阻燃高分子材料
阻燃高分子材料一般高分子材料的阻燃性能比較差，其阻燃性能主要是通過添加阻燃劑來獲得。按照化學組成，阻燃劑可分為無機阻燃劑和有機阻燃劑。無機阻燃劑主要包括無機矽系阻燃劑、納米無機物阻燃劑、石墨阻燃劑、無鹵阻燃劑等；而有機阻燃劑主要是指有機矽系、鹵系等阻燃劑。目前我國使用的阻燃劑主要以有機鹵系阻燃劑為主，儘管它與有機高聚物相容性好，阻燃效果好，添加量很少，對材料的其他性能影響很小，但在燃燒過程中發煙量較大，且釋放出有毒性、腐蝕性的鹵他氫氣體。與有機阻燃劑不同，無機阻燃劑雖具有無鹵、無毒、低煙等優點，但卻存在添加量大且與基材親和力差的缺點，對材料的加工和力學性能影響很大。下面介紹幾種典型的、新發展的阻燃高分子複合材料。.l 幾種典型的阻燃複合材料
(1)添加型矽系阻燃複合材料添加型矽系阻燃複合材料在阻燃材料中占有重要的地位，添加型矽系阻燃劑分為有機矽系阻燃劑和無機矽系阻燃劑兩大類。有機矽系阻燃劑的研究主要通過改進分子結構、提高分子量等來提高阻燃效果，改善成炭性能和被阻燃材料的加工及物理力學性能。無機矽系阻燃劑的研究，主要是提高其與被阻燃材料的相容性和增加阻燃效率。有機矽系阻燃劑是一種高效、低毒、防熔滴、環境友好的非鹵阻燃劑，也是一種成炭型抑煙劑。成炭技術是阻燃技術的新發展方向之一。一般通過添加成炭劑促進成炭或者促進交聯反應產生炭層而達到阻燃目的。據相關報導，加入AI(OH)3或Si02可提高聚丙烯膨脹體系的絕熱性能，但極限氧指數(LOI)卻下降；添加一定量的有機矽化合物可使蜂窩狀炭結構更加穩定和緻密，提高了聚丙烯的極限氧指數。用Mg(OH)2阻燃乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)時，加入有機矽能改善Mg(OH)2在EVA中的分散性並增加炭化殘渣的生成量，進一步提高EVA/Mg(OH)2有機矽體系的氧指數。所以，有機矽系阻燃劑能促進炭的生成，提高炭層的穩定性和改善炭層結構，該炭層還具有一定的抑煙作用。
無機矽基添加劑（如二氧化矽）常用作填料。最近的研究發現，一定條件下，無機矽化合物無論作為聚合物的添加劑，還是與聚合物組成共混體，均具有較好的阻燃作用，但一般要與其他添加劑配合使用。由於無機矽化合物資源豐富，取材方便，其阻燃的高聚物大多無毒少煙、燃燒值低、火焰傳播速度慢，對此人們進行大量研究，已研製出的阻燃系統有二氧化矽、玻璃纖維、徽孔玻璃和低熔點玻璃、二氧化矽／氯化錫、矽凝膠／碳酸鉀、矽酸鹽（如3Mg02•4Sio2•H2O、滑石、矽酸鋁）、聚磷酸銨(APP)、水合矽化合物/APP、矽氧烷／硼等，後兩種主要用作阻燃氯助劑。
有些無機矽系阻燃材料燃燒時，生成的二氧化矽在體系表面形成無定形矽保護層。NIST的研究人員發現：二氧化矽凝膠／碳酸鉀阻燃體系阻燃多羥基化台物（如聚乙烯醇、纖維索等）燃燒時，如果生成多配位有機矽化合物，則引起聚合物交聯，而形成的含矽化合物茌燃燒時有可能生成含有Si-O-C鍵和Si-C鍵的保護炭層。在不含氧聚合物[如聚丙烯、苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)、尼龍66等]中加入二氧化矽凝膠／碳酸鉀阻燃體系，燃燒時生成碳酸鉀玻璃保護層；當體系中加入矽化合物和硼酸鋅，燃燒時則產生矽酸硼玻璃態物質。
(2)阻燃聚合物／無機物納米複合材料20世紀80年代末及90年代初興起的聚合物／無機物納米複合材料開闢了阻燃高分子材料的新途徑，被國外有的文獻譽為塑膠阻燃技術的革命。所謂聚合物／無機物納米複合材料，是將以特殊技術製得的納米級（至少有一維尺寸小於1OOnm）無機物分散於聚合物基體（連續相）中形成的複合材料。當基體中無機物組分含量為5%～lO%時，由於納米材料極大的比表面積而產生的一系列效應，使它們具有較常規聚合物／填料複合材料無法比擬的優點，如密度小、機械強度高、吸氣性和透氣性低等，特別是這類材料的耐熱性和阻燃性也大為提高。因此，以聚合物／無機物納米複合材料作為阻燃材料，不僅有可能達到很多使用場所要求的阻燃等級，而且能夠保持甚至改善聚合物基材原有的優異性能。
目前人們已經研究了多種阻燃的聚合物／無機物納米複合材料，如PBT/黏土納米複合材料、PP/CaC03納米複合材料、環氧樹脂／黏土納米複合材料、聚毗咯／含矽無機物納米複合材料、聚合物／層狀矽酸鹽(LS)納米阻燃複合材料。其中聚合物/LS納米複合材料(PSN)是目前研究最多、電是最有希望工業化的聚合物／無機物納米複合材料。納米級層狀矽酸鹽添加劑量少（一般為基材質量的2%～5%），分散性好；添加劑與聚合物之間接觸面積極大且存在二者界面間的化學鍵，因而它們具有理想的粘接性能。所以，複合材料無遷移，無污染，阻燃性能較好；更重要的是其擁有聚合物／無機物納米複合材料特有的性能，這是常規阻燃添加劑無法比擬的。但PLS存在一些問題亟待解決，如PLS與常規阻燃劑配合使用後複合體系的力學性能只有部分改善，而不像常規的PLS的韌性、疆度、彎曲等性能均有提高。自從日本豐田公司報導用插層法製備了PA/LS納米複合材料後，國內外對LS納米複合材料的研究異常活躍。製備PSN的方法很多，但目前採用最多的是插層複合法(intercalationcompounding)。根據複合過程，該法又可分為插層聚合法(intercalationpolymerization)及聚合插層法(polymerintercalation)兩種。前者系將單體分散，插層進入層狀矽酸鹽片層中進行原位(in-situ)聚合，並使矽酸鹽片層剝離（delaminate或exfoliate）而實現片層與聚合物基體以納米尺度複合。後者是將聚合物熔體或溶液與層狀矽酸鹽混合，再使矽酸鹽剝離成納米級片層並均勻分散於聚合物基體中。所製得的PSN有兩種類型的結構，一為插層型，一為剝離型。插層型可作為多向異性材料，而剝離型則為強韌型材料。
日本的大日本油墨公司，美國的Cornell大學、Michigan州立大學和中國科學院化學研究所等均進行了大量研究，已製備出以PA、PS、PET、PBT、PP、環氧樹脂、矽橡膠為聚合物的基質、以LS為無機物的納米複合材料，並在其基礎理論和套用方面取得了一系列進展。對聚合物/LS納米複合材料而言，當LS添加量小於5%時，即可明顯改善材料的阻燃性。所有含蒙脫土(MMT)的納米複合材料，其可燃性均可降低。此類材料阻燃機理的很多問題尚未為人所知，一旦阻燃機理被揭示，聚合物/LS納米複合材料不僅會具有含添加型阻燃劑高聚物的良好阻燃性能，而且會同時改善材料的物理機械性能而成為新一代阻燃高分子材料。納米級LS（或其他無機物）既可單獨作為添加型阻燃劑，也有可能與其他添加型阻燃劑並用。
(3)石墨阻燃複合材料膨脹型阻燃劑(IFR)被認為是實現阻燃劑無鹵化的很有希望的途徑之一。可膨脹石墨是近年來出現的一種新型無鹵阻燃劑。楊永芳等以LDPE(112A)、聚乙烯接枝馬來酸酐、天然鱗片石墨和可膨脹石墨經過混合、Branbender塑化、壓制等工藝製得複合材料，對製品的力學性能和阻燃性能做了分析和研究。研究發現，隨著石墨含量的增加，複合材料的力學性能逐漸增大。這是因為石墨具有增強作用，當把它們加入到複合體系中後，它們促使大分子鏈之間形成了交聯結構，因此，複合材料的拉伸強度隨石墨含量的增加而增加。隨著石墨含量的增加，複合材料的氧指數也相應地增加，其複合材料阻燃性能也越好。這主要是因為共混體系中石墨（可膨脹石墨、膨脹石墨）具有吸附作用，當它們與聚乙烯共混後形成了網路結構，因而，在燃燒過程中起到一定的骨架支撐作用，使得試樣燃燒時無滴落，減緩了燃燒的趨勢；而且加入石墨（可膨脹石墨、膨脹石墨）後，由於固相炭核的數量增加，它與聚乙烯燃燒時生成的水以及環境中的水蒸氣發生反應生成了C02，所以降低了火焰的強度，增強了氣相阻燃作用。
(4)無鹵阻燃複合材料為了防止燃燒產生的煙霧所帶來的二次災害，人們對無鹵阻燃材料的使用愈來愈重視，尋求綜合性能好的高效無鹵阻燃體系，對開發無鹵阻燃材料是極為重要的問題。謝大榮等用熱分析方法研究了氫氧化鋁／ZD（一種有機矽）複合添加劑對EVA阻燃性的影響，並對其力學性能進行了探討。研究結果表明，摻混工藝對EVA複合材料的力學性能有極大的影響；在EVA體系中只需加入65～lOO份氫氧化鋁/ZD複合添加劑，即可起到顯著的效果，使該體系表現出不滴落、低煙，0I>32%，aΒ>1OMPa，εΒ>400%。
無鹵系阻燃劑的主要品種是氫氧化鋁、氫氧化鎂和三氧化二銻等。Mg(OH)2和AI(OH)3在日本是作為非鹵阻燃劑，自20世紀80年代以後開始實用化的，它們都是在高溫時發生脫水反應，吸熱降溫起阻燃作用的。AI(OH)3單位質量吸熱較大，但在245～320℃幾乎完全脫水，故只適用於熱分解溫度較低的塑膠。Mg(OH)2脫水溫度較高(340～490℃)，故可用於高溫分解型塑膠。美國開發的氫氧化鎂產品Zerogen15，其分散性良好，加工溫度可達322℃，用於尼龍等工程塑膠；另一產品Halofree22可用於加工溫度低於2OOC的聚合物。大連理工大學研製的新型氫氧化鎂，也具有優良的阻燃性能和明顯的補強效果。
2 高分子裝飾材料阻燃與抑煙
由於重大火災的頻發而引起建築、高分子材料、裝飾裝修、塑膠製品加工行業及有關政府部門對高分子裝飾裝修材料的阻燃和抑煙技術的重視。從因高聚物而發生的重大火災中可以看出，許多人在火災中傷亡，首先是由於有毒氣體和煙霧窒息所造成。與紙張、棉纖製品、木材等天然有機材料相比，有些塑膠製品並不易燃。棉纖維的氧指數為18.4%，羊毛為25.2%，尼龍纖維為20.1%，滌綸為20.6%，而PVC纖維的氧指數達到37.1%，且PVC還有自熄特性（在無火焰助燃的情況下能自熄），如對PVC再進行阻燃處理，其阻燃性還會明顯提高。但是，在缺氧和不完全燃燒的情況下，高聚物的發煙量要遠遠超過天然的棉、毛纖維，如：棉和人造絲的視野減少率均為4%、尼龍為6%、羊毛為18%，而PVC纖維為34%、腈綸纖維為97%。因此，在高聚物材料的阻燃技術中，抑制高聚物在燃燒過程中的發煙量是極為重要的技術要點。
(l)PVC塑膠的阻燃PVC塑膠是在門窗、管材、電線電纜、防水卷材、地面材料、建築型材、線材、家具等建築裝飾裝修材料中用量最大塑膠品種。
它的含氯量為56%左右，氧指數為40%左右，是一種阻燃性能較好、具有自熄性的塑膠。但是為了方便加工和套用，往往要在其中加入一定數量的增塑劑，而多數增塑劑是易燃的，因而某些軟質的PVC塑膠就因此失去阻燃特性而成為可燃材料。
在高聚物中加入阻燃劑確實可提高高聚物的阻燃、耐燃性，但是氯類阻燃劑及三氧化二銻等阻燃劑卻會導致高聚物在燃燒時放出大量煙霧和毒氣，這正是它的致命弱點,所以在對高聚物採取添加阻燃劑，提高其阻燃性的同時，必須要抑煙和遏制有毒氣體的發生量。
高聚物阻燃中的抑煙技術，一般分為物理法和化學法兩種：物理法抑煙採用疊層、包覆、塗覆、堵塞等物理手段來隔絕火焰與高聚物的直接接觸，以阻止火焰和熱量的傳人，減少和延緩高聚物的分解、煙氣的發生和逸出；化學法主要是添加無機填充劑、抑煙劑和5/6氣體捕捉（吸收）劑等。例如，在PVC中添加鉬化合物，在PU中添加各種有機酸，在橡膠中添加氫氧化鋁、氨氧化鎂等，都能有效地抑制煙氣的發生。另外，以水合氧化物為代表的無機填充劑，在抑煙方面有很好的效果，如水合氧化鋁、水合氧化鎂等，一般稱之為抑煙劑。
CaC03是PVC極好的HCI氣體捕捉劑，它在800～1000℃極易與HCl氣體反應生成穩定的CaCI2而殘留在燃燒後的碳化層中，它的作用隨著添加量的增大而增大，粒徑越細對HCl氣體的捕捉能力也越強，所以若將少量的納米CaCO2加入PVC巾，既能起到吸收HCI氣體的作用，又能改進PVC的物理力學性能。阻燃和低煙、低毒對於高聚物是一對不易解決的矛盾，開發研製既阻燃又在一旦失火時“低煙”、“低毒”的新配方，而價格又能被市場接受的高聚物新材料是當前世界不斷研究的課題。
