高分子材料因具有优异的耐腐蚀性、可调节的分子结构和稳定的力学性质，在各研究机构备受重视，但这些材料存在阻燃性不足的问题，需要不断对其进行优化及研究，避免在使用这类材料时引发火灾等安全事故。因此，提高高分子材料的阻燃性能非常必要，这不仅能够扩大其使用场景，还能让其在实际应用中的安全性和可靠性能得到加强和提升。
1、高分子材料阻燃机理
燃烧反应的发生需要同时满足３个要素：着火源、可燃物质和助燃物质。只有当这３个要素同时存在时，燃烧反应才能发生。
1.1 气相阻燃
气相阻燃系统指在气相中使燃烧中断或延缓链式燃烧反应的阻燃作用。气相阻燃主要包括：
1. 阻燃材料受热或燃烧时能产生自由基抑制剂，从而使燃烧链式反应中断。
2. 阻燃材料受热或燃烧时生成细微粒子，它们能促进自由基相互结合以中止链式燃烧反应。
3. 阻燃材料受热或燃烧时释放出大量的惰性气体或高密度蒸汽。
1.2 凝聚相阻燃
凝聚相阻燃指在凝聚相中延缓或中断阻燃材料热分解而产生的阻燃作用。凝聚相阻燃主要包括：
1. 阻燃剂在凝聚相中延缓或阻止可产生可燃气体和自由基的热分解。
2. 阻燃材料中比热容较大的无机填料，通过蓄热和导热使材料不易达到热分解温度。
3. 阻燃剂受热分解吸热，使阻燃材料温升减缓或中止。
4. 阻燃材料燃烧时在其表面生成多孔炭层，此层难燃、隔热、隔氧，又可阻止可燃气进入燃烧气相。
1.3 中断热交换阻燃
中断热交换阻燃机理指将阻燃材料燃烧产生的部分热量带走，致使材料不能维持热分解温度，因而不能维持产生可燃气体，于是燃烧自熄。
２、阻燃高分子材料常见种类
2.1 磷系阻燃高分子材料
磷元素在燃烧过程中能够发挥多种作用，可以生成磷酸和亚磷酸等磷氧化合物，具有吸热和隔热作用，有效降低了材料表面的温度；还可以干扰燃烧链反应阻止火焰的扩散，并催化生成具有阻燃效果的炭层，进一步提高了阻燃性能。现阶段可以通过合理设计分子结构，实现磷系阻燃高分子材料的定制化，进一步提高其阻燃效率和稳定性。
２.2 氮系阻燃高分子材料
氮系阻燃高分子材料因其独特的阻燃机制、高热稳定性和较低的毒性，近年来研究迅速增多。这类材料通常通过在分子链中引入三聚氰胺、膦酸酯和脲形式酰胺等含氮结构元素，提高其碳化率，从而提升阻燃性能。
同时，氮系阻燃剂能与高分子链发生交联反应，形成稳定的炭层结构，有效隔离氧气和热量。通过纳米复合技术将氮系阻燃剂与纳米材料如层状硅酸盐、碳纳米管和石墨烯等结合，可进一步提高其阻燃效率和力学性能。
2.３卤系阻燃高分子材料
卤系阻燃高分子材料因其优越的防火性能，在工程领域得到了广泛的应用，其最大的优点是需要添加的比例较小，就能达到显著的阻燃效果。不足之处也同样明显，主要是在使用过程中会释放出具有侵蚀性的气体。
因此，如何既保留卤系阻燃剂的优势，又能解决其缺陷，研发出既环保又高效的新型阻燃材料，成为研究领域迫切需要解决的问题。
2.４本质阻燃高分子材料
本质阻燃高分子材料由于其独有的化学结构，本身就具备了抗氧化和耐高温的特性，无须在使用时进行调整和改造。这一特质避免了复杂的后处理改性过程，使这类材料成为研究人员和行业内部分人士关注的焦点。
虽然目前自阻燃的高分子材料在成本控制和制造过程上还存在一定阻碍，如其价格昂贵、生产步骤较为烦琐等，但其在阻燃材料领域的应用和普及潜力已经成为一个关键的发展方向。
2.５ 有机阻燃剂
在不含卤素的有机阻燃剂范围里，以磷为基础的阻燃剂成效显著。
此外，不仅是磷基阻燃剂，含有多种阻燃元素的有机阻燃剂同样能提高高分子材料的阻燃效果，而且这些元素之间的相互作用能够进一步显著增加材料的极限氧指数。
2.６无机阻燃高分子材料
无机高分子阻燃材料的阻燃机制具有一定的复杂性。总的来说，无机高分子阻燃材料的主要作用机理是依靠阻燃剂在分解过程中的吸热效应，或者依赖于具有高热积累性能的大比容填料，以阻止材料达到关键的分解温度，借以达到阻燃的效果。
2.７复合型阻燃剂
复合阻燃剂包含多种类型的阻燃成分，每种成分的组成和阻燃作用机制都有所不同。在使用硅系和磷系阻燃剂的组合材料时，磷系阻燃剂能在燃烧时产生难以燃烧的气体，有效地帮助阻止火势的蔓延；硅系阻燃剂在加热时会生成一层密实的保护性膜，这层膜不仅阻断了空气与材料的直接接触，还能固定磷系阻燃剂产生的不易燃烧的气体在材料内。这种阻燃剂间的相互作用能够有效提升材料的整体阻燃能力，实现了单一阻燃剂无法达到的效果。
３、阻燃高分子合成材料在工程领域中的应用
3.1 在建筑工程领域的应用
随着技术进步和人们生活品质要求的不断提升，建筑领域对材料的多样化与先进化需求越发迫切。多功能的高分子合成材料因其品种繁多、成本效益高和功能性强大等优点，在建筑工程中得到了广泛的应用，例如作为排水管的聚氯乙烯、作为绝缘材料的聚氨酯泡沫、用于保温的酚醛树脂等。
建筑工程中对材料的阻燃要求极为严格，常规高分子合成材料的阻燃性通常难以满足高标准的建筑防火需求，故而其阻燃改性变得尤为重要，以便能更好地服务于建筑行业。改良后的高分子合成材料的防火性能对于保障居民生命财产安全起着至关重要的作用。
例如，聚氯乙烯这种在建筑行业中普遍存在的材料，要提高其阻燃效果，常会添加三氧化二锑这类无机阻燃剂。经过此类改性的聚氯乙烯，在电线绝缘和电管道等应用中被广泛采用。
图源：湖南闪星
在室内装饰方面，通过使用经过改良增加了阻燃特质的高分子合成物质是一种趋势，比如在ＰＶＣ材料中混合氢氧化镁、磷系列的阻燃剂等，利用不同的阻燃机理，生产出效果显著的防火墙纸。这种墙纸的极限氧指数经过提高之后，能够达到很难着火或甚至完全不燃的水平，应用这种既环保又具备防火性能的改性ＰＶＣ作为装修墙纸，能显著降低可燃物发生燃烧的风险。
在建筑工程中，制造防火涂料时也越来越多地采用高分子合成材料。例如，使用卡拉胶作为外层包裹物，内含聚磷酸铵的组合作为防火添加剂，进而将其融合进水性环氧树脂中。这样制成的防火涂料用于建筑表面，能显著提升建筑的阻燃性能，这种组合方式在建筑工程防火领域展现出巨大的实际应用价值和广泛的发展潜力。
3.２在汽车工程领域中的应用
随着经济的进步和科技的进步，汽车已经变成了人们日常生活中不可或缺的交通工具，并且呈现出多样化的应用趋势。特别是新能源汽车的兴起，已经成为汽车市场的一个重要部分，新能源电池和汽车承重结构等关键部件广泛使用高分子材料。
目前，这些部件主要由聚烯烃类材料构成，部分则由聚氨酯、PC等材料制成。但这些材料在阻燃性方面表现不佳，不足以满足安全使用的需求，在发生交通事故的时候，这些材料在高温下容易热分解并着火，对驾乘人员的安全构成威胁。为了增强汽车的安全标准，需要提高使用的高分子材料的防火性能。
在目前的市场上，一些经过改良的阻燃高分子材料已经开始被用于汽车制造领域。例如，通过将苯二甲酸乙二胺和磷酸盐类阻燃剂混合后，添加到热塑性工程塑料中，可以借助氮和磷元素的相互作用制造出具有阻燃特性的热塑性工程塑料。
结语
阻燃高分子材料的研究工作已经为工程领域的安全性和性能提供了重要的支持，这些材料的研究始于阻燃机理的探讨，包括气相阻燃、凝聚相阻燃和中断热交换阻燃。各种类型的阻燃材料，如磷系、氮系、卤系、本质性、有机和无机阻燃剂以及复合型阻燃剂，都被各研究团队进行了深入的探讨，现阶段这类材料的应用已经扩展到建筑和汽车工程领域。
参考资料：长丰化工 杨滨、杨劲松《阻燃高分子材料在工程领域中的应用进展研究》聚酯工业，2024.02期
原文始发于微信公众号（艾邦高分子）：阻燃高分子材料的阻燃机理以及在工程领域中的应用
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