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| 阻燃礦物材料分類與功能概述 |
| 來源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2015-01-04 10:06:28 瀏覽次數(shù)： |
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（中國粉體技術(shù)網(wǎng)/遠(yuǎn)志）為了減少火災(zāi)損失，提高人類環(huán)境安全水平，現(xiàn)在人們選擇不同用途的聚合物材料時(shí)，阻燃已經(jīng)成為經(jīng)?？紤]的重要因素之一。人們?nèi)找嬲J(rèn)識(shí)到采用阻燃材料是防止和減少火災(zāi)的戰(zhàn)略性措施之一，對(duì)材料的阻燃性和其他性能的要求越來越高。
所謂阻燃劑，是指用以阻止材料被引燃及抑制火焰?zhèn)鞑サ闹鷦?。因此，阻燃劑又稱防火劑、耐火劑，它包括含鹵素、磷、硼、銻、鋁、鎂等元素的有機(jī)或無機(jī)物質(zhì)。通常，阻燃劑主要用于阻燃聚合物如塑料、橡膠、纖維、木材、紙張、涂料等材料中，如在聚合物基體中添加阻燃劑、涂覆阻燃涂料或涂層、在主鏈上引入阻燃元素、采用納米復(fù)合技術(shù)、阻燃劑和聚合物表面改性等手段改變聚合物材料燃燒性和對(duì)火反應(yīng)特性。所以，含有阻燃劑的聚合物材料較難引燃，能抑制火焰?zhèn)鞑?，可以防止小火發(fā)展成大火，減少煙霧發(fā)生，縮小毒性，降低火災(zāi)危險(xiǎn)，有助于各種制品安全地使用。
阻燃礦物材料是以天然礦物為基礎(chǔ)加工出來的阻燃劑。傳統(tǒng)的聚合物阻燃添加劑，多以鹵系阻燃劑和磷系阻燃劑為代表，包括多溴二苯醚系列(PBDEs)和多溴聯(lián)苯(PBBs)系列。由于溴系阻燃劑具有很多優(yōu)點(diǎn)，如分解溫度與很多常用聚合物的分解溫度范圍重疊，阻燃效率高，在材料中所需的添加量少，適用面廣，性能價(jià)格比高，與基材的相容性好，工藝成熟，原料來源廣泛等，所以，其是世界上產(chǎn)量和使用量最大的有機(jī)阻燃劑之一。
但是，溴系阻燃劑同時(shí)也具備一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，那就是降低被阻燃基材的抗紫外線穩(wěn)定性，使得被阻燃基材在燃燒時(shí)產(chǎn)生較多的煙、腐蝕性氣體和有毒氣體，尤其是當(dāng)其與氧化銻并用時(shí)生煙量更大。自1986年起，發(fā)現(xiàn)多溴二苯醚及其阻燃的高聚物的熱解和燃燒產(chǎn)物中含有多溴代二苯并二惡英(PBDD)和多溴代二苯呋喃(PBDF)等有毒致癌物質(zhì)以來，鹵系阻燃劑的生產(chǎn)和應(yīng)用就一直面臨環(huán)保壓力。歐盟出于對(duì)環(huán)境保護(hù)和人類自身安全的考慮，于2003年2月公布了“限制有害物質(zhì)指令”( RoHs) ，限制使用多溴二苯醚和多溴聯(lián)苯。
對(duì)于磷系阻燃劑而言，雖然毒性和生煙量都很小，但是由于它的阻燃機(jī)理限制，要求被阻燃基材結(jié)構(gòu)中必須含有大量H、O元素，才能脫水形成炭化層，因而其應(yīng)用范圍有限。許多含磷阻燃劑的耐水解性較差。另外，磷系阻燃材料最終摒棄不用時(shí)，材料中的磷元素就會(huì)污染環(huán)境。因此，開發(fā)燃燒時(shí)發(fā)煙量低，并且不產(chǎn)生有毒、腐蝕性氣體，環(huán)境友好的新型高效阻燃劑是非常必要的。
正是因?yàn)榄h(huán)保要求的日益提高，促進(jìn)了無鹵阻燃體系的研究和開發(fā)，為了達(dá)到無鹵、環(huán)保、阻燃的目的，部分學(xué)者將礦物作為阻燃材料添加到高分子材料中，如金屬氫氧化物和碳酸鹽用作聚合物的阻燃劑，由于它們不存在有害環(huán)境的問題，已引起了人們的興趣。并且有研究表明，礦物材料的應(yīng)用不僅會(huì)降低成本，調(diào)整高分子材料的流變性及混煉性能，改變其化學(xué)性質(zhì)，而且改善熱性能及電磁功能等。
能夠用作阻燃劑的礦物材料種類較多，按照其阻燃機(jī)理的不同可以分為普通礦物類(氫氧化物、碳酸鹽、硫酸鹽等)、粘土礦物類、可膨脹石墨等。
1 普通礦物阻燃劑
金屬氫氧化物、碳酸鹽、硫酸鹽等作為阻燃劑一般要滿足以下條件：可在一定溫度(100-300℃)下吸熱分解，能夠釋放質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%以上的H2O或者CO2加工性及填充性能好；原料豐富，成本低，具有低溶解度和較少的有害雜質(zhì)。該類礦物在分解過程中能夠吸收聚合物燃燒放出的熱量及火焰中的輻射能，分解產(chǎn)生的水蒸氣或(和)CO2能夠稀釋聚合物燃燒產(chǎn)生的可燃性氣體和氧氣的濃度，降低材料表面的溫度，減慢燃燒速度、阻止燃燒繼續(xù)進(jìn)行；分解產(chǎn)生的金屬氧化物可作為覆蓋層，隔絕空氣和阻斷火焰，防止火焰蔓延。與鹵系及磷系阻燃劑相比，其阻燃過程中不產(chǎn)生有毒和腐蝕性氣體，在環(huán)保方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展趨勢(shì)。
由于受到原料成本、技術(shù)發(fā)展、使用條件等方面的限制，目前大規(guī)模應(yīng)用的礦物阻燃劑主要為氫氧化鋁阻燃劑、氫氧化鎂(水鎂石)阻燃劑。另有一些發(fā)展中的阻燃劑新品種，如水滑石、勃姆石阻燃劑。但該類礦物阻燃劑在使用時(shí)，因其填充量較大，對(duì)制品的加工和力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生不利的影響。
2 納米粘土礦物阻燃劑
粘土礦物通常以納米尺度均勻分散在聚合物中，粘土礦物的納米片層在二維方向?qū)酆衔锶紵a(chǎn)生的小分子、可燃蒸氣和放出的熱量起到了阻隔作用，對(duì)聚合物凝聚相的降解燃燒產(chǎn)生重大影響，粘土片層在二維方向也能阻礙氣相燃燒產(chǎn)生的熱量向凝聚相的反饋，從而提高了聚合物的阻燃性能。納米尺寸分散的粘土片層對(duì)聚合物大分子鏈的活動(dòng)性具有明顯的限制作用，從而使大分子鏈在受熱分解時(shí)比完全自由的分子鏈具有更高的分解溫度。
聚合物/粘土礦物復(fù)合材料發(fā)展迅速，由最早的尼龍6/粘土納米復(fù)合材料，發(fā)展了乙烯-乙酸乙烯酚，聚甲基丙烯酸甲酯、環(huán)氧樹脂、聚已酸內(nèi)酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯和聚丙烯等聚合物/粘土礦物復(fù)合材料。與其它礦物相比，納米粘土礦物添加量少、易加工、成炭?jī)A向明顯井且有助于改善復(fù)合料材力學(xué)性能，能使高分子材料具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性能和尺寸穩(wěn)定性，當(dāng)納米粘土礦物在聚合物中分散均勻時(shí)，僅需添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%-5%即可以顯著提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，降低復(fù)合材料的熱釋放速率。納米粘土礦物為解決低煙無鹵阻燃塑料的阻燃、加工、力學(xué)性能難以平衡的問題提供了一個(gè)途徑。
3 可膨脹石墨阻燃劑
可膨脹石墨(EG)是由天然鱗片石墨經(jīng)化學(xué)處理而形成的特殊的石墨層間化合物。石墨具有層狀結(jié)構(gòu)，堿金屬、強(qiáng)氧化性含氧酸等可嵌入層間，形成層間化合物，在200℃左右時(shí)通過層間化合物的分解、氣化、膨脹而開始膨脹，900℃左右達(dá)到最大值，膨脹幅度可達(dá)280倍，膨脹后的石墨由鱗片狀變成密度很低的“蠕蟲”狀，以交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)形式增強(qiáng)了炭化層的穩(wěn)定性，防止炭化層脫落，可在材料表面形成高效絕熱、隔氧層，能夠阻斷熱量向材料表面的傳遞及材料內(nèi)部分解產(chǎn)生的小分子可燃?xì)怏w向材料表面燃燒區(qū)的擴(kuò)散，防止聚合物的進(jìn)一步降解，從而阻斷了燃燒鏈，起到高效防火阻燃的作用。
EG以穩(wěn)定的晶形存在，具有優(yōu)良的耐候性、耐腐蝕性和耐久性，膨脹形成的炭層具有良好的穩(wěn)定性，可以起到良好的骨架作用。EG作為一種新型的無鹵物理膨脹型阻燃劑，其自身在火災(zāi)中的熱釋放率很低，質(zhì)量損失很小，產(chǎn)生的煙氣很少，符合環(huán)保的要求，可以作為膨脹體系的協(xié)同增效劑及阻燃劑來制備無鹵、低煙、低毒、理化性能及防火性能均更佳的新型膨脹型阻燃產(chǎn)品，EG作為阻燃劑將得到廣泛的應(yīng)用。
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