阻燃高分子材料的研究进展及其在工程领域的应用

阻燃高分子材料的研究进展及其在工程领域的应用

杜绍波

天津市新天钢联合特钢有限公司天津市 301500

摘要:介绍了阻燃高分子材料在建筑工程领域的应用,并对近年来阻燃高分子材料的研究进展进行了综述。应用在建筑工程领域的高分子材料主要有通用塑料和工程塑料两大类。其中,通用塑料以聚烯经为主,其阻燃改性的主要手段为掺杂改性;,工程塑料种类繁多,包括聚氨酯、环氧树脂、聚酯等,这类阻燃高分子材料主要是以本征改性为主。无论是掺杂改性,还是本征改性,高分子材料在有机或无机阻燃元素或阻燃剂的作用下,其阻燃性能均可得到明显改善。

关键词:通用塑料;工程塑料;阻燃改性;建筑工程

引言

在人们日益提高对人身安全与财产安全重视程度的背景下，材料阻燃性愈发成为建筑工程领域的关注重点，在这一领域的研究和生产工作中进行了多种材料的开发。文章综述了阻燃高分子材料在建筑工程中的应用及其研究进展，本质型阻燃高分子材料一般采用分子设计方法来制备，直接将小分子单体作为结构单元引入至聚合物主链或侧链中﹔添加型阻燃高分子材料通过阻燃剂与聚合物共混的方式赋予其阻燃性能;在各种类型的阻燃剂中，复合型阻燃剂不同组分间的协同作用可使高分子材料表现出更好的阻燃性能。

1阻燃高分子材料在建筑工程中的应用

用于建筑工程领域的高分子材料种类较多,包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等通用塑料,酚醛树脂、尿醛树脂、聚氨酯等工程塑料以及环氧树脂、不饱和聚酯等热固性塑料。在建筑工程中,这些高分子材料被广泛用于制造墙体、天花板、地板、电缆、管材等制品。沈治华等以三氧化二锑为阻燃剂,将其添加到聚氯乙烯中并对其用量进行调节,三氧化二锑质量分数仅为3%~4%时,聚氯乙烯的极限氧指数从24.0%提高至27.0%;将三氧化二锑质量分数提高到10%,所制改性聚氯乙烯的极限氧指数增加到32.0%。结果表明,在高分子材料中添加无机阻燃剂,能将可燃或易燃的高分子材料改性为难燃或不燃的高分子材料,所制改性聚氯乙烯可成功用于电缆绝缘层。林雅莲对聚氯乙烯进行了阻燃改性,并将制备的改性聚氯乙烯用于生产电器管道。在聚氯乙烯基体中添加了氢氧化镁和蒙脱土,虽然氢氧化镁的改性效果更为明显,但通过调节无机组分的含量,均可制备出极限氧指数达27.0%以上的难燃级别聚氯乙烯。当氢氧化镁质量分数为16.7%时,改性聚氯乙烯的极限氧指数超过27.0%;当蒙脱土质量分数为30.0%时,改性聚氯乙烯的极限氧指数超过27.5%。林辉等4对聚氯乙烯材质的墙纸进行了改性研究。通过在聚氯乙烯中添加磷系阻燃剂与无机阻燃剂复配的新型阻燃剂,利用二者之间的协同阻燃效应极大提高了聚氯乙烯的极限氧指数,由24.0%左右提高到了32.0%以上,制备了不燃级别的聚氯乙烯。将这种改性聚氯乙烯用作建筑工程中的墙纸,能够有效抑制火势延燃,极大提高了建筑物的安全性。采用GB/T8624—2012的检测方法,所制改性聚氯乙烯的阻燃等级为B1级。

2阻燃型通用塑料研究进展

通用塑料的特点是用途广泛、价格低廉,因此在建筑工程领域也得到了广泛的应用。聚烯经是一类年产量大且用途广泛的通用塑料,包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯以及烯经与其他单体的共聚物。这类高分子材料可用于管材、墙体、地板、电缆等,因此,对聚烯经进行阻燃改性具有较大的实际意义和应用前景。

通常,制备本征阻燃型聚烯怪需要通过化学手段在其主链或侧链中引入具有阻燃特性的元素或基团,其中,聚偏氟乙烯和聚四氟乙烯是具有优异阻燃效果的聚烯经。然而,利用化学手段对聚烯经进行阻燃改性的步骤繁琐,因此在工业生产和科学研究中,通常向其基体中加入外援型阻燃剂,制备掺杂型阻燃聚烯泾。阻燃剂分为有机阻燃剂、无机阻燃剂和复合型阻燃剂。其中,有机阻燃剂主要是利用其中氮,磷,硅或卤素等元素的阻燃效果实现材料的改性。冯国东等制备了一种新型的磷系聚甘油脂肪酸型阻燃剂,并用于对聚氯乙烯的阻燃改性,使聚氯乙烯的极限氧指数得到了明显提升,且聚氯乙烯的阻燃性能也随着阻燃剂用量的进一步优化而得到改善。当该磷系阻燃剂质量分数为60%时,聚氯乙烯的极限氧指数由21.3%提高至28.7%。Tian Nana等制备了一种磷系的有机阻燃剂,将其用于聚苯乙烯的阻燃改性中。通过调节磷系阻燃剂用量,得到了阻燃性能良好的聚苯乙烯。当阻燃剂质量分数达到25%时,聚苯乙烯的极限氧指数提高到30.5%。除了利用单一元素进行材料的改性外,还可以利用多种元素的协同作用,实现材料的阻燃改性。段莹莹等制备了一种兼具氮,磷和硅元素的有机阻燃剂,并将其添加到丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS)中。结果表明,氮，磷,硅的三重协同作用能够大幅提升ABS的极限氧指数,阻燃剂的质量分数为30%时,ABS的极限氧指数可提高至27.0%,达到难燃材料的级别。除了有机阻燃剂外,无机阻燃剂也常用于聚烯经的阻燃改性中,其中,以聚氯乙烯的改性最为常见。虞华东等在聚氯乙烯中添加了硅系无机阻燃剂蛭石,结果表明,蛭石的加入可以明显改善聚氯乙烯的阻燃性能,且随着蛭石含量提高,聚氯乙烯的极限氧指数也相应提高。当蛭石质量分数为55%时,聚氯乙烯的极限氧指数提高至26.8%。除此之外,无机阻燃剂通常为金属氧化物、金属氢氧化物以及金属盐类。刘立华等以氢氧化铝为阻燃剂对聚氯乙烯进行了阻燃改性,结果表明,氢氧化铝的加入能够有效提高聚氯乙烯的极限氧指数,且随着氢氧化铝用量的增加,聚氯乙烯的极限氧指数也随之提高。当氢氧化铝质量分数为37.5%时,聚氯乙烯的极限氧指数由21.5%提高至28.5%,其阻燃效果明显优于蛭石。周生刚在聚氯乙烯基体中添加了不同比例的三氧化二锑,成功实现了聚氯乙烯的阻燃改性。结果表明,当在聚氯乙烯基体中添加微米级三氧化二锑粒子后，粒子不易发生团聚,但由于微米级粒子比表面积较小,因此阻燃改性效果有限,当微米级三氧化二锑粒子质量分数为3.00%时,聚氯乙烯的极限氧指数提高至27.0%;然而,当三氧化二锑粒径为纳米级时,通过对其团聚现象进行改善,粒子比表面积极大提高,阻燃效果有也明显改善,三氧化二锑质量分数仅为1.85%时,便能制备出极限氧指数为27.0%的聚氯乙烯。无机阻燃剂还常与少量的金属粉末复配使用。虞华东等将蛭石作为主阻燃剂,然后在其中复配了硫酸钡和钢渣粉,这种复配阻燃剂的阻燃效果明显优于蛭石单独作阻燃剂的效果。结果表明,当蛭石和钢渣粉的质量分数分别为24%和57%时,聚氯乙烯的极限氧指数可以提高至29.6%;而当利用等含量的硫酸钡替换钢渣粉后,聚氯乙烯的极限氧指数又得到进一步提升，达31.0%。另外,有机无机阻燃剂复配使用,不同类型阻燃剂之间的协同效应能够更加有效地提升材料的阻燃性能。虞华东等在上述复配阻燃及中加入质量分数为0.01%的羟基锡酸锌,就可将聚氯乙烯的极限氧指数进一步提高至35.8%。

综上可知,在通用塑料的阻燃改性过程中,掺杂共混改性手段的可操作性更强,而加入有机阻燃剂、无机阻燃剂和复配型阻燃剂都能在一定程度上提高材料的阻燃特性。相比之下,复配阻燃剂的效果更好,在后续的研究和应用中,复配阻燃剂改性的通用塑料应用也将更为广泛。

3阻燃型工程塑料研究进展

与通用塑料相比,工程塑料如聚氨酯、环氧树脂、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)等的力学性能通常更加优异,成本更高,在建筑工程领域常用于特殊的领域。掺杂改性也同样可以用于工程塑料的阻燃改性。Ye Yuhua等在氰酸树脂中添加了一种含硅和磷的协同阻燃剂,并利用氰酸树脂中原本含有的氮与硅和磷之间的三重协同作用对其进行阻燃改性,当阻燃剂质量分数为5%时,氰酸树脂的极限氧指数可达37.0%。Lv Qiang等在环氧树脂中添加了一种含有氮和磷的有机阻燃剂,实现了对环氧树脂的阻燃改性。结果表明,当阻燃剂质量分数为20%时,环氧树脂的极限氧指数为28.0%。

结语

综上，阻燃高分子材料已广泛应用在工业领域中，开发新型阻燃高分子材料，除了有助于人们生活生产中安全性的提升之外，还可节约能源，加速新兴工业的迅猛化发展。当当前，在研究高分子阻燃材料上，多集中在开发环境友好型无卤材料，随着技术水平的不断提升，各种高效阻燃高分子材料将会诞生，且在更多领域得以应用。

参考文献：

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