之一，具有添加量少、阻燃效果顯著的特點(diǎn)，在阻燃領(lǐng)域占有重要地位。

02按阻燃劑的使用方法分類
按阻燃劑使用方法的不同，阻燃劑可分為反應(yīng)型和添加型兩大類。
(1）反應(yīng)型阻燃劑
反應(yīng)型阻燃劑是指分子內(nèi)具有可反應(yīng)官能團(tuán)，能夠在聚合物合成過程中參與反應(yīng)，并結(jié)合到聚合物分子中的阻燃劑。其優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好、阻燃作用持久、毒性小、對塑料性能影響較小，可以認(rèn)為是一類理想的阻燃劑。缺點(diǎn)是應(yīng)用不方便，品種較少，目前使用量僅占阻燃劑的10%-20%左右。反應(yīng)型阻燃劑主要用于熱固性塑料中，有時也用于熱塑性塑料中。有些反應(yīng)型阻燃劑也可用作添加型阻燃劑。
(2）添加型阻燃劑
添加型阻燃劑是在塑料加工前摻入塑料中，并以物理狀態(tài)分散在混合料中的阻燃劑。其特點(diǎn)是使用方便、適用性強(qiáng)，目前其使用量占整個阻燃劑的80%-90%。缺點(diǎn)是在改進(jìn)阻燃性的同時，降低了塑料本身固有的某些性能，如加工性和力學(xué)性能等。添加型阻燃劑常用于熱塑性塑料中。

03按阻燃劑組分分類
按阻燃劑組分的不同可將阻燃劑分為無機(jī)阻燃劑和有機(jī)阻燃劑兩大類。
(1)無機(jī)阻燃劑  
無機(jī)阻燃劑的品種很多，不同的無機(jī)阻燃劑的功能不同。

有單獨(dú)使用即顯示阻燃效果的,如紅磷；有與含鹵有機(jī)阻燃劑并用而顯示阻燃效果的,如Sb?O? ；還有既起填充劑作用又能分解結(jié)晶水而顯示阻燃效果的,如氫氧化鋁。
無機(jī)阻燃劑具有熱穩(wěn)定性好、無毒、不產(chǎn)生腐蝕性氣體、不揮發(fā)、抑煙、效果持久、價廉等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是會對聚合物材料的加工成型性能和物理、電氣性能等產(chǎn)生負(fù)面影響。
(2)有機(jī)阻燃劑
有機(jī)阻燃劑的品種也很多,按化合物類型細(xì)分,主要有磷系和鹵系阻燃劑兩類。磷系阻燃劑還可分為不含鹵和含鹵阻燃劑;而鹵系阻燃劑也可分為氯系和溴系阻燃劑。

有機(jī)阻燃劑，尤其溴系有機(jī)阻燃劑,由于阻燃效果好、用量少、對塑料制品的性能影響小，因此，盡管存在有毒、發(fā)煙量較高并會釋放高腐蝕性的鹵化氫氣體等問題,目前仍是應(yīng)用廣泛的重要阻燃劑。

常見阻燃塑料及其阻燃方案

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//阻燃PC/ABS

PC具有沖擊強(qiáng)度高、抗蠕變、尺寸穩(wěn)定性好、耐熱、透明和介電性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，但同時也存在加工流動性差、容易發(fā)生應(yīng)力開裂、對缺口敏感、耐磨性差等缺點(diǎn)；ABS具有較好的耐化學(xué)藥品性和成型加工性，然而其耐熱和耐候性相對較差。兩者共混改性所得的PC/ABS合金在性能上可互補(bǔ)，廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、通信設(shè)備、電子電器、照明設(shè)備等。

PC/ABS應(yīng)用于復(fù)印機(jī)

為了滿足一些應(yīng)用領(lǐng)域中的防火安全要求，PC/ABS合金必須具備良好的阻燃性。例如在新能源汽車充電樁以及部分電子電氣阻燃等級要達(dá)到V-0。用于PC/ABS共混體系目前效果較好的是熱穩(wěn)定性好的雙磷酸酯類以及磷酸酯齊聚物等，其中BDP對PC/ABS合金表現(xiàn)出良好的阻燃性能。

//阻燃PC

PC具有耐熱性好、光學(xué)性能優(yōu)異、尺寸穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度高以及沖擊強(qiáng)度優(yōu)良等特性，廣泛用于家電、電子電器、汽車配件、機(jī)械設(shè)備和光學(xué)儀器零部件等，全球PC產(chǎn)能超過1000萬噸。

PC的極限氧指數(shù) （LOI）可達(dá)21%～24%，材料本身可達(dá) UL94 V-2級阻燃，但仍無法滿足特殊領(lǐng)域?qū)ψ枞夹阅艿囊?，如電子電氣和汽車領(lǐng)域均要求PC阻燃等級達(dá)到V-0。

阻燃PC中，以全氟烷基磺酸鉀（PPFBS）為代表的磺酸鹽類阻燃劑效果最佳，添加少量(0.5%以下）的磺酸鹽阻燃劑就能顯著改善PC的阻燃性能，達(dá)到1.6～3.0mm V-0的阻燃等級，并且改性后PC的物理性能和力學(xué)性能與通用PC相當(dāng)，還能保持透明。

透明阻燃PC板材

工業(yè)化PC產(chǎn)品中使用最多的磷系阻燃劑是三苯基磷酸酯（TPP）、間苯二酚雙（二苯基磷酸酯）（RDP）和BDP，在阻燃劑的添加量為10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時，1.6mm厚度PC可達(dá)V-0級別，其中TPP在高溫下易揮發(fā)，僅在氣相中發(fā)揮阻燃作用；RDP和BDP可同時在氣相和固相發(fā)揮阻燃效果。TPP常溫下為固態(tài)，熱穩(wěn)定性相對較差，在PC加工溫度下容易揮發(fā)；RDP和BDP常溫下為液體，熱穩(wěn)定性較好；BDP較RDP抗水解性能好。

//阻燃ABS

ABS光澤度高、韌性好、耐熱和耐低溫性能好、加工性能優(yōu)異、具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能；ABS電性能不隨溫度和濕度的改變而出現(xiàn)很大變化，是良好的絕緣材料，廣泛應(yīng)用于家用電器、視聽設(shè)備、辦公用品和電子電氣等領(lǐng)域，全球產(chǎn)能超過1000萬噸。

 

阻燃ABS用于家電外殼

ABS樹脂可燃，LOI為18.3％～18.8％， 按UL94標(biāo)準(zhǔn)屬于HB級別。ABS著火時燃燒速率快，并且放出大量毒氣和黑煙，不利于實(shí)際應(yīng)用。目前主要以鹵素阻燃劑與Sb2O3復(fù)配使用， 鹵銻協(xié)同作用對ABS進(jìn)行阻燃改性，主要用的溴系阻燃劑有TBBA，DBDPE等。

阻燃ABS主要應(yīng)用于電話、電腦、液晶顯示器（LCD） 等電子電氣設(shè)備外殼、汽車內(nèi)構(gòu)部件和外部構(gòu)件、小型廚房電器、工具盒真空吸塵器的外殼等。

//阻燃HIPS

HIPS是由聚苯乙烯（PS）與聚丁二烯（PB）通過共聚制得，擁有兩者共同的優(yōu)點(diǎn)，易加工、尺寸穩(wěn)定性好且電絕緣性優(yōu)良、抗沖性較高，成本低，被廣泛應(yīng)用于食品包裝、家用電器、電子產(chǎn)品及軍用物資的外殼包裝等領(lǐng)域。

阻燃HIPS應(yīng)用于空調(diào)外殼

但HIPS的LOI僅為18％，易燃燒，為了提高使用安全性，必須對其進(jìn)行阻燃改性。用于HIPS阻燃改性的主要為溴系阻燃劑如十溴二苯乙烷（DBDPE）等，大多與Sb2O3配合協(xié)同作用，具有優(yōu)良的阻燃效果。

//阻燃PBT

PBT是一種結(jié)晶型飽和聚酯，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、較好的尺寸穩(wěn)定性、良好的電絕緣性以及耐化學(xué)藥品腐蝕等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、電子電器、機(jī)械等領(lǐng)域。但PBT的阻燃性能差（UL94HB級），在空氣中易燃燒，難以成炭，燃燒時易滴落，且釋放出大量濃煙和有毒氣體，易產(chǎn)生比較大的危險，因此必須對其進(jìn)行阻燃改性。

阻燃PBT應(yīng)用于電子電器

用于PBT阻燃改性的阻燃劑主要為鹵系阻燃劑，比較常用的是溴系阻燃劑如DBDPE、溴化環(huán)氧樹脂等，通過與Sb2O3配合協(xié)同作用，達(dá)到優(yōu)良的阻燃效果。PBT中使用的阻燃劑還包括二乙基次膦酸鋁（ADP）或其與氫氧化鎂、氫氧化鋁等的復(fù)配產(chǎn)品。

//阻燃PA

PA具有良好的力學(xué)性能、電學(xué)性能和較為突出的潤滑性能，廣泛應(yīng)用于電子元件及汽車零件等領(lǐng)域。未改性的PA阻燃等級為UL94 V-2級，LOI為20％～22％，在接觸到明火的情況下，會發(fā)生快速燃燒，放出大量熱，同時還會因熔融存在滴落現(xiàn)象，這為明火的進(jìn)一步擴(kuò)散制造了條件。為防止火災(zāi)危害，工業(yè)上對汽車、電器等產(chǎn)品中使用的PA復(fù)合材料有著明確的阻燃要求，一般需要其達(dá)到UL94 V-0級別。

阻燃PA應(yīng)用于接插件

鹵系阻燃劑由于與PA相容性好，阻燃效率高，在PA中的應(yīng)用很廣泛。無鹵阻燃PA中使用的阻燃劑有所區(qū)別，一般純PA阻燃添加12-15%的MCA即可，而PA/GF體系由于“燭芯效應(yīng)”，需要阻燃效率更高的二乙基次膦酸鋁（ADP），再輔以MPP等起到協(xié)效和降本作用，也有與氫氧化鎂、氫氧化鋁等的復(fù)配阻燃PA產(chǎn)品。