阻燃复合材料.doc

第八章 阻燃复合材料 8.1 简介 这一章概括叙述了各种提高玻纤增强聚合物材料阻燃性能的方法。所使用方法极其多样化，就复杂程度而论，囊括了从简单的添加化合物共混入聚合物基材或耐热保护层，到尖端的方法，包括对基材化学改性或化合物表面的热致性膨胀。除此之外，文章还概述了提高用在聚合物的机纤维热稳定性及阻燃能力的方法。 一种常见的降低复合材料可燃性的方法为向高聚物基材添加惰性填充物（如滑石，硅土）或热不稳定填料（如结合水氧化物）。填料的种类，其阻燃机理以及使用在合成材料时的效能都有说明。随后描述了为提高聚合物阻燃性能的化学和结构改性，强调了含有溴、氯、磷元素聚合物的阻燃机理和燃烧反应特点。开发作阻燃复合材料的阻燃纤维和无机填料填充聚合物的燃烧性能同样有被描述。而且这章纵览阻燃聚合物，保护复合材料免受火烧的热阻隔和膨胀保护层。 这章提及的某些方法已经被使用好几百年来降低易燃材料的可燃性了。这些方法原来是用于服装纤维和木材阻燃，并且最近应用在高分子和高分子复合材料阻燃。其他方法是过去十到五十年内发展起来的。有几种降低可燃性的新方法时下正在发展当中，有着为未来复合材料提供优秀阻燃性能的前景。一些更有前途的方法也被说明，包括接枝聚合阻燃化合物到有机聚合物和非易燃的无机结构聚合物。 8.2 燃烧循环 高分子复合材料基本的燃烧循环在图8.1直观地表示。燃烧过程在第一、二章已作了详细的说明，因此在此只作简单的回顾。当复合材料暴露于火焰中时，聚合物基材和有机纤维（如果存在）会作热降解，伴随着热量、烟课易燃气体的释放。气体由不能燃的水蒸气和易燃的挥发物组成。尽管对大多数用于复合材料的聚合物和有机纤维而言，分解温度典型地介乎300到500摄氏度范围之间，但分解发生温度却取决与聚合物的化学本性和燃烧环境。分解气从复合材料流向火焰，而那正是可燃挥发物与氧反应产生高活性H?和OH?自由基的场所。这些自由基在导致聚合物及其他有机燃料的降解和持续燃烧的链式反应中扮演重要角色。 在火焰中的高分分解反应可以H2-O2scheme: H?+O2→OH?+O? ( 8.1) O?+H2→OH?+H? (8.2) 在火焰中产生大部分热量的主要放热反应为： OH?+CO→CO2+H? (8.3) 在反应（8.2）和（8.3）产生H?自由基反馈到反应（8.1），因此该燃烧反应遵循着自动催化的历程或者“链式反应”。只要有足够的氧气，这种反应就能持续下去。产生的热量提高火焰燃烧区域的温度，而这反过来提高复合材料的分解速率。许多使用到的聚合物系统，比如涤纶，聚乙烯酯类，环氧树脂，释放出大量大大提可燃物载量的可燃气体 。这些物质使得燃烧过程会在空气中持续不止，直至来自聚合物基材以及有机纤维的可燃挥发物的供应不足以支持燃烧，并且这种情况常常发生在基材和纤维完全降解的时候。 削弱复合材料的燃烧能力可通过阻断或者减缓燃烧循环中（8.1）和（8.2）反应的连锁分支反应。阻燃聚合物材料依靠三种途径之一中燃烧断循环来起作用： 调整热降解过程来减少可燃气体的分量和（或）种类；产生除去H?与OH?自由基而熄灭火焰的分解气；并且（或者）依靠改变材料的热传导和（或）热容性质来降低材料温度。 阻燃聚合物常常以“凝聚相”“气相”作用来分类 ， 取决于它们是否阻断聚合物的分解或者在火焰中的燃烧。凝聚相意指聚合物，不论处于固态或熔融状态。凝聚相作用包含几种阻燃机理，包括： 通过增加惰性填充粒子来稀释可燃有机材料的含量， 通过添加作为热吸收剂发挥作用的填料来降低复合材料的温度， 通过加入吸热分解而释放水或者其他具有高比热容的不可燃产物的填料来降低温度， 使用通过吸热反应分解的聚合物来降低热释放速率， 增加聚合物机体的芳香含量使得其分解为由碳质烧灼物形成的隔热的表层，该隔热层能减缓向复合物材料的热传导并减少可燃气体释放。 气相阻燃聚合物通过干预燃烧反应起作用，加之削弱火焰传播和减少从火焰返还材料的热量。应用最广泛的气相阻燃机理常常为溴、氯、磷基自由基的释放，通过从从火焰中捕捉H?和OH?自由基终止放热燃烧反应。另一常见的机理为释放不可燃的水蒸气稀释火焰中H?和OH?自由基的浓度，其同时降低温度。尽管有许多阻燃剂单独以凝聚相或气相机理起作用，然而最有效的阻燃剂却同时以两种相机理作用。 8.3 复合材料的阻燃剂 已经有各式各样针对聚合物和聚合物复合材料的阻燃剂被开发出来，正在应用的有介于150至200种不同的化合物[1-8]。阻燃剂是目前使用在聚合物上面的最大一种添加剂，据 Georlette 估计在1997年