一文读懂膨胀型阻燃剂
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近些年来，威胁公共安全的汽车自燃事件及威胁人生命财产安全的电器自燃现象不断发生，材料的阻燃性能受到大家强烈关注，因此阻燃材料的研究和阻燃剂的合理使用显得至关重要。
阻燃材料使用的阻燃剂主要有卤族阻燃剂、无机阻燃剂及膨胀阻燃剂等。卤族阻燃剂具有阻燃效果好、用量少、力学性能影响小等特点，一直是阻燃材料的主要阻燃剂，但卤素阻燃剂燃烧时容易产生浓烟、二噁英及卤化氢等问题，限制其应用。无机阻燃剂虽有发烟量少、不产生毒气的优点，但其添加量大，严重影响阻燃材料的力学性能。膨胀型阻燃剂，顾名思义是指使聚合物受热或燃烧时所发生膨胀或发泡现象的物质，其最早使用于防火涂料中， 20世纪90年代Camino等人对膨胀阻燃聚丙烯做了大量的研究，开创了聚合物阻燃技术的新途径。膨胀型阻燃剂具有高效、低烟、低毒、添加量少及无熔滴等特点，在某些材料中比其他阻燃剂的阻燃效率更高，因此膨胀型阻燃剂越来越多应用于各种复合材料中。回复“阻燃剂”，查看更多
图1 膨胀型阻燃剂炭层膨胀情况
一、 膨胀阻燃剂简介
1.1、膨胀阻燃剂(IFR)的组成
膨胀阻燃体系一般由酸源（脱水剂）、炭源（成炭剂）和气源（发泡剂）三部分组成。其中酸源的功能是与炭源发生酯化反应，使之脱水。目前使用较多的是聚磷酸铵、硅酸盐、马来酸酐等，这些物质均可以受热分解产生酸，实现酸源的主要功能；气源是指能够在受热分解时释放出大量无毒且不易燃气体的化合物。常用的气源主要有三聚氰胺、双氰胺、聚磷酸铵(APP)、尿素等；炭源是指在燃烧过程中能被脱水剂夺走水分而被炭化的物质。炭源是形成泡沫炭层物质的基础，主要是一些含碳量较高的多羟基化合物或碳水化合物。炭源是IFR中非常重要的一部分，炭源是否优良直接决定了阻燃效果。炭源的品种主要有季戊四醇(PER)、酚醛树脂、聚酰胺、丁四醇、环己六醇、淀粉、麦芽糖、三嗪类化合物等。
对于某些聚合物, 有时并不需要膨胀型阻燃剂的三种组分同时存在, 被阻燃聚合物本身可以充当其中的一部分。但是，膨胀型阻燃剂添加到聚合物中必须具备以下条件：
(1)、稳定性好, 能够经受聚合物加工过程中200℃以上的高温；
(2)、由于热降解而形成的炭渣不应对膨胀发泡过程产生不良影响；
(3)、能够均匀分散在聚合物中, 燃烧时能够形成一层完整覆盖在被阻燃材料表面的膨胀炭层；
(4)、与被阻燃聚合物有良好的相容性, 不与其他添加剂产生不良反应。
1.2、膨胀型阻燃剂（IFR）的分类
膨胀型阻燃剂通常可分为有机含磷膨胀型阻燃剂和无机膨胀型石墨阻燃剂两大类。
1.2.1、磷氮膨胀型阻燃剂（化学膨胀型阻燃剂）
磷－氮膨胀型阻燃剂是以磷、氮为主要成分的阻燃剂，其发烟量、有毒气体的生成量很小，并显示出良好的阻燃性能，被认为是今后阻燃剂的重要发展方向之一。目前最典型且应用最广泛的磷－氮系膨胀型阻燃剂是三聚氰胺、APP、PER系统。其中三聚氰胺充当气源，PER是炭源，APP既可作酸源又可作为气源。化学膨胀型阻燃体系的阻燃原理如图2所示。在较低温度下，先由APP释放出酸性物质，然后在稍高于释放酸的温度下，APP和多元醇化合物发生酯化反应，在酯化过程中，酯化产物脱水成炭，形成炭层，体系开始熔融；酯化反应产生的水蒸气、氨气等气体和由气源产生的不燃性气体填充到炭层中去，使体系膨胀发泡，反应接近完成时，体系炭层固化，最后就形成了多孔泡沫炭层，从而达到阻燃的目的。
图2 三元化学膨胀阻燃体系的阻燃机理
1.2.2、膨胀型石墨阻燃剂（物理膨胀型阻燃剂）
膨胀型石墨(EG)是最近发展起来的一种新型的物理无机膨胀型阻燃剂。将天然石墨通过特殊化处理，可形成特殊层间化合物EG，当其被加热时，可沿C-C轴方向膨胀数百倍。EG自身可以成炭、发泡，但一般需要一些酸来催化使用，人们对于EG和有机膨胀阻燃剂的协同效应作了大量研究，发现EG与有机膨胀阻燃剂一起使用能发挥出很好的阻燃效果。
表2 化学膨胀型阻燃剂和物理膨胀型阻燃剂对比
二、膨胀型阻燃剂存在的问题
当前, 关于合成新型膨胀型阻燃剂的报道很多,但是真正实现工业化生产的并不多。已经实现工业化的典型膨胀型阻燃剂也存在一些问题， 具体体现在以下几个方面：
1.相容性差的问题
在聚合物中加入膨胀型阻燃剂， 虽然可以获得较好的阻燃效果， 但却由于膨胀型阻燃剂和大部分基体相容性较差,，进而使聚合物的力学性能降低，尤其是拉伸强度、断裂伸长率和冲击强度大幅度下降， 往往导致工程上难以应用；
2.易吸潮问题
以APP、MEL 和PER 为主要成分的阻燃剂，由于APP 和PER 有一定的吸水性并且易进行醇解反应，最终导致阻燃聚合物抗水性能下降，易吸潮；
3.低分子物问题
现在使用的大部分膨胀型阻燃剂都是低分子物质； 由于无机聚合物的聚合度较低，这就导致它们的热稳定性差， 易渗出，抗迁移性及聚合物的相容性差。最终导致阻燃产品的力学性能和外观很差；
4.膨胀型阻燃剂各组分之间的配比问题
膨胀型阻燃剂各组分的配比往往需要大量的实验数据和经验来获得。
三、膨胀型阻燃剂（IFR)的改性提效新技术
传统的阻燃剂有很多自身的局限性，如IFR对潮湿十分敏感、与含卤阻燃剂相比所需求的添加量大、成炭不稳定等。这些因素均会导致材料的阻燃性能或力学性能下降，从而限制IFR的应用。阻燃剂添加得越多，材料性能受影响就越严重。因此迫切需要进一步改善传统阻燃剂的应用性能。
1.协同阻燃技术
为了提高膨胀型阻燃材料的阻燃效果，学者首先会想到采用协同效应提升材料的阻燃性能，并对不同材料选取适当的协效剂，如蒙脱土、沸石、金属氧化物、螯合物以及一些含硼的化合物等。协效剂具有催化阻燃体系反应、增加成炭量、提高炭层品质等作用，因此添加高效协效剂是今后改善膨胀阻燃体系的研究重点。
2.表面改性技术
有些膨胀型阻燃剂跟聚合物材料相容性差、界面难以形成良好的结合和粘接。为改善其与聚合物间的粘接力和界面亲和性，常采用偶联剂对其进行表面处理。常用的偶联剂有硅烷和钛酸酯类。
3.微胶囊技术
微胶囊阻燃技术是近年来新发展起来的一项新技术。实质是将阻燃剂粉碎分散成微粒后，用有机物或无机物进行包囊，形成微胶囊阻燃剂，常用来改善一些阻燃剂与材料不相容的问题。
四、膨胀型阻燃剂的选择
实验表明，膨胀型阻燃剂必须与高聚物类型相匹配，才能有效地发挥其阻燃功效，这种匹配性包括其热行为，受热条件下形成的物种及其他等。回复“阻燃剂”，查看更多
膨胀型阻燃剂用量与材料阻燃性的关系
另外，与传统的卤系阻燃剂比较，膨胀型阻燃剂有一个显著不同的特点，即当其用量低于一定值时，对材料的阻燃性（UL94V)基本没有贡献，但当用量超过一定值时，材料的阻燃性急剧提高。而对卤系阻燃剂，材料阻燃性随阻燃剂用量几乎呈线性增长。见下图。
卤系阻燃剂及膨胀型阻燃剂的用量与被阻燃PP阻燃性的关系
五、膨胀型阻燃剂的发展前景
目前，人们不仅要求阻燃剂具有适当的阻燃性能，而且要求其抑烟和减少被阻燃材料燃烧时有毒气体的释放量，同时又不至于过多恶化材料的各种使用性能，因而使许多传统阻燃剂面临困境，这样便给膨胀型阻燃剂的发展提供了良好的机遇。现在很多膨胀型阻燃剂（多为混合型）已商品化，还有很多新的膨胀型阻燃剂（包括单质型及混合型）正在研发阶段，具有良好的应用前景。回复“阻燃剂”，查看更多
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来源：无卤阻燃剂微论坛
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