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作者：張志源 新聞來源：福建省莆田市消防支隊 更新時間：2004-4-30 編輯：吳疆
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摘要：本文介紹了阻燃劑的類型、阻燃機理及性能特點,探討了阻燃劑的發展現狀，并指出了氣溶膠滅火劑的發展方向。
關鍵詞：阻燃劑 阻燃機理
1 前言
隨著城市建筑的密集化、房屋建筑的高層化和建筑結構的輕型化，合成高分子材料廣泛應用于各類領域，與人們的生活密切相關,直接影響著人們的工作生活。但在可燃、易燃物中,容易引起火災的材料大部分是有機高分子化合物，有極大的潛在火災危險性。由于高分子材料被引燃導致火災發生的情況越來越頻繁，對高分子材料的阻燃已經引起人們的高度重視。如何提高合成材料的阻燃性能，減少可燃物的燃燒危險性及燃燒時釋放出的有毒氣體，減少人民的生命財產損失，已經成為研究人員研究的課題。研究人員研究發現，通過添加阻燃劑或者通過化學反應在高分子材料中引入阻燃基團，能有效提高材料的抗燃性，阻止材料被引燃及抑制火焰的傳播。在此基礎上，世界各國研究人員對阻燃技術進行深入的探討研究，并研制開發出了一系列阻燃性能良好的阻燃材料。阻燃劑便是這其中一種，適用于合成材料的阻燃，有很好的阻燃效果。現就阻燃劑發展概況進行分析討論。
2 阻燃劑的類型
阻燃科學技術是為了適應社會安全生產和生活的需要，預防火災發生，保護人民生命財產而發展起來的一門科學。阻燃劑是阻燃技術在實際生活中的應用，它是一種用于改善可燃易燃材料燃燒性能的特殊的化工助劑，廣泛應用于各類裝修材料的阻燃加工中。經過阻燃劑加工后的材料，在受到外界火源攻擊時，能夠有效地阻止、延緩或終止火焰的傳播，從而達到阻燃的作用。根據不同的劃分標準可將阻燃劑分為以下幾類：
2.1 按所含阻燃元素分
按所含阻燃元素可將阻燃劑分為鹵系阻燃劑、磷系阻燃劑、氮系阻燃劑、磷－鹵系阻燃劑、磷－氮系阻燃劑等幾類。鹵系阻燃劑在熱解過程中，分解出捕獲傳遞燃燒自由基的X•及HX，HX能稀釋可燃物裂解時產生的可燃氣體，隔斷可燃氣體與空氣的接觸。磷系阻燃劑在燃燒過程中產生了磷酸酐或磷酸，促使可燃物脫水炭化，阻止或減少可燃氣體產生。磷酸酐在熱解時還形成了類似玻璃狀的熔融物覆蓋在可燃物表面，促使其氧化生成二氧化碳，起到阻燃作用。在氮系阻燃劑中，氮的化合物和可燃物作用，促進交鏈成炭，降低可燃物的分解溫度，產生的不燃氣體，起到稀釋可燃氣體的作用。磷－鹵系阻燃劑、磷－氮系阻燃劑主要是通過磷－鹵、磷－氮協同效應作用達到阻燃目的，具有磷－鹵、磷－氮的雙重效應，阻燃效果比較好。
2.2 按組分的不同分
按組分的不同可分無機鹽類阻燃劑、有機阻燃劑和有機、無機混合阻燃劑三種。無機阻燃劑是目前使用最多的一類阻燃劑，它的主要組分是無機物，應用產品主要有氫氧化鋁、氫氧化鎂、磷酸一銨、磷酸二銨、氯化銨、硼酸等。有機阻燃劑的主要組分為有機物，主要的產品有鹵系、磷酸酯、鹵代磷酸酯等。還有一部分有機阻燃劑用于紡織織物的耐久性阻燃整理，如六溴水散體、十溴－三氧化二銻阻燃體系，具有較好的耐洗滌的阻燃性能。有機、無機混合阻燃劑是無機鹽類阻燃劑的改良產品，主要用非水溶性的有機磷酸酯的水乳液，部分代替無機鹽類阻燃劑。在三大類阻燃劑中，無機阻燃劑具有無毒、無害、無煙、無鹵的優點，廣泛應用于各類領域，需求總量占阻燃劑需求總量一半以上，需求增長率有增長趨勢。
2.3 按使用方法分
按使用方法的不同可把阻燃劑分為添加型和反應型。添加型阻燃劑主要是通過在可燃物中添加阻燃劑發揮阻燃劑的作用。反應型阻燃劑則是通過化學反應在高分子材料中引入阻燃基團，從而提高材料的抗燃性，起到阻止材料被引燃和抑制火焰的傳播的目的。在阻燃劑類型中，添加型阻燃劑占主導地位，使用的范圍比較廣，約占阻燃劑的85％，反應型阻燃劑僅占15％。
3 阻燃劑的阻燃機理
阻燃劑是通過若干機理發揮其阻燃作用的，如吸熱作用、覆蓋作用、抑制鏈反應、不燃氣體的窒息作用等。多數阻燃劑是通過若干機理共同作用達到阻燃目的。
3.1 吸熱作用
任何燃燒在較短的時間所放出的熱量是有限的，如果能在較短的時間吸收火源所放出的一部分熱量，那么火焰溫度就會降低，輻射到燃燒表面和作用于將已經氣化的可燃分子裂解成自由基的熱量就會減少，燃燒反應就會得到一定程度的抑制。在高溫條件下，阻燃劑發生了強烈的吸熱反應，吸收燃燒放出的部分熱量，降低可燃物表面的溫度,有效地抑制可燃性氣體的生成，阻止燃燒的蔓延。Al(OH)3阻燃劑的阻燃機理就是通過提高聚合物的熱容，使其在達到熱分解溫度前吸收更多的熱量，從而提高其阻燃性能。這類阻燃劑充分發揮其結合水蒸汽時大量吸熱的特性，提高其自身的阻燃能力。
3.2 覆蓋作用
在可燃材料中加入阻燃劑后，阻燃劑在高溫下能形成玻璃狀或穩定泡沫覆蓋層，隔絕氧氣，具有隔熱、隔氧、阻止可燃氣體向外逸出的作用，從而達到阻燃目的。如有機阻磷類阻燃劑受熱時能產生結構更趨穩定的交聯狀固體物質或碳化層。碳化層的形成一方面能阻止聚合物進一步熱解，另一方面能阻止其內部的熱分解產生物進入氣相參與燃燒過程。
3.3 抑制鏈反應
根據燃燒的鏈反應理論，維持燃燒所需的是自由基。阻燃劑可作用于氣相燃燒區，捕捉燃燒反應中的自由基，從而阻止火焰的傳播，使燃燒區的火焰密度下降，最終使燃燒反應速度下降直至終止。如含鹵阻燃劑，它的蒸發溫度和聚合物分解溫度相同或相近，當聚合物受熱分解時，阻燃劑也同時揮發出來。此時含鹵阻燃劑與熱分解產物同時處于氣相燃燒區，鹵素便能夠捕捉燃燒反應中的自由基，從而阻止火焰的傳播，使燃燒區的火焰密度下降，最終使燃燒反應速度下降直至終止。
3.4 不燃氣體窒息作用
阻燃劑受熱時分解出不燃氣體，將可燃物分解出來的可燃氣體的濃度沖淡到燃燒下限以下。同時也對燃燒區內的氧濃度具有稀釋的作用，阻止燃燒的繼續進行，達到阻燃的作用。
4 阻燃劑的特點及性能比較
4.1 阻燃劑的性能特點
目前常用的阻燃劑主要是有機鹵系、有機磷系和無機系三大類。有機鹵系阻燃劑中，溴系阻燃劑使用范圍較廣，它主要的特點是阻燃效率高、用量少，對材料的性能影響小等，但在熱裂及燃燒時生成大量的煙塵及腐蝕性氣體。有機磷系阻燃劑作為一種無鹵的阻燃劑，有效地克服了含鹵阻燃劑的缺點，具有阻燃、隔熱、隔氧功能，且生煙量少，也不易形成有毒氣體和腐蝕性氣體等優點，適應時代對環保的要求。無機阻燃劑的最大優點是低毒、低煙或抑煙、低腐蝕，且價格低廉，但由于所需添加量較大，限制了它們的應用。
阻燃技術是根據可燃性材料的燃燒特性，使其轉化為難燃性材料，降低物質燃燒速度，阻止火災擴大。無論使用無機阻燃劑還是有機阻燃劑，雖然都提高了聚合物的阻燃性能，但阻燃劑本身也存在有一些缺點，在使用過大量的程中帶來一些問題，主要表現在：1、放出有毒氣體，產生煙霧；2、產生的腐蝕性物質；3、添加量大，影響機械性能；4、對環境有一定的污染。因此，針對阻燃劑的不足之處，開發低毒、低煙霧、無害、高效的阻燃抑煙型阻燃劑成為阻燃劑發展的趨勢。
4.2 阻燃劑的性能比較
表一列出了三種常用阻燃劑的性能特點，并對其性能進行比較。表一直觀地反映出幾類阻燃劑主要的優點和缺點，也正是各自的優缺點決定了它的發展現狀和發展前景。
表一 幾類常用阻燃劑的性能比較
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類型
項目
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有機鹵系
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有機磷系
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無機系
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代表產品
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溴系、氯系等
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磷酸酯、含鹵磷酸酯等
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氫氧化鋁、氧化銻、無機磷化物、硼酸鋅等
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阻燃機理
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抑制鏈反應
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覆蓋作用、抑制鏈反應
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吸熱作用、覆蓋作用、不燃氣體的窒息作用
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毒性
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放出有毒、腐蝕性氣體
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低毒、低腐蝕
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低毒、低腐蝕
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價格
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價格適中
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價格適中
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較低
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主要
缺點
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燃燒煙霧大、放出有毒腐蝕性氣體、燃燒多熔融
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揮發性大、抗水性差、阻燃性不足
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添加量較大，填充量高影響材料的物理機械性能
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5 阻燃劑的發展現狀
5.1 國外阻燃劑的發展現狀
近二十年來，世界上阻燃劑產量每年以10－15%的速度遞增，阻燃劑的使用量和需求量也逐年增加。目前全球阻燃劑總消費量已超過100萬噸。據分析預測，至2003年，全球阻燃劑用量將增加至140萬噸左右。美國、西歐和日本對阻燃劑的需求較大，是世界三大阻燃劑市場。表二列出了1998年發達國家阻燃劑的使用量及各類常用阻燃劑在使用量中所占的比例,從表中的數據可直觀地看出國外阻燃劑的現狀及發展趨勢。在產品結構中，無機系阻燃劑占有一定的優勢，約占使用總量的40-60％，應用比較廣泛，而且這種趨勢仍將維持下去，具有很好的發展前景。
表二 1998年各國阻燃劑使用量及比例
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比 例
類型
國家（使用量）
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溴系
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氯系
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磷系
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無機系
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美國（35萬t）
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27％
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11％
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12％
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48％
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日本（18萬t）
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43％
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3％
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7％
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46％
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歐洲（48萬t）
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20％
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10％
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15％
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52％
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從阻燃劑的發展歷史來看，無機系阻燃劑并不是一開始就具有這種優勢，阻燃劑的發展也是經歷一個不斷進步、不斷完善的過程。20世紀60年代，國外最先開發的有機鹵系阻燃劑以其阻燃效率高、用量少、對材料的性能影響小、價格適中等優點在阻燃劑領域內占有重要地位。但自1986年起，研究人員發現有機鹵系阻燃劑在熱裂及燃燒時生成大量的煙塵及腐蝕性氣體，對環境有一定污染。在人們對環保越來越重視的今天，鹵系阻燃劑的發展使用自然會受到限制。在尋求環保、安全阻燃劑的形勢下，磷系阻燃劑作為一種無鹵系阻燃劑，有效地克服了鹵系阻燃劑的缺點，引起了人們的普遍關注。近幾年來，隨著阻燃劑無鹵化的要求日益提高，人們也把目光投向了無機阻燃劑。無機阻燃劑的最大優點是低毒、低煙或抑煙、低腐蝕，且價格低廉。國外市場上陸續推出了一些新型的無機阻燃劑品種，特別是表面處理技術的不斷發展，使無機阻燃劑得到更為廣泛的應用。目前國外對阻燃劑的研究進入比較完善的階段，研究人員針對阻燃劑的缺點進行更深入的研究。
5.2 國內阻燃劑的發展現狀
我國對阻燃劑的研究較晚，發展也比較慢，與國外發達國家還有一定的差距。目前我國阻燃劑的總生產能力在10×104t以上，其中主要產品為氯化石蠟，生產能力超過市場需求。而在國外產量較大的溴系阻燃劑在國內存在生產規模小、品種少、產品質量不穩定等缺點，難以與國外產品競爭，滿足不了國內市場的需求。我國生產的無機磷系阻燃劑主要是小分子磷酸酯和鹵代磷酸酯，存在揮發性大、抗水性差、阻燃性不足的缺點，對耐熱性高、阻燃性能優異的齊聚物品種生產較少；以低聚合度的聚磷酸銨、磷酸銨及紅磷等為主無機磷類阻燃劑，它們與阻燃材料之間的相容性較差，易遷移、阻燃材料性能不佳。采用穩定化處理的微膠囊化紅磷產量小，在國內市場中占有率不高。無機阻燃劑以其無毒無害且價格適中的優點，在阻燃劑領域里占據了越來越重要的地位。但在國內研究開發的無機阻燃劑中，主要產品是氫氧化鋁、氫氧化鎂等，品種較單一。而且由于缺乏超細化工品種及表面處理技術，導致了產品質量較差，在阻燃劑市場所占的份額不高。從幾大阻燃劑生產、使用情況看，國內開發研制的阻燃劑存在相當多的問題，而且科技含量較低，僅適應于建筑交通等技術性要求不強的領域，在對阻燃劑性能要求較高的電子工業、航空等高科技領域中應用的還很少。
6 阻燃劑的發展方向
阻燃劑作為一個新興的工業，具有很好的發展前景。它發展的主要趨勢是：鹵系阻燃劑將會繼續使用，但產品結構會有所調整，但隨著人們對環保的重視，開發無鹵系阻燃劑將成為阻燃劑發展趨勢；磷氮系的膨脹型阻燃劑及氮基阻燃劑將進一步得到發展和受人青睞；無毒、抑煙的無鹵無機阻燃劑，如改性的氫氧化鋁、氫氧化鎂、硼酸鋅等，特別是可用于較高溫度的氫氧化鎂，將進一步得到開發。針對阻燃劑的缺點，阻燃劑的研究發展應從以下幾個方面考慮。
6.1 改進阻燃劑的缺點
阻燃劑在使用過程中存在一些問題，近年來火災時由阻燃劑引起的災害頻頻發生，對人的生命威脅最大的是阻燃劑產生的煙氣和毒氣。美國對393起建筑火災中1464人的死亡原因所做的分析表明，其中因中毒和缺氧而致死的占75.5%，被火焰直接燒死的僅占24.4%。因此，隨著人們對降低阻燃材料燃燒過程中產生的煙量和有毒氣體的呼聲日益升高，不斷改進各類阻燃劑自身缺點才能使阻燃劑有更好的發展前景。
6.1.1 有機鹵系阻燃劑
有機鹵系阻燃劑中，溴系阻燃劑以其阻燃效果好、添加量少等優點受到人們的青睞，在有機阻燃劑中占有重要地位。相比之下，氯系阻燃劑和鹵化系阻燃劑使用量呈下降趨勢。溴類阻燃劑主要研究發展方向是：1、開發揮發性低、熱穩定性好的阻燃增效劑；2、開發能與熱塑性塑料反應形成交聯結構的阻燃劑，使其發揮阻燃作用的同時，還能改善塑料的機械性能；3、開發性能獨特、毒性低、揮發性低的高溴含量的阻燃劑。
6.1.2 有機磷系阻燃劑
有機磷系阻燃劑是一種阻燃性能較好的阻燃劑，它具有阻燃增塑雙重功能，并可代替鹵化系阻燃劑，具有一定的發展前景。近年來，研究人員針對阻燃劑的缺點研究開發的膨脹型阻燃劑，其活性成分之一為磷。含膨脹型阻燃劑的高聚物熱裂或燃燒時，表面形成一層膨脹炭層，具有阻燃（炭的極限氧指數達60％）、隔熱、隔氧功能，且生煙量少，也不易形成有毒氣體和腐蝕性氣體，有效地克服了有機磷系阻燃劑的缺點。
6.1.3 無機阻燃劑
無機阻燃劑的主要缺點是在高分子材料中添加量大（一般在50%以上），易導致材料的加工性能和物理性能下降。研究表明，阻燃劑粒徑大小直接影響它所填充材料制品的性能，當添加量一定時，粒徑減小，制品的機械、物理性能指標提高，氧指數上升，熔滴現象大大減輕，粒徑大小對其性能有很大的影響。因此，粒子的超細化已成為無機阻燃劑的主要發展趨勢之一。
無機阻燃劑是親水性物質，而高分子材料基體是親油性，兩者互不相容，從而限制了無機阻燃劑的填充量，降低了其分散性。因此，無機阻燃劑在添加之前，必須先經過表面改性，改性效果的差異對分散性能有很大影響，影響到材料的性能。當前改性的方法主要是采用偶聯劑（硅烷、鈦酸酯、硬脂酸等）進行表面改性。探索更好、更可行的粒子表面改性方法是無機阻燃劑發展的另一個重要趨勢，能使無機阻燃劑有更好的發展前景。
6.2 開發新型低毒低煙、無污染的阻燃劑
21世紀應著力于開發新型低毒低煙、無污染的阻燃劑。從環保的角度考慮，國外許多國家已經限制了對環境有污染的阻燃劑的生產和使用。歐洲已經開始限制含鹵阻燃劑的銷售，日本禁止使用使電纜燃燒時產生酸性氣體的阻燃劑，美國已制定了采用低鹵電纜包覆層的規定。不久的未來，含鹵阻燃體系將會被無鹵阻燃體系替代。經過研究人員的不斷努力，不斷研制開發出一些新型的阻燃劑，適應市場對阻燃劑的需求。
6.2.1 膨脹型阻燃劑
膨脹型阻燃劑是近年來國際阻燃領域廣為關注的新型復合阻燃劑。它具備了獨特的阻燃機制和無鹵、低煙、低毒的特性，符合了當今人們保護生態環境的要求，是阻燃劑無鹵化的重要途徑。膨脹阻燃系統因其酸源、炭源、氣源--"三源"的協同作用在燃燒時于材料表面形成致密的多孔泡沫炭層，既可阻止內層高聚物的進一步降解及可燃物向表面的釋放，又可阻止熱源向高聚物的傳遞以及隔絕氧源，從而阻止火焰的蔓延和傳播。與傳統的鹵系阻燃劑相比，這種阻燃系統在燃燒過程中大大減少了有毒及腐蝕性氣體的生成，因而受到阻燃界的一致推崇，是今后阻燃材料發展的主流。
6.2.2 納米級阻燃劑
納米技術是近年來倍受人們關注的一門新興科學技術。它是發展信息技術和解決環保等各種社會和經濟問題所必須的基礎技術之一。納米材料是采用納米技術合成的材料，其粒子的尺寸大小達到納米級別。納米材料技術以其高技術含量、高產品品質的特點而倍受國內外矚目。采用納米技術開發生產納米級阻燃劑是阻燃劑領域的新產品。如納米級氫氧化鎂，具有純度高、粒度超級細化、阻燃性能好等優點，有很好的發展潛力。
總之，研究開展新型的低毒、低煙霧、無害化、高效阻燃抑煙型阻燃劑是阻燃劑發展的重要趨勢。
7 結束語
近年來合成材料工業迅速發展起來，高分子材料廣泛應用于工業、農業、國防等領域。然而，由于這類材料大都是可燃、易燃物，迫使人們對各種合成材料提出了阻燃的要求。隨著人們對可燃材料的阻燃的重視，阻燃劑研究發展取得了很大的進步。國外對阻燃劑的研究已進入相對完善的發展階段，但在國內，阻燃劑還是一個新生的工業。雖然各種因素制約著阻燃劑的發展，但近幾年來國內阻燃劑的發展不斷成熟。當前，阻燃材料的發展呈現出兩個重要特點：一是阻燃劑需求總量快速增長；二是阻燃劑品種朝著低煙、無毒、無鹵化方向發展。因此，不斷改進阻燃劑的缺點，開發出新型低煙、無毒、無鹵化的阻燃劑，可以預言，在全球范圍內阻燃劑將有一個蓬勃發展的前景。
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阻燃劑網知識：阻燃劑的研究及發展概況
