淺談阻燃材料發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢分析

淺談阻燃材料發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢分析摘要：為提高電氣線路的安全水平，電纜的阻燃問題越來越引起人們的關(guān)注，電纜的阻燃化已成為電纜行業(yè)的一個綜合性發(fā)展方向。由于聚氯乙烯絕緣電纜和一些其他含鹵材料燃燒時放出大量的腐蝕性氣體和濃煙，危及人們的生命安全，所以近年來無鹵低煙電纜得到廣泛的應(yīng)用。本文分析了各種阻燃劑的種類及其阻燃機(jī)理和性能，還有阻燃電纜的概念，特性，結(jié)構(gòu)和分類。以及阻燃材料的應(yīng)用領(lǐng)域。指出了其各自存在的問題，探討了阻燃劑在國內(nèi)外的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，以及各種阻燃劑在未來發(fā)展趨勢，對今后阻燃劑的研究與應(yīng)用提出了建議。關(guān)鍵詞：阻燃材料阻燃劑發(fā)展現(xiàn)狀機(jī)理低煙無毒正文：一阻燃電纜的定義及分類㈠阻燃電纜材料的定義所謂阻燃電纜就是在規(guī)定試驗條件下，試樣被燃燒，在撤去試驗火源后，火焰的蔓延僅在限定范圍內(nèi)，殘焰或殘灼在限定時間內(nèi)自行熄滅特性的電纜。阻燃電纜主要的功效是依靠阻燃材料，阻燃材料分為有機(jī)阻燃材料和無機(jī)阻燃材料，目前阻燃材料主要利用添加阻燃劑來實現(xiàn)阻燃效果，阻燃劑現(xiàn)在種類繁多，主要有無機(jī)和有機(jī)阻燃劑，有機(jī)阻燃劑目前使用較為普遍。具有阻燃效果好、添加量少、對材料的其他性能影響小等特點，但它在燃燒過程中發(fā)煙量較大，會釋放出有毒性、腐蝕性的鹵化氫氣體。無機(jī)阻燃劑具有無鹵、無毒、低煙，熱穩(wěn)定性好、不揮發(fā)、不析出、不產(chǎn)生腐蝕性和有毒性氣體且價格便宜，可利用的資源豐富等優(yōu)點，但卻存在添加量大且與基材親和力差，阻燃效果差，對材料的加工和機(jī)械性能影響大等缺點。㈡阻燃電纜的分類及構(gòu)成根據(jù)電纜阻燃材料的不同,阻燃電纜分為含鹵阻燃電纜及無鹵低煙阻燃電纜兩大類。其中含鹵阻燃電纜的絕緣層、護(hù)套、外護(hù)層以及輔助材料（包帶及填充）全部或部分采用含鹵的聚乙烯（PVC）阻燃材料,因而具有良好的阻燃特性。但是在電纜燃燒時會釋放大量的濃煙和鹵酸氣體,鹵酸氣體對周圍的電氣設(shè)備有腐蝕性危害,救援人員需要帶上防毒面具才能接近現(xiàn)場進(jìn)行滅火。電纜燃燒時給周圍電氣設(shè)備以及救援人員造成危害,不利于滅火救援工作,從而導(dǎo)致嚴(yán)重的“二次危害”。而無鹵低煙阻燃電纜的絕緣層、護(hù)套、外護(hù)層以及輔助材料（包帶及填充）全部或部分采用的是不含鹵的交聯(lián)聚乙烯（XLPE）阻燃材料,不僅具有更好的阻燃特性,而且在電纜燃燒時沒有鹵酸氣體放出,電纜的發(fā)煙量也小,電纜燃燒產(chǎn)生的腐蝕性氣體也少,對周圍電氣設(shè)備及人身造成的危害較小,有利于滅火救援工作,因而,該電纜在國外被稱做”清潔電纜”由于無鹵阻燃電纜的價格較貴,因此在提高電纜阻燃性和降低鹵酸氣體發(fā)生量之間采取折衷的方式開發(fā)出了低鹵低煙阻燃電纜。它的含鹵量約為含鹵阻燃電纜的1/3左右。發(fā)煙量也接近于公認(rèn)的“低煙”水平。根據(jù)《電線電纜燃燒試驗方法的規(guī)定》采用成束燃燒試驗方法考核的阻燃電纜分為A,B,C三類，其中A類電纜試驗條件最苛刻)性能較B,C類更優(yōu)，價格也最貴。二阻燃電纜的機(jī)理目前國內(nèi)用量最大的塑料絕緣阻燃電纜均為含氯阻燃材料，它是以氯作為阻燃劑是電纜達(dá)到阻燃目的。含氯阻燃電纜的機(jī)理如下：RH+O2→Ro·+HO·Ho·+RCH3→RCH，·+H2ORCH2·+02→RCHO+H0·從上述反應(yīng)式中不難看出O2和HO·分別出現(xiàn)同RH有機(jī)物放出大量的熱，只要有RH有機(jī)物存在，HO·不減，燃燒現(xiàn)象不斷延續(xù)。但是它還有抑制燃燒，阻止延燃的作用，即活性羥基NO·與HCl(氯化氫)的反應(yīng)：HCI+HO·→Cl·+H20Cl·+Cl→C12HCl同HO·反應(yīng)后，生成游離的氯離子和水蒸氣，而游離的氯離子相互結(jié)合又生成氯氣，由于生成物本身不燃，而且在燃燒反應(yīng)中能稀釋空氣中的氧和活性羥基的濃度。因此，聚氯乙烯電纜能不能阻燃，完全取決于上述二方面?；瘜W(xué)反應(yīng)是哪個起主導(dǎo)作用，即取決于單位時間HO·的增加量是正還是負(fù)，當(dāng)HO·>0時就燃燒，大得越多，燃燒就越劇烈；反之亦然。為了抑制HO·的增加量，一般在普通聚氯乙烯材料中添加含鹵量大的十溴聯(lián)苯醚或氯化石蠟作為阻燃劑，使普通聚氯乙烯的氧指數(shù)達(dá)到32以上，增強(qiáng)了聚氯乙烯為基材電纜的阻燃能力。三阻燃電纜的工藝1．?dāng)D出設(shè)備阻燃電纜擠出性能和擠出設(shè)備的關(guān)系很密切，有鹵阻燃電纜料的擠出，使用長徑比L／D為20或25的螺桿都能得到理想的擠出表面。無鹵低煙阻燃電纜聚烯烴電纜料的擠出，使用長徑比L／D為20或25的螺桿也能得到較為理想的擠出表面，但相比而言，使用長徑比L／D為20的螺桿擠出的電纜表面更加光潔。這是由于長徑比越大，能改進(jìn)物料溫度分布，有利于塑料的混合和塑化，并能減少漏流和逆流，提高擠出機(jī)的生產(chǎn)能力，適應(yīng)性較強(qiáng)，但長徑比過大，會使塑料受熱時間增長，易引起降解，并增大擠出機(jī)的功率消耗，而無鹵低煙阻燃電纜料中由于加入了較多的填充材料(氫氧化鎂或氫氧化鋁)，受熱易分解而造成擠出表面變差，故采用長徑比L／D為20的螺桿擠出效果較好。另外對于無鹵低煙阻燃電纜料的擠出，螺桿壓縮比為1：1—2．5：l之間比較合適。并且采用擠出PVC用的螺桿比采用擠出聚乙烯用的螺桿擠出阻燃聚烯烴較好；這是由于壓縮比越大，螺槽深度越淺，螺旋角越小，螺桿與料桶間隙越小，對塑料產(chǎn)生的剪切力和積壓力增大，物料在螺桿中的剪切生熱也越大，易引起物料機(jī)械分解，影響擠出質(zhì)量；而擠出PVC用的螺桿壓縮比較小，螺槽深度較深，螺旋角較大，螺桿與料桶間隙較大，故一般采用擠出PVC用的螺桿擠出阻燃聚烯烴電纜料。無鹵低煙阻燃電纜料的擠出設(shè)備要有良好的冷卻裝置，因為阻燃聚烯烴擠出過程中會由于摩擦而生熱，如果沒有良好的冷卻效果，材料極易分解而影響擠出效果。2．?dāng)D出模具由于阻燃電纜料中有較多的填充物，導(dǎo)致在熔融狀態(tài)下熔體強(qiáng)度、拉伸比和熔體粘度與非阻燃電纜料的性能存在較大的差異，從而使模具的選取也有所不同。一般來說，阻燃絕緣料的擠出采用擠壓式，護(hù)套采用擠管式或半擠管式生產(chǎn)。采用擠壓式模具時由于阻燃電纜料熔體粘度大，使得機(jī)頭壓力增加，擠出制品壓得比較密實，導(dǎo)致離模時有所膨脹，故選用模具內(nèi)徑尺寸比成品的標(biāo)稱直徑小5％左右。使用擠管式或半擠管式生產(chǎn)時必須考慮拉伸比，有鹵阻燃料拉伸比為6—7左右，無鹵低煙阻燃電纜料拉伸比為2．5—3．2，理論上是拉伸比越小，表面越光潔，實踐得出擠制護(hù)套配模：模芯內(nèi)徑=繞包層外徑+(0．6～1．5)mm，模套內(nèi)徑=電纜標(biāo)稱外徑+(2—7)mm。3．?dāng)D出工藝擠出工藝主要包括擠出溫度和螺桿轉(zhuǎn)速的設(shè)置。由于阻燃電纜料擠出時會因摩擦而生熱，引起溫升，冷卻一段后會趨于平衡，所以初始溫度設(shè)定一般比正常擠出溫度低5一lO℃左右，以使擠塑穩(wěn)定時，溫度正好在材料的擠出溫度范圍之內(nèi)。般來說，無鹵低煙阻燃聚烯烴電纜料比有鹵阻燃電纜料的摩擦升溫快，工藝溫度范圍窄。擠塑時螺桿轉(zhuǎn)速也是一個重要問題，擠包阻燃電纜料時，螺桿轉(zhuǎn)速不能太快。這是由于螺桿轉(zhuǎn)速快后受到的剪切作用增大，易引起阻燃劑的機(jī)械熱分解；另外由于轉(zhuǎn)速增加，摩擦生熱量大，也會造成阻燃劑分解從而影響擠出表面質(zhì)量。對于無鹵低煙阻燃電纜料的擠出來說，螺桿轉(zhuǎn)速大時，主機(jī)電流一般比較大，導(dǎo)致電機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。四阻燃材料發(fā)展現(xiàn)狀近年來，隨著防火安全標(biāo)準(zhǔn)的日益提高和塑料產(chǎn)量的快速增長，全球阻燃劑的用量不斷增長。按照化學(xué)組成，阻燃劑可分為無機(jī)阻燃劑和有機(jī)阻燃劑，機(jī)阻燃劑主要以鹵素添加劑為主，機(jī)阻燃劑在合成材料中，除了有阻燃效果外還有抑制發(fā)煙和氯化氫生成的作用，而且賦予材料無毒性、腐蝕性和價格低廉等優(yōu)點。國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家無機(jī)阻燃劑消費量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于有機(jī)阻燃劑，如美國、西歐和日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家地區(qū)無機(jī)阻燃劑的消費占總消費量約60，我國不到因此我國發(fā)展無機(jī)阻燃劑非常緊迫而且潛力巨大。目前我國阻燃系主要品種有鹵系、鋁鎂系、磷系、鹵一磷系、硅系、硼酸鹽系等。1鋁系阻燃?xì)溲趸X是問世最早的無機(jī)阻燃劑之一，也是國際上阻燃劑中用量最大的一種。目前氫氧化鋁占全球無機(jī)阻燃劑消費量的8O%上，廣泛應(yīng)用于各種塑料、涂料、聚氨酯、彈性體和橡膠制品中，有阻燃、消煙、填充3大功能，不產(chǎn)生二次污染，能與多種物質(zhì)產(chǎn)生協(xié)同作用、不揮發(fā)、無毒、無腐蝕性、價格低廉。氫氧化鋁的阻燃機(jī)理是向聚合物中添加氫氧化鋁，降低可燃聚合物濃度；在250℃左右開始脫水，吸熱，抑制聚合物升溫；分解生成的水蒸氣稀釋了可燃?xì)怏w和氧氣濃度，可阻止燃燒進(jìn)行；在可燃物表面生成Al氫氧化鋁也存在許多不足之處包括氫氧化鋁的阻燃效果隨著添加量的增加而增強(qiáng)，但是填充量過大會降低物質(zhì)的強(qiáng)度；氫氧化鋁單位質(zhì)量吸熱量較大，分解溫度低，在245～320℃的溫度范圍內(nèi)完成脫水反應(yīng)，因此只能適用于加工溫度較低的聚合物。在現(xiàn)在和未來很長一段時間里，氫氧化鋁添加型阻燃材料將繼續(xù)作為主要的阻燃材料添加劑。2鎂系阻燃?xì)溲趸V屬于添加型無機(jī)阻燃劑，與同類無機(jī)阻燃劑相比，氫氧化鎂無論在原料來源、制備過程、廢物處理等方面都是一種環(huán)保型綠色阻燃劑，具有更好的抑炯效果，由于火災(zāi)中有80%煙窒息而死亡，因此當(dāng)代阻燃劑技術(shù)中“抑煙”比“阻燃”更為重要；氫氧化鎂的分解能高(1137kJ／g)，且熱容也高，比目前常用的無機(jī)阻燃劑氫氧化鋁的熱分解溫度高出140度，以使添加氫氧化鎂的合成材料承受更高的加工溫度，有利于加快擠塑速度，縮短模塑時間，同時亦有助于提高阻燃效率，同時氫氧化鎂與其他阻燃劑有良好復(fù)合能力，配使用可廣泛用于聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、高抗沖聚苯乙烯和ABS等塑料、橡膠行業(yè)。氫氧化鎂是一種環(huán)保綠色阻燃劑，未來前景不錯，作為阻燃材料添加劑，在未來的阻燃材料添加劑中，將會得到重視，但是價格較高。五發(fā)展趨勢1無鹵化趨勢鹵素阻燃劑因其用量少、阻燃效率高且適應(yīng)性廣，已發(fā)展成為阻燃劑市場的主流產(chǎn)品。但鹵素阻燃劑的嚴(yán)重缺點是燃燒時生成大量的煙和有毒且具腐蝕性的氣體，可導(dǎo)致單純由火所不能引起的電路系統(tǒng)開關(guān)和其它金屬物件的腐蝕及對環(huán)境的污染；對人體呼吸道和其它器官的危害甚至因窒息而威脅生命安全。近幾年，美國、英國、挪威、澳大利亞已制定或頒布法令，對某些制品進(jìn)行燃燒毒性試驗或?qū)δ承┲破返氖顾尫诺乃嵝詺怏w進(jìn)行規(guī)定，開發(fā)無鹵阻燃劑取代鹵素阻燃劑已成為世界阻燃領(lǐng)域的趨勢。無機(jī)阻燃劑(A1(OH)3等)來源豐富、價格低廉，但其阻燃效果較差，添加量大，對制品的性能影響較大，因而國內(nèi)外努力向超細(xì)化、微膠囊化、表面處理、協(xié)同增效復(fù)合化方面進(jìn)行技術(shù)開發(fā)。美國Alcoa公司、Alcan化學(xué)公司、Lonza公司和Solem公司不斷推出新品種，如Zerogen、Halfree、Hydrax、Magnifin系列等，國內(nèi)的山東鋁廠、江蘇海水研究所、北京化工大學(xué)、大連理工大學(xué)等對此進(jìn)行了研究開發(fā)，研究出阻燃性能好、粒徑小、補(bǔ)強(qiáng)效果明顯的無機(jī)阻燃劑。北京化工大學(xué)已實現(xiàn)了超細(xì)Mg(OH)類水滑石的產(chǎn)業(yè)化。紅磷阻燃效率高、用量少、適用面較廣，微膠囊化紅磷克服了紅磷吸潮、易著色、易爆炸等缺點。磷的穩(wěn)定化處理一微膠囊化技術(shù)在阻燃領(lǐng)域深受重視，英國、日本開發(fā)研制的產(chǎn)品已商品化，主要產(chǎn)品有英國AlbrightWilsom公司的AMGARDCPC、AMGARDCRP系列，日本的RINKA系列。我國北京理工大學(xué)、湘潭大學(xué)、天津合成工業(yè)研究所對此也進(jìn)行了研究開發(fā)。已有中試產(chǎn)品供應(yīng)。膨脹型阻燃劑由于具有在燃燒過程中發(fā)煙量少、無有毒氣體產(chǎn)生，被認(rèn)為是實現(xiàn)無鹵化很有希望的途徑之一2減少有害氣體趨勢據(jù)統(tǒng)計，火災(zāi)中發(fā)生的死亡事故80是由于燃燒所釋放的煙和有毒氣體的窒息造成的。研究開發(fā)新型阻燃劑，降低材料燃燒時的煙量及有毒氣體量，成為近年來阻燃領(lǐng)域中的重點研究課題之一。目前采用的抑煙劑主要以金屬氧化物、過渡金屬氧化物為主，主要有硼酸鋅、鉬化合物(三氧化鉬、鉬酸銨)及其復(fù)配物、鎂一鋅復(fù)合物、二茂鐵、氧化錫、氧化銅等，主要產(chǎn)品有美國Broax公司Firebrake硼酸鋅系列、XP系列，Climax公司的MolyFR鉬酸鹽系列，can公司提供的兩種含錫及其它元素的Flare—tardh和Flamtards等。此外，某些無機(jī)填料（Mg(OH)2)同時具有阻燃抑煙的功效，膨脹型阻燃劑的多孔炭層也具有阻燃和抑煙的雙重作用。六結(jié)語阻燃劑已經(jīng)隨著高分子材料的廣泛應(yīng)用而得到了很大發(fā)展，并且隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，新型阻燃劑品種不斷出現(xiàn)，一些新興技術(shù)也被不斷地應(yīng)用于阻燃劑的研究和生產(chǎn)。目前我國使用的阻燃劑主要以有機(jī)鹵系阻燃劑為主，它具有與有機(jī)高聚物相容性好、阻燃效果好、添加量少、對材料的其他性能影響小等特點，然而它在燃燒過程中發(fā)煙量較大，釋放出有毒性、腐蝕性的鹵化氫氣體。與有機(jī)阻燃劑不同，無機(jī)阻燃劑具有無鹵、無毒、低煙，熱穩(wěn)定性好、不揮發(fā)、不析出、不產(chǎn)生腐蝕性和有毒性氣體且價格便宜，可利用的資源豐富等優(yōu)點，但卻存在添加量大且與基材親和力差，阻燃效果差、對材料的加工和機(jī)械性能影響很大等缺點。綜合阻燃劑的優(yōu)劣，人們越來越傾向于選擇使用無機(jī)阻燃劑。目前工業(yè)發(fā)達(dá)國家的無機(jī)阻燃劑消費量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于有機(jī)阻燃劑。國外對阻燃劑的研究已進(jìn)入相對完善的發(fā)展階段，而在國內(nèi)，阻燃劑還是一個新生的工業(yè)，有關(guān)研究起步較晚，雖已取得了長足的發(fā)展，但是與先進(jìn)國家相比，在產(chǎn)量和品種結(jié)構(gòu)上都還有一定的差距?？v觀近年來的阻燃劑研究開發(fā)與發(fā)展?fàn)顩r，可以看出其正逐步向環(huán)?；?、低毒化、高效化、多功能化等方向發(fā)展，超細(xì)化技術(shù)、微膠囊化技術(shù)、復(fù)配協(xié)同技術(shù)、交聯(lián)技術(shù)以及大分子技術(shù)等阻燃劑研究開發(fā)新技術(shù)將不斷得到發(fā)展。參考文獻(xiàn)[1]崔雋，姜洪雷，吳明艷等．阻燃劑的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]．山東輕工業(yè)學(xué)報，200717（1）