阻燃材料与技术

阻燃技术：采用合适的化学物质（阻燃剂、改性剂）或合成技术（引入阻燃结构单元）从本质上改善聚合物材料的热物理和化学性质而使其成为火灾惰性材料，或者为材料本身提供外在隔热隔氧保护层而使其免于发生燃烧的一系列科学方法于手段。

耐火极限：对任一建筑构件，按照时间—温度标准曲线进行耐火试验，从受火作用时起，到构件失去稳定性或完整性或绝热性时止，这段抵抗火的作用时间，称为耐火极限，通常用小时（h）来表示。

阻燃材料：阻燃材料是一种保护材料，它是能够阻止燃烧而自己并不容易燃烧的材料，也简称为阻燃剂，在需防火墙体等各种材料表面上如果涂上阻燃剂，它能保证在起火的时候不被烧着，也不会使得燃烧范围加剧、扩大。

钢结构不耐火的原因是什么？

答案：，钢的内部晶体组织对温度非常敏感，温度升高或者降低都会使钢材性能发生变化，钢结构通常在450℃～650℃时就会失去承载能力，发生很大的形变，导致钢柱、钢梁弯曲，结果因变形过大而不能继续使用。钢材虽然是不燃材料，但在火灾高温作用下，其力学性能如屈服强度、弹性模量等却会随温度升高而降低，在550℃左右时，降低幅度更为明显，一般在15分钟左右就会丧失承重能力而垮塌。

高聚物随温度变化有3种物理状态。（1）玻璃态（2）高弹态（3）黏流态：

高聚物裂解后生成的产物有：可燃性气体、不燃性气体或低燃值气体、液体、固体、烟。火灾烟气的主要危害有哪些？答案：烟的直接危害有两种：一是降低可见度，二造成呼吸困难。烟妨碍消防人员进入火灾地点抢救，更使得火灾现场的人员难于疏散和逃离火场。在很多实例中，当温度还没有达到人体不能承受的水平时，烟的浓度已经产生严重的危害，给逃生人员造成恐惧，因此失去了逃生时间，同时烟的刺激性和有毒性使得人丧失知觉，不能逃离现场。高分子聚合物燃烧过程是什么？答案：高聚物热裂解产物的燃烧是按自由基链式反应进行的1.链的引发2.链的增长3.链的支化4.链的终止气相阻燃机理：指在气相中抑制（中断或延缓）在反应中起增长作用自由基而发

挥的阻燃作用。凝聚相阻燃机理：是指在固相或液相中阻止高聚物的热分解和释放出可燃气体而发挥阻燃作用。中断热交换阻燃：将聚合物产生的热量带走而不反馈到聚合物上，使聚合物不再不断分解。协效阻燃机理：指由两种(其中一种为阻燃剂,另外一种为协效剂)或两种以上组分组成的阻燃体系。极限氧指数（LOI）：是指聚合物在氧和氮混合气体中当刚能支撑其燃烧时氧的体积分数浓度。是表征材料燃烧行为的指数。

物质燃烧需要三个条件是：必须有可燃物；助燃物；点火源

高聚物阻燃作用是什么？(1)吸热效应。通过分解吸热或热分解产生不燃性挥发物的汽化热，使高聚物材料的温度上升发生困难。(2)捕捉自由基。捕捉燃烧反应的活性中间体HO·、H·、·O·、HOO·等，抑制自由基连锁反应。（3）覆盖效应。在较高温度下生成稳定的覆盖层，或分解生成泡沫状物质，覆盖于高聚物材料的表面，隔绝热、氧传递。

（4）稀释效应。受热分解时能够产生大量的不燃性气体，将可燃性气体和氧气

稀释而达到不可燃。（5）协同效应。单独使用并无阻燃效果或阻燃效果不大，多种材料并用就可起到增强阻燃的效果。6）抑烟作用。抑制可燃性气体产生。

气相阻燃机理的化学作用和物理作用是什么？气相阻燃机理的化学作用：减少和终止燃烧链反应实现阻燃。气相阻燃机理的物理作用：（1）密度大的蒸气能较长时间停留在燃烧区，可稀释可燃性气体，且覆盖在高聚物表面可隔热、隔氧(“毯子”效应)。（2）阻燃剂的物理反应如为吸热反应，可有效地降低高聚物的温度和分解速度。（3）阻燃剂材料受热或燃烧时生成细微粒子，它们能促进自由基相互结合已终止链式燃烧反应。（4）生成的炭层可将高聚物封闭，阻止可燃性气体从聚合物内逸出和进入火焰区。（5）阻燃剂发生脱水或炭化，释放出的水蒸发时吸热可降低燃烧温度，同时非燃水蒸可以对可燃气体进行稀释。（6）在一些阻燃高聚物的系统中，系统能吸收高聚物裂解生成的可燃气体燃烧时所放出的能量，会引起燃烧中断。

卤---锑阻燃机理是什么？在高温下三氧化二锑与卤化氢反应生成三卤化锑或卤氧化锑，而卤氧化锑又可在很高的范围内继续分解为三卤化锑。生成的卤（氯）氧化锑又可继续分解

为三卤（氯）化锑。在更高温度下，固态三氧化二锑可气化。上述反应生成的三卤化锑（SbX3）可捕获气相中的活性自由基，改变气相中的反应模式，抑制燃烧反应进行。

磷系阻燃剂阻燃作用：①抑制火焰；②熔流耗热；③含磷酸形成的表面屏障；④酸催化成炭；⑤炭层的隔热、隔氧。卤系阻燃剂阻燃机理答：当阻燃剂中不含有氢受热时分解出卤素自由基可与聚合物热分解产物直接生成卤化氢如果卤系阻燃剂含有氢则同样分解出卤化氢及也能捕捉燃烧反应中的活性自由基使燃烧减缓或终止膨胀型阻燃剂的阻燃机理：膨胀型阻燃体系主要成分可分为酸源、碳源、气源三个部分。Al(OH)3阻燃机理是什么？Al(OH)3分子结构中实际不含水合水，它们受热时释出的水是由于键合于金属的羟基分解生成的，释水起始温度为200℃，释水量可达34%（分解为Al2O3)，释水时吸热1170kJ/kg。对MH，此三值分别为330℃，31%（分解为MgO)，1370kJ/kg。ATH能冷却被阻燃的基质，使其温度降至维持燃烧所必需的温度以下。这类吸热分解能产生水蒸气或其它不燃气体，它能稀释气相中的可燃物浓度，而热分解生成的残余物又可作为保护层，使下层基质免遭热破坏。吸热机理通过冷却、稀释和隔热等三种物理作用来阻燃，其效率远不如化学阻燃高。

阻燃剂：阻燃剂是用以提高材料抗燃性，即阻止材料被引燃及抑制火焰传播的助

阻燃剂的基本要求是什么？答案：①阻燃效率高，获得单位阻燃效能所需的用量少。即效能／价格比高。②本身低毒或基本无毒③与被阻燃基材的相容性好，不易迁移和渗出。被阻燃材料可回收和循环使用。④具有足够高的热稳定性⑤不致过多恶化被阻燃基材的加工性能和后产品的物理机械性能及电气性能。⑥具有可接受的光稳定性。⑦原料来源充足，制造工艺简便，价格低廉。微胶囊化红磷：指在红磷表面包覆一层或多层保护膜，此包覆层不但可以防止RP颗粒与氧及水接触而产生的磷化氢，而且可以避免红磷由于冲击加热而引起自燃。包裹RP在聚合物燃烧时，囊材破裂，发挥RP的阻燃作用

防火涂料：施用于可燃性基材表面，用以改变材料表面燃烧特性，阻滞火灾迅速蔓延；或施用于建筑构件上，用以提高构件的耐火极限的特种涂料。防火涂料的防火原理(五点)是什么？⑴、防火涂料本身具有难燃性或不燃性，使被保护基材不直接与空气接触，延迟物体着火和减少燃烧的速度。⑵具有较低的导热系数，可以延迟火焰温度向被保护基材的传递。⑶、防火涂料受热分解出不燃惰性气体，冲淡被保护物体受热分解出的可燃性气体，使之不易燃烧或燃烧速度减慢。⑷、含氮的防火涂料受热分解出NO、NH3等基团，与有机游离基化合，中断连锁反应，降低温度。⑸、膨胀型防火涂料受热膨胀发泡，形成碳质泡沫隔热层封闭被保护的物体，延迟热量与基材的传递，阻止物体着火燃烧或因温度升高而造成的强度下降。防火涂料按防火形式来分为：非膨胀型防火涂料和膨胀型防火涂料。

制备膨胀防火涂料时需要以下四种基本成分：成膜剂或粘接剂、酸源、发泡剂、碳源。

钢结构的防火原理是什么？钢结构防火保护的原理是采用绝热、耐火材料阻隔火焰直接灼烧钢结构，降低热量向基材迅速传递的速率，推迟钢结构温升、强度变弱的时间。防火原理：①涂层对钢基材起屏蔽作用，隔离了火焰，使钢构件不至于直接暴露在火焰高温之中；②涂层吸热后部分物质分解放出水蒸气或其它不燃气体，起到消耗热量、降低火焰温度和燃烧速率、稀释氧气的作用；③涂层本身多孔轻质或受热膨胀后形成炭化泡沫层阻止了热量迅速向基材传递，推迟了钢基材受热、温升到极限温度的时间，从而提高了钢结构的耐火极限。电缆防火涂料阻燃机理是什么？电缆防火涂料一般由叔丙乳液水性材料添加各种防火阻燃剂、增塑剂等组成，涂料涂层受火时能生成均匀致密的海绵状泡沫隔热层，能有效地抑制、阻隔火焰的传播与蔓延，对电线、电缆起到保护作用。隧道防火涂料的作用机理是什么？对于隧道防火涂料，首先其自身应具备难燃或不燃性，依靠防火涂料的低导热性或涂层中材料的吸热性，延缓钢筋的升温。防火机理：①在高温或火焰作用下，阻燃剂(如ATH)发生吸热反应必释放结晶水，减缓升温速率，阻止分解和燃烧过程的继续；②高温下阻燃剂分解出自由基链式反应的阻断剂，捕获热分解过程中产生的自由基，使燃烧过程得以终止；③阻燃剂分解形成不挥发的覆盖层，隔绝可燃物和氧的接触，并形成牢固的固化层；④催化可燃物发生脱水和炭化作用，形成炭化层,阻碍热的传导，使外部火源不能直接作用在被保护基材上。

纤维长宽比在103倍以上、粗细为几微米到上百微米的柔软细长体，有连续长丝和短纤之分合成纤维以石油、煤、天燃气及一些农副产品为原料制成单体，经化学合成为高聚物，纺制的纤维 ①涤纶：指大分子链中的各链节通过酯基相连的成纤聚合物纺制的合成纤维；②锦纶：指其分子主链由酰胺键连接起来的一类合成纤维；③腈纶：通常指含丙烯腈在85%以上的丙烯腈共聚物或均聚物纤维；④丙纶：分子组成为聚丙烯的合成纤维；⑤维纶：聚乙烯醇在后加工中经缩甲醛处理所得的纤维；⑥氯纶：分子组成为聚氯乙烯的合成纤维；⑦其他的还有乙纶、氨纶、乙氯纶及混合高聚物纤维等。

纤维的燃烧经历了如下三个阶段：阶段为热引发阶段，来自外部热源或火源的热量首先导致纤维材料发生相态变化和化学变化。第二阶段纤维热降解过程，这一过程为吸热反应，当外部热量足以克服纤维分子内原子间键合能时，纤维材料开始降解或热解。一般而言，纤维材料的热降解反应是按自由基链式反应方式进行的，氧的存在是不可缺少的条件，其结果得到气相或固相产物，气、固相产物的组成往往因纤维材料的聚合物类别不同而异，气相产物可能由聚合物单体、各种易燃烃类及不燃性气体组成，固相炭质残余物可能是交联反应的产物。第三阶段是引燃阶段，热降解阶段产生的可燃性气体与氧气充分混合，当达到着火极限或受外界因素的影响，如火焰、火花、炽热余烬刺激足以使可燃性气体自燃的环境温度，都能诱发纤维材料的燃烧。燃烧部分的纤维材料所释放的部分热量可通过传导、辐射和对流的方式被另外一部分纤维材料吸收，导致热降解过程发生并挥发可燃性气体。

纤维高聚物燃烧必需具备下列条件:1)高聚物分解产生可燃性气体;2)有氧气(氧化剂)存在;3)有热源。纤维的阻燃由燃烧过程可以看出，就是设法阻碍纤维的热分解，抑制可燃性气体生成和稀释可燃性气体，改变热分解反应机理(化学机理)，阻断热反馈回路，以及隔离空气和热环境，来达到消除或减轻燃烧三要素(可燃物质、温度、氧气)的影响，而达到阻燃目的。纤维燃烧过程，主要有以下几个阻燃途径：一是移除热量二是提高热分解温度三是降低可燃性挥发物的生成。四是减少燃烧区与氧气的接触，五是改变燃烧氧化机理纤维的阻燃改性方法共聚法共混法皮芯复合纺丝法接枝共聚法阻燃后整理法

纤维的阻燃机理隔离膜机理：某些阻燃剂在高温下可在聚合物表面形成一层隔离膜以隔绝空气。起到阻止热传递、减少可燃性气体释放量和隔绝氧的作用，从而达到阻燃目的

生成不燃性气体机理：阻燃剂受热分解出不燃性气体，将纤维燃烧分解出来的可燃性气体浓度冲淡到能产生火焰浓度以下，使火焰中心氧气供应不足，又由于气体的生成和热对流带走了一部分热量，从而达到阻燃作用冷却机理：阻燃剂发生吸热脱水、相变、分解或其它吸热反应，降低纤维表面及燃烧区域的温度。防止热降解进而减少可燃性气体的挥发量，终破坏维持聚合物燃烧的条件，达到阻燃目的。铝、镁及硼等无机阻燃剂颇具代表性

催化脱水机理：阻燃剂在高温下，生成具有脱水能力的羧酸、酸酯等，与纤维基体反应促进脱水炭化，减少可燃性气体的生成。自由基控制机理：有机物在燃烧过程中产生的自由基能使燃烧过程加剧，如能设法捕获并消灭这些游离基，切断自由基连锁反应，就可以控制燃烧。达到阻燃的目的。卤系阻燃剂的阻燃机理属于此类，含卤化合物在高温下裂解成卤素自由基，它与氢自由基结合就中止10℃时，木材蒸发出少量树脂；3当温度达到130℃时，木材中的纤维素分解，产生不燃气了连锁反应，减缓了燃烧速度。木材的燃烧过程1当木材接触火时，首先析出水分。2当温度在1体和水蒸气；4当温度达到220～250℃时，木材开始变色并炭化，主要产物为H2、CO和烃类物质；5当温度达到300℃以上，发生剧烈的热分解，析出大量可燃气体，使木材开始燃烧

木材阻燃剂应该具有如下特点1)阻燃效力高2)阻燃剂本身无毒,3)阻燃性能持久4)吸湿性低,阻燃木材的尺寸稳定性好；5)木材的物理力学性能和工艺性能基本不受影响；6)具有防腐、防虫性能；7)木材的视觉、触觉和调节等环境学特性基本不受影响；8)成本低廉,来源丰富,易于使用。

木材阻燃机理覆盖机理热机理气体稀释机理自由基捕获机理成炭机理木材阻燃处理方法物理阻燃法化学阻燃法化学阻燃法一般分为2种方法：表面涂敷法、浸渍法。燃烧过程当温度达到300℃以上，木材横切面方向出现小裂纹，内层析出的挥发物能容易从木材表面逸出，随着炭化深度的增加，裂缝逐渐加宽，并发生剧烈的热分解，析出大量可燃气体，木材开始燃烧。400～500℃时，木材成分完全分解。

热塑性树脂分子链结构为线型或带支链型的，受热后可塑化（或称软化、熔化）和流动，并可多次反复塑化成型。热固性树脂属立体型结构的高分子聚合物，在分子链中含有多官能团大分子，在有固化剂存在和受热、加压作用下可软化（或熔化）并同时固化（或熟化）成不溶、不熔的高聚物。树脂及其燃烧过程聚乙烯由乙烯聚合而成的高聚物。纯品为乳白色，半透明，手感似蜡。主要用于制造管道、容器、包装薄膜和日用品等。家庭中广泛使用的塑料桶即为聚乙烯所制。聚乙烯加热至150℃时，可分解产生酸、酯、不饱和烃、过氧化物、一氧化碳、甲醛、乙醛等挥发性混合物。加热至210-250℃时生成的混合气体有甲醛（刺激黏膜）、不饱和烃、有机酸、有机氯化物、一氧化碳（碳氧血红蛋白）等有毒气体，大量吸入能引起中毒。聚乙烯塑料易燃烧（燃点341℃），燃烧时火苗底部为蓝色，顶部为黄色，并有石蜡燃烧的气味。酚醛树脂酚醛树脂又称电木，亦系热固性塑料。受热不变软。一般为深色，如黑色、棕色等。主要用于电气工业及机械制造业等。可制成层压板、仪表外壳、机械零件、电气开关等。酚醛树脂难以燃烧，在火中呈黄色火焰，离火后即熄灭。燃烧后塑料开裂，色加深，有浓甲醛味。酚醛塑料在加热至540℃时可产生一氧化碳、醛、二氧化碳和氨。若浓度较高可引起中毒。橡胶的燃烧过程橡胶的燃烧一般可分为点燃和火焰传播两个阶段。①点燃：分解产生的可燃性气体达到一定数量时，若与火焰接触并达到其可燃点，会有火焰燃烧，此阶段称作点燃。②火焰传播阶段：橡胶的燃烧反应，是链式自由基反应。

按照来源分类，分为天然橡胶与合成橡胶二种。橡胶阻燃的6种重要途径：

1.加入一种可以捕捉自由基HO?的物质，从而中断反应（1）的反应；如卤系阻燃剂于200~300℃分解放出HX，捕获高能H?和HO?；2.加入一种物质，能够改变橡胶的热分解行为，减少焦油、可燃气体的产生量，促进炭质层的形成，从而降低橡胶的燃烧性能。如膨胀型防火涂料的脱水催化剂；3.加入受热时能吸收热量且产生不燃气体的物质。NH4Cl=HCl+NH3(反应在加热时候进行；4.加入受热时能分解产生粘稠不燃物，均匀覆盖在橡胶表面，从而使得橡胶与空气中的氧气充分隔绝而中断燃烧过程。如无机磷系阻燃剂燃烧时生成磷酸、偏磷酸、聚偏磷酸等；5.促使橡胶线性大分子发生交联或增加其交联密度，增加其结晶取向等，提高其热分解温度，从而提高橡胶的热稳定性。硫化体系:促使橡胶大分子发生硫化(或交联反应)的配合体系；6.通过共聚等化学方法，在橡胶聚合物主链上导入卤素、磷、氮等阻燃元素，从而提高其阻燃性。反应型阻燃剂阻燃技术。

橡胶的配方设计一个完整的配方包括五大体系：生胶体系、硫化交联体系、填充补强体系、软化增塑体系、稳定防护体系配方表示形（1）基本配方又称质量份配方。是以生胶的用量为100质量份，其它种种配合剂的用量都用相对质量份表示。

（2）质量分数配方是以胶料总质量为100%，各组分用量均以质量分数表示。

（3）体积分数配方是以胶料产总体积为100%，配方中各组分用量均以体积分数表示。

（4）生产配方又称实用配方。是生产中实际使用的配方表示形式。其配方中各组分用量和配方总量均以kg表示，是由基本配方根据设备规格和容量换算得出来的。补强剂提高硫化橡胶扯断强度、定伸强度、耐磨性等物理机械性能。炭黑，白炭（SiO2·nH2O）超细活性碳酸钙，活性陶土填充剂增加胶料的容积，从而降低生产成本或改善加工性能。沉淀碳酸钙硫酸钡，滑石粉，云母粉聚氨酯材料的种类及用途一）聚氨酯泡沫塑料二）聚氨酯弹性体三）聚氨酯粘合剂四）聚氨酯涂料（喷涂聚脲）五）聚氨酯的其它用途聚氨酯燃烧过程聚氨酯材料的燃烧过程和其它高分子物质的燃烧过程类似，大体分为5个阶段：热量积蓄、热分解或降解与挥发、着火、热传递、蔓延。由于聚氨酯材料的热绝缘性比较好，这就容易使它的内部温度迅速升高，在达到分解温度时材料发生分解或降解与挥发，产生可燃性气体。这些气体与空气中的氧气发生化学反应，达到比较激烈的程度，引起燃烧。燃烧过程中产生的热量传递给邻近的聚氨酯材料，使之重复上面的过程，从而促使聚氨酯材料分解，这样循环下去，直到材料燃尽。

阻燃材料两大环境问题。磷酸三酯事件（称“TRIS”事件）、“二噁英类化合物”事件

阻燃材料对环境的影响1.阻燃剂生产和处理过程对环境的影响

阻燃剂本身对人类健康和环境的有无毒害作用是一个首要问题；在卤代二苯醚生产过程中，二噁英副产品以微量杂质形式存在产品中，较难检测而在使用过程中或者加工过程中缓慢释放。阻燃剂生产中使用的原料和溶剂是否对环境和健康有危害。如，生产四羟甲基氯化磷及其水解产物中，采用强毒性化合物膦(PH3)作为基本原料。

阻燃材料生产和正常使用中对环境的影响在阻燃材料生产中，粉末状阻燃剂粉尘飞扬，对操作工人是极大的威胁。引发呼吸道喉部、肺部的各类炎症。刺激皮肤，引发各类皮肤病。

阻燃材料对火灾中流出物和焚化过程的影响通过在凝聚相中促进在聚合物表面上形成焦炭或者形成玻璃状覆盖物的阻燃剂，常常减少聚合物材料的分解，从而使逸出烟量降低。通过在蒸汽相中起稀释作用或自由基捕获作用的阻燃剂，特别是含卤素阻燃剂，由于释出有刺激的酸性毒物（HX），使烟的毒性增加，特别是当它们有可能形成二噁英类物质时，更使人们对采用这些阻燃材料的担心。

阻燃材料的环保要求1.要求阻燃剂本身是无毒的，制造过程中不造成公害。

要求阻燃过程中在高温下的分解产物也是无毒的，非刺激性的，发烟量愈少愈好。

总之可归结为要求开发具有环境安全性和使用安全性的阻燃产品。

2.要求有复合功能的阻燃产品。基本的要求首先是不损害被阻燃物的原有性能，例如对高聚物不降低其力学性能、电学性能等;对纤维制品不影响其耐用性，手感，染色性与色泽的稳定等。现在在发展中的要求是在这些基本要求之上，还要有某些特定的功能。例如，要求同时其有抗静电功能的所请“双抗”的产品。

3.为了达到“阻燃设计”的目的，首先要有明确的表征各项性能的分析测试方法，在物理、化学性质的基本数据方面已有各种现代化的精密仪器分析方法，但表征有关阻燃性能的测试方法的精度还远远不够，要不断地改进提高有关阻燃性能的分析测试方法

无机阻燃剂铝、镁、硼、锑和钼等的氢氧化物和氧化物的水合物

阻燃原理：化合物受热分解，吸收大量的热，可降低聚合物表面温度；某些化合物还分解出水蒸汽，起到了蓄热和稀释聚合物表面可燃性气体浓度的作用，从而达到阻燃的目的。

稳定性好、不挥发、不析出、烟气毒性低和成本低等优点，可利用的资源丰富。

填充量大、与聚合物结合力小、相容性差和对聚合物的加工以及机械性能影响大缺点。

消耗量而言，无机阻燃剂占各类阻燃剂一半以上，居各类阻燃剂之首。YoszGovf0