阻燃處理原理燃燒和阻燃的機(jī)理

為了了解現(xiàn)有紡織品阻燃劑如何起作用以及更重要的--如何研發(fā)未來的阻燃劑，關(guān)鍵是更為深入地探索成纖聚合物 的燃燒機(jī)理。

在燃燒中，燃料(來自熱降解或熱解纖維)、熱(來自引燃和燃燒)和氧(來自空氣)均作為主要成分發(fā)揮作用。為了中斷這種機(jī)理，人們提出了5種方式(a)~(e)。阻燃劑可在其中的一種或多種方式下發(fā)揮作用。以下所列為各個(gè)階段及相關(guān)的阻燃作用:

a)除熱;

b)提高分解溫度;

c)減少可燃揮發(fā)物的形成，增加炭量;

d)減少與氧的接觸或稀釋火焰;

e)干擾火焰化學(xué)反應(yīng)和/或提高燃料點(diǎn)燃溫度(Tc);

熔解和/或降解和/或脫水需吸收大量的熱(例如，在背涂層中含無機(jī)和有機(jī)磷的制劑、氫氧化鋁或水化氧化鋁)。

通常不為阻燃劑所利用;而在固有耐火和耐熱纖維 (如芳族聚酰胺纖維)中較常見。纖維素和羊毛中多數(shù)含磷、含氮的阻燃劑;在羊毛中的重金屬絡(luò)合物。水合的及某些促炭阻燃劑可釋放水;含鹵素阻燃劑可釋放鹵化氫。含鹵素阻燃劑，經(jīng)常與氧化銻結(jié)合。從上述內(nèi)容可以看出，某些類阻燃劑可以在多種方式下發(fā)揮作用，多數(shù)有效的例子都是如此。此外，某些阻燃制劑可產(chǎn)生液相中間物，該中間物可濕潤(rùn)纖維表面，從而成為隔熱和隔氧的屏障--廣為接受的硼酸鹽-硼酸混合物即可在這種方式下發(fā)揮作用。此外，它還可促進(jìn)成炭。為了簡(jiǎn)化化學(xué)阻燃行為之不同方式的分類，可以使用術(shù)語(yǔ)'凝聚'相和'氣或蒸汽'相活動(dòng)來區(qū)分它們。二者都是復(fù)合項(xiàng)，前者包括上述的(a~c)方式，后者包括(d)和(e)方式。物理機(jī)理通常同時(shí)起作用，這些機(jī)理包括通過形成涂層來排除氧氣和/或熱量(方式d)、增加熱容量(方式a)以及利用非易燃?xì)怏w稀釋或覆蓋火焰(方式d)。

纖維是否可以變軟和/或熔化(由表3中的物理轉(zhuǎn)化溫度所界定)決定著它是否具有熱塑性。熱塑性因其相關(guān)的物理變化，可嚴(yán)重影響阻燃劑的行為。傳統(tǒng)的熱塑性纖維(例如，聚酰胺、聚酯和聚丙烯)一收縮即可離開點(diǎn)燃火焰，從而避免被點(diǎn)燃:這使它們表面上顯現(xiàn)出阻燃性。事實(shí)上，如果收縮受阻，它們便會(huì)猛烈燃燒。這種所謂的支架效應(yīng)可在聚酯-棉以及類似的混紡織物上看到，即熔融聚合物熔化到非熱塑性棉上并被點(diǎn)燃。類似的效應(yīng)也可在由熱塑性和非熱塑性成分組成的復(fù)合紡織品 上看到。

隨著上述效應(yīng)而來的是熔滴(通常是有焰熔滴)問題，這種滴淌雖可移除焰鋒的熱并促使火焰熄滅(因而可以'通過'垂直火焰試驗(yàn))，但卻能使位于其下的表面(如地毯或皮膚)發(fā)生燃燒或二次點(diǎn)燃。

多數(shù)在批量生產(chǎn)期間或作為整理劑施用于傳統(tǒng)合成纖維上的阻燃劑通常都是通過增強(qiáng)熔融滴淌和/或促助有焰熔滴熄滅兩種方式發(fā)揮作用的。迄今為止，任何手段都不能降低熱塑性并大量促進(jìn)成炭，經(jīng)阻燃處理的纖維素(包括粘膠纖維)的情況就是如此。

按(d)和/或(e)方式在氣相起作用的阻燃劑都具有下述優(yōu)點(diǎn)，即它們會(huì)減小引燃傾向并有助于紡織品成纖聚合物的火焰熄滅。這是因?yàn)橐坏峤到猱a(chǎn)生的揮發(fā)產(chǎn)物或燃料在火焰中與氧發(fā)生氧化反應(yīng)，其化學(xué)性質(zhì)就會(huì)變得非常類似。因此，像斷絕氧氣((e)方式)或生成干擾自由基((f)方式)這兩種方式無疑都能保證阻燃劑的效果。

根據(jù)成本和效益，銻-鹵素阻燃劑是本體聚合物和背涂層紡織品領(lǐng)域內(nèi)最成功阻燃劑。與用于纖維素纖維的含磷和氮的纖維反應(yīng)性耐久阻燃劑不同，它們通常只能借助樹脂粘合劑用作背涂層劑。就紡織品而言，多數(shù)銻-鹵素體系都由三氧化二銻和含溴的有機(jī)分子(例如氧化十溴聯(lián)苯(DBDPO)或六溴環(huán)十三烷(HBCD))組成。一經(jīng)加熱，這些物質(zhì)就會(huì)釋放出HBr基和Br?；?。這二者會(huì)干擾火焰的化學(xué)反應(yīng)。

阻燃劑受熱時(shí)分解出不燃?xì)怏w，將可燃物分解出來的可燃?xì)怏w的濃度沖淡到燃燒下限以下。同時(shí)也對(duì)燃燒區(qū)內(nèi)的氧濃度具有稀釋的作用，阻止燃燒的繼續(xù)進(jìn)行，達(dá)到阻燃的作用。

根據(jù)燃燒的鏈反應(yīng)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(qū)，捕捉燃燒反應(yīng)中的自由基，從而阻止火焰的傳播，使燃燒區(qū)的火焰密度下降，最終使燃燒反應(yīng)速度下降直至終止。如含鹵阻燃劑，它的蒸發(fā)溫度和聚合物分解溫度相同或相近，當(dāng)聚合物受熱分解時(shí)，阻燃劑也同時(shí)揮發(fā)出來。此時(shí)含鹵阻燃劑與熱分解產(chǎn)物同時(shí)處于氣相燃燒區(qū)，鹵素便能夠捕捉燃燒反應(yīng)中的自由基，從而阻止火焰的傳播，使燃燒區(qū)的火焰密度下降，最終使燃燒反應(yīng)速度下降直至終止。

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(wěn)定泡沫覆蓋層，隔絕氧氣，具有隔熱、隔氧、阻止可燃?xì)怏w向外逸出的作用，從而達(dá)到阻燃目的。如有機(jī)阻磷類阻燃劑受熱時(shí)能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)更趨穩(wěn)定的交聯(lián)狀固體物質(zhì)或碳化層。碳化層的形成一方面能阻止聚合物進(jìn)一步熱解，另一方面能阻止其內(nèi)部的熱分解產(chǎn)生物進(jìn)入氣相參與燃燒過程。

在高溫條件下，阻燃劑 發(fā)生了強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng)，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(jī)理就是通過提高聚合物的熱容，使其在達(dá)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(fā)揮其結(jié)合水蒸汽時(shí)大量吸熱的特性，提高其自身的阻燃能力。