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提升防火性能：高效无卤阻燃剂的应用解析
在现代社会，火灾安全是各个行业及日常生活中不容忽视的重要问题。从建筑到电子电器，从交通到家居用品，材料的防火性能直接关系到人们的生命财产安全。高效无卤阻燃剂的出现，为提升各类材料的防火性能提供了有力保障，同时也顺应了环保和健康安全的发展趋势。
高效无卤阻燃剂的发展背景
随着环保意识的增强以及对有毒有害物质限制法规的日益严格，传统含卤阻燃剂因其在燃烧过程中会释放出大量有毒、腐蚀性气体，对环境和人体造成严重危害，逐渐受到限制和淘汰。例如，欧盟的《关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质指令》（RoHS）以及《持久性有机污染物公约》等，都对含卤阻燃剂的使用进行了严格约束 [1]。在此背景下，无卤阻燃剂应运而生，其在燃烧时发烟量小，不产生腐蚀性气体，被称为无公害阻燃剂，符合低毒、低烟的国际发展新趋势 [2]。
高效无卤阻燃剂的类型与特点
磷系无卤阻燃剂
- 作用机理：磷系阻燃剂在受热时会分解形成磷酸、偏磷酸等，这些物质能够促进聚合物材料脱水炭化，形成一层致密的炭质层，从而阻止热量传递和氧气进入，起到阻燃作用 [3]。
- 产品特点：具有较高的阻燃效率，对材料的物理性能影响相对较小。例如，双酚 A - 双 (二苯基磷酸酯) 齐聚物（BDP），其化学名称为 Bisphenol - A Bis (DiphenylPhosphate)，通常被简称为 BDP，主要用来作为 PC (聚碳酸酯)、PC/ABS 合金，PPO，PPO/HIPS、覆铜板、环氧树脂、不饱和树脂、PBT、PET 等多种材料的无卤阻燃剂。BDP 的阻燃性能优越，由于其本质上又起到增塑剂的作用，在一定程度上会影响材料的力学性能，尤其是缺口冲击强度 [4]。为解决这一问题，增韧型接枝 BDP 无卤阻燃剂（BDP - g - PPSB）被研发出来，它通过对 PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯) 和 PGMA (聚甲基丙烯酸缩水甘油酯) 的预聚物进行氨基化处理形成 PMMA - PGMA - NH₂，然后在 BDP 齐聚物分子上进行交联和共聚接枝，终形成多元共聚物。以 PC/ABS (70/30) 为例，含有 15wt% BDP - g - PPSB 多元共聚物的 PC/ABS 合金，其阻燃性能达到 UL94 V - 0，且缺口冲击强度几乎没有变化，相比含有纯 BDP 阻燃剂的 PC/ABS 合金，缺口冲击强度大幅提升 [4]。
- 产品参数：表 1 展示了部分磷系无卤阻燃剂的产品参数。
| 阻燃剂名称 | 主要成分 | 分解温度（℃）| 磷含量（%）| 适用材料 |
|---|---|---|---|---|
|BDP | 双酚 A - 双 (二苯基磷酸酯) 齐聚物 | 约 250 - 300|10 - 15|PC、PC/ABS 合金、PPO 等 |
|BDP - g - PPSB | 多元接枝共聚物 |≥300|8 - 12 | 以 PC 为基础的多种合金 |
氮系无卤阻燃剂
- 作用机理：氮系阻燃剂受热分解产生氮气等不燃性气体，稀释了燃烧区域的氧气浓度，同时生成的含氮化合物能够促进聚合物的成炭反应，提高炭质层的质量和稳定性，从而实现阻燃效果 [5]。
- 产品特点：具有良好的热稳定性和化学稳定性，与聚合物的相容性较好，且燃烧时发烟量低。例如，三聚氰胺及其衍生物是常见的氮系阻燃剂，三聚氰胺氰尿酸盐（MCA）作为一种典型的氮系阻燃剂，广泛应用于聚酰胺、聚酯等材料中。它具有无卤、低毒、低烟、高效等特点，能够有效提高材料的阻燃性能，同时对材料的机械性能影响较小 [6]。
产品参数：表 2 为三聚氰胺氰尿酸盐的产品参数示例。
| 阻燃剂名称 | 主要成分 | 分解温度（℃）| 氮含量（%）| 适用材料 |
|---|---|---|---|---|
| 三聚氰胺氰尿酸盐（MCA）| 三聚氰胺与氰尿酸的加成产物 |≥350|30 - 35 | 聚酰胺、聚酯等 |
金属氢氧化物阻燃剂
- 作用机理：金属氢氧化物（如氢氧化铝、氢氧化镁）在受热时会发生分解反应，吸收大量热量，降低材料表面温度，同时分解产生的水蒸气能够稀释氧气浓度，起到阻燃作用。此外，分解后生成的金属氧化物还能在材料表面形成一层保护膜，阻止热量和氧气的传递 [7]。
- 产品特点：具有环保、无毒、低烟等优点，且价格相对较低。氢氧化铝是应用较为广泛的金属氢氧化物阻燃剂，其分解温度较低，约为 200 - 300℃，适用于一些加工温度不高的聚合物材料。氢氧化镁的分解温度较高，在 340 - 490℃之间，热稳定性更好，更适合用于高温加工的聚合物材料 [8]。
- 产品参数：表 3 列出了氢氧化铝和氢氧化镁的部分产品参数。
| 阻燃剂名称 | 主要成分 | 分解温度（℃）| 添加量（%）| 适用材料 |
|---|---|---|---|---|
| 氢氧化铝 | Al (OH)₃|200 - 300|30 - 60 | 聚乙烯、聚丙烯、环氧树脂等 |
| 氢氧化镁 | Mg (OH)₂|340 - 490|40 - 70 | 聚烯烃、橡胶等 |
微胶囊化红磷阻燃剂
- 作用机理：微胶囊化红磷阻燃剂又称高效包覆红磷阻燃剂（CRP），其核心成分红磷在燃烧时会形成磷酸、偏磷酸等物质，促进聚合物炭化，同时微胶囊壁材能够隔离红磷与外界环境，提高其稳定性和安全性 [9]。
- 产品特点：具有高效的阻燃性能，阻燃效果可达 UL94 V - 0 级。它与树脂和橡胶混合性好，不影响固化或硫化工艺，且电气性能优良、无毒。例如，紫红色粉末状的微胶囊化红磷，相对密度 2.1，堆积密度 0.6g/cm³，较难吸湿，吸水性＜1.2%，自燃点≥300℃[3]。
- 产品参数：表 4 展示了微胶囊化红磷阻燃剂的主要产品参数。
| 阻燃剂名称 | 主要成分 | 外观 | 堆积密度（g/cm³）| 红磷含量（%）| 适用材料 |
|---|---|---|---|---|---|
| 微胶囊化红磷阻燃剂 | 红磷包覆物 | 紫红色粉末 | 0.20 - 0.21|≥85 | 环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、EVA、ABS 等 |
高效无卤阻燃剂在各领域的应用
电子电器领域
在电子电器领域，材料的阻燃性能和电性能至关重要。阻燃聚丙烯（PP）和尼龙（PA）材料广泛应用于制造电器外壳、连接器、绝缘部件和电子元件支架等关键部件。例如，添加了无卤阻燃剂的 PP 材料，不仅具备良好的机械强度和电气绝缘性能，还满足严格的防火安全标准，能够有效防止电器设备在过热、短路等情况下引发火灾，确保产品的安全性和可靠性。天津大学浙江研究院开发的一款具有卓越耐析出性能和良好相容性的无卤阻燃剂，应用于阻燃 PP 和阻燃 PA 材料中，有效避免了传统阻燃剂的析出问题，保证了材料长期使用的稳定性和安全性，同时不影响材料的加工性能和力学性能 [2]。
新能源汽车领域
随着新能源汽车的普及，对轻量化和安全性的要求不断提高。在车内饰件、仪表盘、门板等部位，使用添加了无卤阻燃剂的聚丙烯（PP）材料，具有质轻、高强度、环保且优异的阻燃性能。在电气连接器、发动机部件、电池模块外壳等部位，采用阻燃尼龙（PA）材料，其耐高温、机械性能好，能在高温环境中保持稳定。在电池模块中，通过在电池单体之间加入阻燃隔热材料和在电池包外部采用阻燃包覆层，防止热失控蔓延并提供额外保护。在电气系统中，使用阻燃电线电缆和阻燃电子元件，如电路板和控制模块，防止电线过热引发火灾，提升整体安全性 [2]。
航空航天领域
阻燃材料在航空航天领域至关重要，被广泛应用于飞机和航天器的各个部分。阻燃聚丙烯（PP）和尼龙（PA）材料通过添加无卤阻燃剂，满足了轻量化、高性能和严格防火标准的要求，确保了航空器在高温或火灾情况下的稳定性和安全性。例如，在客舱内饰、电气元件、结构部件、隔音隔热材料、管路软管、机载设备外壳、安全设备和地面支持设备等多个部位，都离不开无卤阻燃剂改性的材料 [2]。
建筑领域
在建筑领域，防火安全是重中之重。无卤阻燃剂改性的材料可用于建筑外墙保温材料、室内装修材料等。例如，添加了无卤阻燃剂的聚氨酯泡沫材料，不仅具有良好的隔热性能，还具备优异的防火性能，能够有效阻止火势蔓延，为人员疏散和灭火救援争取时间。此外，无卤阻燃剂改性的木材，可用于室内家具、装饰线条等，提高了木材的防火等级，减少了火灾隐患 [2]。
结论
高效无卤阻燃剂凭借其环保、高效、低毒等优势，在提升材料防火性能方面发挥着重要作用。不同类型的无卤阻燃剂，如磷系、氮系、金属氢氧化物和微胶囊化红磷阻燃剂等，具有各自独特的作用机理和产品特点，适用于不同的材料和应用领域。随着科技的不断进步，无卤阻燃剂的性能将不断优化，应用范围也将进一步扩大，为保障各领域的消防安全和可持续发展做出更大贡献。
参考文献
[1] European Union. Directive 2011/65/EU of the European Parliament and of the Council of 8 June 2011 on the restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment (Recast). Official Journal of the European Union, 2011.
[2] 耐析出、相容性好的无卤阻燃剂技术开发及阻燃材料改性 [J]. 天津大学浙江研究院，2024.
[3] 微胶囊化红磷阻燃剂 [EB/OL]. 百度百科，2025.
[4] 增韧型接枝 BDP 无卤阻燃剂 (化合物)[EB/OL]. 抖音百科，2025.
[5] Horrocks, A. R. et al. “Mechanisms of action of flame retardants.” Fire Retardant Materials, 2017, pp. 25 - 61.
[6] Zhang, Y. et al. “Synthesis and application of melamine cyanurate as a nitrogen - based flame retardant.” Journal of Applied Polymer Science, vol. 130, no. 5, 2013, pp. 3092 - 3098.
[7] Le Bras, M. et al. “Metal hydroxides as flame retardants: recent developments and applications.” Fire and Materials, vol. 30, no. 5, 2006, pp. 249 - 261.
[8] Yang, G. et al. “A review on the preparation and application of magnesium hydroxide as a flame retardant.” Journal of Industrial and Engineering Chemistry, vol. 19, no. 6, 2013, pp. 1699 - 1706.
[9] Wang, X. et al. “Microencapsulation of red phosphorus and its application as a flame retardant.” Journal of Materials Science, vol. 40, no. 19, 2005, pp. 5143 - 5148.