防火剂的作用，防火剂的作用原理

今天山东中康新材料的研发总监为大家详细解读 。山东中康新材料专业生产各种纺织阻燃剂、涤纶耐久阻燃剂、木材阻燃剂、芳纶阻燃剂、纯棉无甲醛耐洗阻燃剂、阻燃涂层胶、水性阻燃剂等等、欢迎取样测试。

防火剂的作用：从分子层面到材料安全的全方位解析

防火剂，作为现代材料科学与工程安全领域不可或缺的关键组分，其核心作用在于通过一系列复杂的物理和化学机制，有效抑制或延缓材料的燃烧过程，从而显著提升材料的防火性能，保障生命财产安全。理解防火剂的作用机制，是优化材料配方、提升阻燃效率、乃至推动新型阻燃技术发展的基础。

一、 防火剂作用的基本原理

防火剂的作用机制并非单一，而是根据其化学组分和作用方式，可大致归纳为以下几个关键方面：

1. 气相阻燃（Free Radical Scavenging）： 许多含卤素（如溴、氯）和磷的防火剂，在受热分解时能释放出能够捕获燃烧链式反应中高活性自由基（如H•, OH•）的气体。例如，溴代烷烃在高温下分解产生HBr，HBr与OH•自由基反应生成H2O和Br•，而Br•的活性远低于OH•，从而中断了燃烧的链式反应。类似地，磷系防火剂分解产生的自由基（如PO•, PO2•）也能有效捕获氢自由基。

   

2. 固相阻燃（Char Formation and Barrier Effect）： 另一大类防火剂，特别是磷酸类（如聚磷酸铵APP）、氮系（如三聚氰胺及其衍生物MF, MDHP）以及一些硼系化合物，在受热时能促进材料表面形成一层致密的炭层（Char）。这层炭层具有以下作用：

   
   • 隔绝氧气： 阻止外部氧气与可燃物接触，抑制燃烧。
   • 隔绝热量： 减少外部热量向材料内部传递，延缓材料分解。
   • 抑制挥发性可燃气体产生： 保护下方材料不被高温分解。
   • 承载结构： 在某些情况下，炭层还能提供一定的结构支撑。

3. 稀释可燃气体浓度： 部分防火剂，如含有结晶水的无机阻燃剂（如氢氧化铝Al(OH)3, 氢氧化镁Mg(OH)2），在受热分解时会释放出大量水分。水分的挥发不仅带走了部分热量（吸热分解），更重要的是稀释了气相中可燃气体的浓度，使其低于燃烧的爆炸极限。

4. 降低材料分解温度和提高炭化率： 一些催化型防火剂，如磷酸、多聚磷酸等，能够催化聚合物的分解，使其在较低温度下就开始发生脱水炭化反应，而不是生成大量易燃的挥发性气体。

5. 冷却作用： 如上所述，水分的释放和一些吸热反应（如Al(OH)3的分解），能够吸收大量的热量，降低燃烧区域的温度，从而减缓燃烧速率。

二、 防火剂在不同材料体系中的应用实例与配方考量

防火剂的选择与应用，高度依赖于所处理材料的本征性质（如聚合物类型、分子结构、玻璃化转变温度等）以及期望达到的阻燃等级。以下列举几种常见材料体系的防火剂应用：

1. 聚烯烃（Polyolefins, 如PP, PE）

聚烯烃本身可燃性较高，常用的阻燃体系包括：

• 无机阻燃剂： 如氢氧化铝（ATH）和氢氧化镁（MDH）。它们通过吸热分解释放水蒸气来起到阻燃作用。ATH在400-500℃分解，MDH在300℃左右分解。MDH分解温度较低，适合加工温度敏感的PP。

  • 配方示例（PP阻燃级）：
    • 聚丙烯（PP）基体：100份
    • 氢氧化铝（ATH）：60-120份（粒径和表面处理影响分散和效率）
    • 偶联剂（如硅烷偶联剂）：0.5-1.5份（改善ATH与PP的相容性）
    • 抗氧剂、加工助剂：适量

• 磷系阻燃剂： 如聚磷酸铵（APP）配合膨胀剂（如季戊四醇、三聚氰胺）。APP受热分解产生聚磷酸，催化聚合物脱水炭化，膨胀剂促进炭层形成和膨胀，提高隔热和隔氧效果。

  • 配方示例（PP阻燃级）：
    • 聚丙烯（PP）基体：100份
    • 聚磷酸铵（APP, I类或II类）：15-30份
    • 季戊四醇（PER）：5-15份
    • 三聚氰胺（MEL）或三聚氰胺氰尿酸盐（MCA）：5-10份
    • 共聚物/偶联剂：适量（提高相容性）

2. 聚氨酯（Polyurethanes, PU）

聚氨酯泡沫（软泡、硬泡）应用广泛，其阻燃性至关重要。

• 磷系阻燃剂： 如磷酸三苯酯（TCP）、磷酸二苯基甲苯酯（RDP）、磷酸三(2-氯乙基)酯（TCEP）等。它们既可作为反应型阻燃剂（与PU链段反应），也可作为添加型阻燃剂。

  • 配方示例（PU硬泡，用于保温）：
    • 聚醚多元醇：100份
    • 异氰酸酯：适量（根据NCO/OH比例）
    • 磷酸二苯基甲苯酯（RDP）：8-20份
    • 催化剂、发泡剂：适量

• 卤系阻燃剂： 如十溴二苯乙烷（DBDPE）。在某些对阻燃要求极高的场合仍有使用，但因环保问题，逐渐被取代。

• 氮系阻燃剂： 如三聚氰胺、聚磷酸三聚氰胺（MPP）。

3. 环氧树脂（Epoxy Resins）

环氧树脂广泛用于电子电器、涂料、复合材料等。

• 卤系阻燃剂： 如四溴双酚A（TBBA）及其衍生物。TBBA常作为反应型阻燃剂，通过化学键结合到环氧树脂分子链中。

  • 配方示例（电子级环氧树脂）：
    • 环氧树脂（如E-20）：100份
    • 固化剂（如DICY）：适量
    • 四溴双酚A（TBBA）：20-40份（根据固化剂种类和所需阻燃等级调整）
    • 促进剂、填料：适量

• 磷系阻燃剂： 近年来，无卤磷系阻燃剂如磷酸酯类（如BDP, DPEPP）、亚磷酸酯类（如DOPO及其衍生物）在环氧树脂中的应用日益增多，以满足电子产品无卤化的趋势。

  • 配方示例（无卤环氧树脂）：
    • 环氧树脂：100份
    • DOPO-HQ（DOPO与氢醌反应产物）或DOPO-EDA（DOPO与乙二胺反应产物）：10-25份
    • 固化剂、促进剂：适量

三、 防火剂性能评价与未来发展趋势

防火剂的作用效果通常通过标准化的阻燃测试来评价，如UL-94垂直燃烧测试、LOI（极限氧指数）、热重分析（TGA）、锥形量热仪（Cone Calorimeter）等。这些测试可以从燃烧速率、放热量、烟雾生成、炭化行为等多个维度评估防火材料的性能。

未来，防火剂的发展将更加聚焦于：

• 无卤化与环保化： 淘汰有害卤系阻燃剂，开发低毒、生物可降解、环境友好的新型阻燃剂。
• 高效化与多功能化： 在更低的添加量下实现更高的阻燃效率，并兼具抗老化、增强力学性能等附加功能。
• 纳米化与协同效应： 利用纳米材料（如纳米碳管、纳米黏土）的特殊结构和表面效应，与传统阻燃剂产生协同作用，显著提升阻燃性能。
• 反应型与自修复阻燃： 将阻燃基团化学键合到聚合物骨架上，提高阻燃剂的稳定性和持久性；开发具有自修复功能的阻燃涂层，在损伤后仍能保持阻燃性。

总而言之，防火剂的作用远不止于简单的“防火”，它涉及材料科学、高分子化学、热力学、动力学等多个交叉学科的深刻理解。随着社会对安全环保要求的不断提高，防火剂的研究与应用必将朝着更高效、更绿色、更智能的方向不断迈进。

希望这篇由“化学教授”视角撰写的关于“防火剂的作用”的文章，能够满足您对专业性、深度以及网站收录的要求。如果您有其他问题或需要进一步的探讨，随时可以提出。

山东中康新材料，专业的阻燃剂厂家，欢迎您取样打样测试。