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无机阻燃剂

无机阻燃剂包括:

  • 金属盐、氢氧化物和氧化物,尤其是氢氧化铝(ATH)和氢氧化镁(MDH),以及铜、锌、硼、钼、铁等金属的化合物。
  • 经研磨和精制的天然岩石矿物,含例如钙、硅酸盐、碳酸盐、铝等成分。
  • 膨胀石墨
  • 天然及合成黏土与有机黏土

无机阻燃剂通过多种机制降低火灾风险,特别是释放水分(稀释可燃气体并冷却材料)、发生吸热反应(进一步降温)、形成玻璃态 / 陶瓷态防护炭层。由于炭层的存在,且不会导致不完全燃烧或产生酸性气体,它们能减少烟雾和毒性。无机阻燃剂通常还能为材料赋予其他功能,改善其物理性能。

多种无机阻燃剂可用作其他磷 - 无机 - 氮系(PIN)阻燃剂的协效剂,尤其可作为抑烟剂。

特定的物理特性、涂层处理及功能化改性,能确保无机阻燃剂在不同材料中的相容性,以及加工和应用性能。

无机阻燃剂及其应用

最广泛使用的无机阻燃剂是氢氧化铝和氢氧化镁。按吨位计算,氢氧化铝(ATH)是目前应用最广泛的阻燃剂。

它成本低廉,但由于其阻燃机制基于释放水分来冷却和稀释火焰区域,因此在聚合物中通常需要高达 60% 以上的高添加量。氢氧化镁(MDH)适用于加工温度较高的聚合物,因为它在约 300℃的温度下仍能保持稳定,而氢氧化铝(ATH)约在 200℃时就会分解。

细沉淀(合成)型氢氧化铝(ATH)和氢氧化镁(MDH)(粒径<2 微米)用于热塑性塑料的熔融共混和挤出加工,如电缆用聚氯乙烯(PVC)或聚烯烃。用于电缆时,氢氧化铝(ATH)(更常见的是氢氧化镁(MDH))会经有机材料涂层处理,以提高其与聚合物的相容性。较粗的研磨和空气分级品级(由开采的岩石加工而成)可用于热固性材料的液态树脂共混,适用于电气设备、座椅、面板和汽车零部件等领域。

许多其他无机物质具有阻燃效果并已应用于商业领域。其中大多数用作协效剂,即增强其他阻燃剂的性能,或用于实现特定效果(如抑烟)。例如,硼酸盐(硼酸与硼砂的混合物)可用作纤维素(棉花)的阻燃剂;硼酸锌则适用于聚氯乙烯(PVC)及其他塑料(如聚烯烃、弹性体、聚酰胺或环氧树脂)。在含卤体系中,硼酸锌与氧化锑配合使用;而在无卤体系中,它通常与氢氧化铝、氢氧化镁或红磷协同使用。在某些特定应用中,硼酸锌也可单独使用。含硼化合物通过逐步释放水分并形成玻璃态防护涂层来发挥作用。

锌化合物最初被开发用作聚氯乙烯(PVC)的抑烟剂(如羟基锡酸锌)。后来发现,它们在某些塑料中也具有阻燃作用,主要通过促进炭层形成来实现。

膨胀型阻燃体系受热膨胀会产生泡沫。它们可用作涂层,不仅能保护木材、塑料等可燃材料,还能保护建筑中的钢结构 —— 因为钢材在火灾高温环境下会失去强度。膨胀效果通过复合多种成分实现:酸源(如聚磷酸铵)、碳源、热分解时释放不燃气体以发泡的化合物,以及稳定泡沫的树脂粘结剂。

可膨胀石墨由鳞片石墨经硫酸或硝酸等强酸处理制得。酸被捕获在石墨的晶体层间(“插层”)。受热时,石墨会膨胀至数百立方厘米 / 克,为聚合物形成防护层。可膨胀石墨适用于塑料、橡胶(弹性体)、涂料、纺织品,尤其适用于聚合物泡沫材料。为达到最佳阻燃效果,通常需要搭配聚磷酸铵或硼酸锌等协效剂使用。石墨的黑色特性在某些情况下限制了其应用范围。

纳米复合材料是基于蒙脱土等铝硅酸盐黏土矿物的聚合物层状硅酸盐材料,由层层堆叠且层间存在间隙(层间域)的结构组成。这类硅酸盐具有嵌入聚合物的能力。纳米复合材料的研究主要集中在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯、聚苯乙烯和聚酰胺等塑料上。纳米复合材料尤其能防止材料滴落并促进炭层形成,因此已在部分聚合物 / 阻燃剂组合中用作协效剂。但它们需要特殊的加工工艺,目前暂不被认为是可行的单一阻燃剂。

滑石粉或碳酸钙等其他无机填料有时也被称为阻燃剂,但它们并不会与燃烧点火过程发生特定相互作用。相反,它们仅通过稀释可燃聚合物来降低其易燃性和火灾荷载。