塑料的耐燃性试验、阻燃剂种类及类型

1　引言

在塑料材料试验中,有两个经常进行的耐燃性试验:灼热丝试验和针焰试验。这两个试验的考查点是不同的。灼热丝试验是采用模拟技术评定使用环境中灼热元件或过载电阻之类的热源,在短时间内所造成的热应力的着火危险性,它用于模拟热源的起燃源是经过通电加热的灼热丝;针焰试验是采用模拟技术评定设备内部由于故障条件所造成小火焰的着火危险性,它用于模拟小火焰的起燃源是燃烧器产生的火焰。

2　材料耐燃性试验

2.1　灼热丝试验方法

灼热丝是用直径为4ｍｍ的镍/铬丝制成的环。试验时,用夹具将样品夹住,夹具可以在轨道上移动。灼热丝通电加热达到标准规定的温度,例如ＧＢ2099.1-1996规定:“对即使是与载流部件和接地电路相接触,但不是将它们保持在正常位置所必需的绝缘材料部件,试验要在650℃的温度下进行”。移动夹具,使灼热丝以0.8Ｎ～1.2Ｎ的力施加在样品上,施加时间为三十秒。在厚约10ｍｍ的平滑白松木板上紧裹一层绢纸作为铺底层,置于灼热丝施加点下方(200±5)ｍｍ处。如果样品未起燃,或虽然起燃,但在灼热丝移去三十秒内自动熄灭,且不引燃铺底层,则判灼热丝试验通过。

2.2　针焰试验方法

针焰试验是用针管通以丁烷,产生一个从针管顶端到火焰最高点的高度为12ｍｍ±1ｍｍ的火焰,按所选定的标准规定的时间严酷等级(例如60秒、30秒、10秒,时间越长越严酷)施加在样品表面上,针管顶端施加在侧表面时与样品侧表面的距离为5ｍｍ,或者施加在下表面且距离为8ｍｍ。铺底层与灼热丝试验相同。如果样品未产生火焰或施加结束后三十秒内火焰自动熄灭,且滴落物不引燃铺底层,则判针焰试验通过.

2.3　阻燃剂对塑料材料耐燃性的影响

材料耐燃性的好坏是与阻燃剂的添加密不可分的。合适的阻燃剂可以使被试材料在试验中始终达不到燃点,或达到燃点而起燃后又会自动熄灭。在灼热丝试验和针焰试验中可以见到,一些未添加阻燃剂的塑料材料在某个温度或时间严酷等级下可能起燃并且后燃时间大于30秒,但添加了合适的阻燃剂后,在该温度或时间严酷等级下可能转为不起燃或者虽然起燃但是在灼热丝或针焰移开后的30秒内自动熄灭,从而符合标准的要求。

3　塑料燃烧的过程及阻燃剂作用机理

3.1　塑料燃烧的过程

塑料燃烧的过程可以这样认为:在空气中,由于外部热源或火源使塑料被加热,而最终导致了降解,产生了挥发性产物、可燃性产物与热能产物,在外部热源的继续作用下,达到某一温度时塑料就会燃烧起来。塑料燃烧放出的一部分热量通过传导、辐射和对流等途径,又被正在降解的塑料吸收,挥发出更多可燃性产物;另一方面,在燃烧的过程中,火焰周围的空气剧烈扰动,增加了可燃性挥发物与空气的混合速度,使燃烧更加剧烈。

3.2　阻燃剂作用机理阻燃剂是一种能阻止燃烧、减低燃烧速度或提高着火点的一种物质。阻燃剂的作用机理如下:

3.2.1　阻燃剂分解产物的脱水作用使有机物碳化,就能防止燃烧塑料的燃烧是分解燃烧,而通常单质碳不进行产生火焰的蒸发燃烧和分解燃烧。因此,如果能使材料的热分解迅速进行,不停留在可燃性物质阶段而一直分解到碳为止,就可以防止燃烧。

3.2.2　阻燃剂分解形成不挥发的保护膜阻燃剂在塑料燃烧的温度下分解,其分解产物形成不挥发性的保护膜覆盖在表面,从而隔断空气防止燃烧。

3.2.3　阻燃剂分解产物将活性自由基链锁反应切断活性自由基的链锁反应能使火焰燃烧持续下去,阻燃剂分解产物将活性自由基链锁反应切断,从而有效地防止火焰燃烧。

3.2.4　燃烧热的分散与可燃性物质的稀释是实现阻燃的途径之一

由于燃烧热被大量吸收,降低了塑料的温度,从而减缓了分解蒸发和燃烧。另一方面,塑料阻燃剂体系里能分解产生不燃性气体,从而稀释了可燃性气体,达到阻燃的目的。

3.2.5　较重的气体或高沸点液体的隔氧作用

反应中脱出的水吸收了大量的热量,降低了可燃物表面温度,而且气化成蒸汽,在可燃物表面形成了一层保护膜,从而实现阻燃。

4　常用阻燃剂的种类及类型

4.1　常用阻燃剂的种类

4.1.1　含卤化合物

有机类和无机类含卤阻燃剂的作用机理是类似的,都是捕捉活性自由基。在高温下含卤阻燃剂分解产生的卤原子与聚合物反应生成卤化氢。卤化氢与活性自由基或氢原子反应,生成水或氢气,从而中断了链式氧化过程,使燃烧减缓以至停止。

4.1.2　含磷化合物

磷化物的阻燃效果相当大,燃烧时生成的偏磷酸可以聚合成稳定的多聚态,成为塑料的保护层,隔绝氧和可燃物,磷酸能促进塑料碳化。当磷和卤素共存时阻燃效果更大,两者反应生成的卤化磷具有较大的蒸气密度,覆盖于火焰表面可隔绝氧气和冲淡可燃物,同时产生卤化氢又可以捕捉活性自由基。

4.1.3　三氧化二锑与卤化物

三氧化二锑本身并无阻燃效果,但在卤化物的存在下却显示了很大的协同效果。因为两者在塑料表面层反应生成了挥发性的卤化物和卤氧化锑,它们的挥发可以吸收热量,同时产生气体可以隔绝氧气和稀释可燃物。

4.1.4　其它阻燃剂

比如氢氧化铝、硼化合物和氢氧化镁等.

4.2　阻燃剂的类型

根据塑料阻燃化的方法不同,可将阻燃剂分为添加型和反应型两大类。添加型阻燃剂是塑料成型过程中将其直接掺入塑料中,阻燃剂与塑料是单纯的物理混合,多用于热塑性塑料。反应型阻燃剂在塑料合成过程中作为单体原料之一,通过化学反应使其成为塑料分子链的一部分。

5　塑料中应用的部分阻燃剂

●ＰＶＣ本身有自熄性,但是ＰＶＣ的软质制品由于配用了大量的可燃性增塑剂而变得易燃了。为了阻燃,一般使用三氧化二锑及其与氯化石蜡并用,或使用磷酸酯类增塑剂。

●聚烯烃塑料使用的最有代表性的阻燃剂是含卤化合物与三氧化二锑并用。

●苯乙烯类树脂一般采用含卤磷酸酯和有机溴化物作为阻燃剂。

●酚醛树脂的氧指数为30%,一般可不用阻燃剂,但必要时可以用含卤磷酸酯、有机卤化物与三氧化二锑等。

6　小结

耐燃性是塑料安全性的一个重要指标。阻燃剂的使用对材料的阻燃性能有着极大的影响。材料不同,阻燃剂的成分和含量就千变万化。制造商应该在大量的试验中确定合适的阻燃剂和含量,以使材料通过耐燃性试验,从而保证塑料产品的防火安全性。