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PIN无卤阻燃改性材料在电子电气领域中的应用-常用燃烧试验和未来趋势与创新
发表于 2024-04-03 在 电子电气 2024
电子电气常用燃烧试验
01 极限氧指数（LOI）测试
在 LOI 极限氧指数测试中，试样装入一个圆柱筒内，从圆柱筒底部供应氧气与氮气的混合物。极限氧指数值是指维持试样燃烧的最低氧气浓度。与其它垂直燃烧测试不同的是,此测试的试样从上往下燃烧,使用顶部的一个引燃火焰点燃试样。从 LOI 值可以大致判断一种材料的易燃性，例如，如果 LOI 值为 20（空气中氧气的自然浓度为 21%）左右或更低，说明材料容易燃烧。
以下标准定义了 LOI 测试方法：ASTM D 2863、BS ISO 45892、NES 714。
02 UL 94
在电子电气行业，UL 94 测试是最常被参考的测试，此测试可以很好地评估材料的可燃性。在测试中使用一个小的点火源，例如，火柴、蜡烛或类似点火源。引燃火焰的能量输出功率为 50 瓦。试样可以水平或垂直放置，但垂直测试的难度更大。可燃性的分级结果取决于在移开引燃火焰后试样继续燃烧的时间长度以及熔滴是否引燃下面的脱脂棉。
以下标准定义了测试方法：美国保险商测试所 (UL) 94 标准，ASTM D 3801，IEC 606951110，IEC 60707，ISO 1210.
04 GWT 灼热丝测试
在灼热丝测试（GWT）中，将一根已发热的电阻丝压紧在试样上持续 30 秒，然后将电阻丝移开。当灼热丝达到一定的温度时，测试的准则是当试样与灼热丝接触时（或在灼热丝被移开后 30 秒内），试样是否会被点燃，以及熔滴是否引燃试样下面的滤纸。灼热丝起燃温度（GWIT）与试样的火焰引燃相关，仅允许很短的火焰持续时间（<5 秒）。灼热丝可燃性指数（GWFI）是指火焰持续时间少于 30 秒时的温度。
以下标准规范了测试方法：
IEC 60695-2-10 至 13。
05 热丝引燃指数测试（UL 746C）
热丝引燃性能被表示为引燃标准试样或在没有引燃的情况下烧穿试样需要的平均秒数。采用电阻丝包裹试样，让指定大小的电流通过电阻丝。根据被引燃时间的长短（从>120 秒至<7 秒），将引燃性能等级（PLC）分为 0–5 六个等级。
未来趋势与创新
近年来，在电子电气行业使用的塑料中，新型阻燃剂正在逐步取代传统的卤系阻燃剂。引起这一趋势的原因是人们在防止环境污染方面的意识越来越强，法律监管更加严苛，以及无卤阻燃剂在成本和技术性能上可以与卤系阻燃剂媲美。
在电子电气产品应用中，无卤阻燃剂生产商们已经开发和使用了多种新型阻燃剂，其中以含磷有机阻燃剂为主。如前所述，已经为印制电路板环氧树脂开发了四类含磷有机阻燃剂。另外也研发出在电子电气工业中应用的浇铸树脂和涂料，用于在现有技术应用中取代传统的四溴双酚 A。在市场上的玻璃纤维增强型聚酰胺和聚酯类电气元件中，次膦酸铝、三聚氰胺盐和膦酸酯低聚物的应用已经得到了广泛的认可。目前，新型低聚磷酸酯类阻燃剂已经开发成功，正在应用于电气产品的外壳，包括市场需求快速增长的锂离子电池的外壳。
另一项值得注意的新应用是在锂离子电池的电解质中添加含磷有机阻燃剂。锂离子电池中的标准碳酸盐类电解质具有高度易燃性，而含磷阻燃剂能提供独特的阻燃效果，对阻止这些电解质燃烧发挥着重要作用。随着对这些凝聚相和气相含磷有机衍生物的作用机理的认识越来越清楚，含磷有机阻燃剂得到了广泛的推广应用。这些无卤阻燃剂既可以作为反应型阻燃剂与聚合物结合从而成为聚合物网络的组成部分，也可以作为添加型阻燃剂以盐类或聚合物的形式存在。与聚合物反应或作为低挥发性可防止阻燃剂的迁移，从而避免阻燃效率的损失。另外，这些添加剂具有足够高的热稳定性，非常适用于上面所述的聚合物中。
基于上述认识，研究者正在开展进一步的研发工作，其目的是开发由这些阻燃剂与氢氧化铝、氢氧化镁以及氮、硅或硫的化合物等其它添加剂相结合的协效阻燃体系。除了通过改变形态或处理表面进一步提高无机阻燃剂的加工性能，业界也研究和推广了亚微米级或纳米级经典无机阻燃剂的协效应用。这些协效阻燃体系能减少阻燃剂的用量，对阻燃材料的其它性能影响很小。另外，业界在聚苯乙烯基塑料的无卤阻燃剂研发方面进行了大量工作，这些塑料体系包括高抗冲击聚苯乙烯（HIPS）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、苯乙烯-丙烯腈共聚物（SAN）以及其它聚合物。本系列文章也介绍了高抗冲击聚苯乙烯方面的早期研究工作。
原则上，所有新开发的阻燃剂必须具有足够高的热稳定性，并且呈化学中性，以便于在聚合物中应用。同时，这些阻燃剂不存在从聚合物中析出的倾向。另外，添加少量阻燃剂应能达到高的阻燃效果，而且对阻燃材料的其它性能应不受影响。新型含磷阻燃剂的研发呈现两种趋势。第一种趋势主要在磷酸芳基酯中引入空间结构更复杂的基团，以提高阻燃剂的耐水解稳定性。另一种趋势是，重点开发含氮的磷系阻燃剂，例如，磷酰胺和磷腈，由于氮和磷的潜在协同效应，这类阻燃剂的添加量会更少。在聚合物外壳材料和玻璃纤维增强型材料中，这一趋势已经有所体现。目前，研究者正在为纯聚碳酸酯和磷酸酯-碳酸酯共聚物开发碱金属磺酸盐和硅氧烷阻燃剂。应用表明，添加少量上述阻燃剂可以取得了很好的阻燃效果。在环氧树脂领域，正在为交通运输应用开发基于无卤阻燃剂的解决方案，以应用于上面所述的印制电路板。研究的目的是，为环氧树脂寻找效率高效的阻燃剂。这些阻燃剂必须操作使用方便，并且适用于碳纤维复合材料。
为了达到这些要求，首选的阻燃剂为主要通过气相进行作用的磷系阻燃剂。在一些专业国际会议上，例如在以下会议上，专家和学者定期讨论阻燃剂领域的创新工作：
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国际消防科学与工程会议（两年一次）
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欧洲阻燃聚合物会议（FRPM）
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美国消防与材料会议（两年一次）
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年度 BCC 阻燃会议，斯坦福德市，康涅狄格州，美国
磷氮无机阻燃剂的进一步文献资料和最新动态详见最近的出版物，例如：
《无卤阻燃剂手册》，编纂：Alexander B. Morgan 和 Charles A. Wilie，ISBN 9781118686249
《 聚合物绿色阻燃剂》，编纂 ：C ons tantine D . Papaspyrides 和 Pantelis Kiliaris，Elsevier 出版社出–2014 年，ISBN 9780444538086
- 电动汽车要求使用高电流和高电压，这在汽车市场史无前例。独特的应用场景导致了其对特定材料的需求，例如要求这些材料具有高漏电起痕指数，在高温下具有高介电强度，而且不会产生严重的接触腐蚀。
- 由于担心在制造过程中释放有毒气体以及考虑到产品的可循环利用能力，（采用酚醛树脂、片状模塑料、团状模塑料、环氧树脂）替代聚苯乙烯的研究越来越受到关注。
- 电器市场正在推动无卤材料的应用，IEC 60695-2-13 标准要求这些材料通过 775℃ 的灼热丝起燃温度测试。
- 在上述两种情况下，市场首选无卤阻燃解决方案。
多个讨论磷氮无机阻燃及其使用和环境归宿的会议定期举行。如需了解相关信息，请访问磷氮无机阻燃剂协会的官方网站。
