塑料阻燃性的指標

大多數塑料的阻燃性都不太好, 阻燃性的好壞與否有個衡量的辦法(標準), 這個衡量辦法有兩種:  一種是用氧指數( OI )來衡量, 另一種是用美國的UL標準來衡量, 下面分別介紹一下兩種標準的測定辦法:

A.  氧指數 ( OI )

氧指數的英文簡稱是OI, 它是衡量塑料燃燒性的一個重要指標。

它是指塑料的試樣, 在氮氣和氧氣的混合氣體之中, 保持繼續燃燒所必需的, 最低氧氣體積的分數。

不同塑料燃燒的性能也不同, 其氧指數也各有差異,  一種塑料的氧指數越小, 說明這種塑料持續燃燒所需氧氣的濃度也越小,  表明它的燃燒性越好, 就是越容是燃燒, 即使是在氧氣很少的情況下, 也可以持續的燃燒;  反之, 氧指數越大, 說明它要保持持續燃燒所需要氧氣的濃度也越大, 說明它的燃燒性不好(也就是阻燃性越好), 只有在有充足氧氣的情況下, 才可以保持持續的燃燒。

一般認為: OI < 22 屬于易燃性的塑料;

       OI  2227 屬于自熄性塑料;

   OI > 27屬于難燃性塑料。

 

    塑料的燃燒性各有不同, 有的塑料本來就很難燃燒, 如: 聚四氟乙烯。有的塑料見火就著, 如: 賽璐珞。 所以塑料也有難燃易燃之分。  塑料本身各有各的OI

下面是常用塑料的OI

                             OI

 聚甲醛                                 14.9

 聚氨酯                                 17

發泡聚乙烯                             17.1

聚甲基丙烯酸甲酯                       17.3

聚乙烯                                 17.4

聚丙烯                                 18

聚苯乙烯                               18.1

A B S                                  18.2

環氧樹脂                               19.8

聚對苯二甲酸丁二醇酯                   20

聚對苯二甲酸乙二醇酯                   20.6

氯化聚醚                               23

聚酰胺 (PA66)                          24.3

聚碳酸酯                               24.9

聚酰胺(PA1010)                         25.5

軟質聚氯乙烯塑料                       26

聚酰(PA6)                            26.4

酚醛樹脂                               30

聚苯醚                                 30

                                   32

密胺樹脂                               35

聚酰亞胺                               36

聚苯硫醚                               40

純聚氯乙烯樹脂                         45

硬聚氯乙烯塑料                         50

聚偏氯乙烯                             60

聚四氟乙烯                             95

   

從上表中可以看出, 大多數塑料的OI值都達不到27  而在一般的阻燃場合,  都要求塑料的氧指數要達到30左右, 因此大多數的塑料都需要進行性阻燃處理。  

  

B.  美國UL標準(UL—94)  

美國LU標準中測試方法為, 觀察塑料在直接接觸火源時的燃燒情況, 并對其進行耐燃性分析。

 V—0 :  離火后10秒鐘內熄滅, 并不引燃其下方30厘米處的藥棉。

 V—1 : 離火后1030秒鐘內熄滅, 并不引燃其下方30厘米處的藥棉。

 V—2: 離火后30秒鐘后熄滅, 但可引燃其下方30厘米處的藥棉。

上述兩種方法中, 我們中國主要采用的是氧指數的方法。 這種方法直觀性強, 便于比較。

 當兩種方法相互比較時,  一般 OI 大于 27時相當于UL標準的V – 0 級。

OI2722之間相當于UL標準的V  1 級。

OI小于22時相當于UL標準的V  2 級。

 

塑料的阻燃常與消煙相接合, 一般塑料燃燒都是先發煙后著火, 所以消煙也是一個重要的課題。

衡量塑料的發煙量大小的指標為最大比光密度 (Dm) , 也稱為最大煙密度。

Dm的測定是按ASTME622—83的標準,在煙密度箱內進行的。

具體方法為: 是由一個無焰輻射熱源,  進行規定時間的加熱,  使致發煙,  計算出比煙的密度,  最后選擇出其中比煙密度最大值,  稱為最大比煙密度。

 

 常見塑料的發煙密度如下:

塑料名稱                        最大比煙密度(Dm)

聚甲醛                                 0

尼龍6                                  1

聚甲基丙烯酸甲酯                       2

高壓聚乙烯                             13

低壓聚乙烯                             39

聚丙烯                                 41

聚四氟乙烯                             55

聚偏氯乙烯                             98

聚對苯二甲酸乙二醇酯                   390

聚碳酸酯                               427

聚苯乙烯                               494

ABS                                   720

聚氯乙烯                               720

   

一般要求塑料的最大煙密度要低于300 (Dm) 以下,  從上表中可以看出有很多樹脂 (聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、ABS 、聚氯乙烯) 的煙密度都超過了300 (Dm) , 所以都需要進行消煙處理。

這就是塑料的阻燃與消煙的最基本的原理。

    要弄清塑料阻燃的原理,  首先要了解塑料的燃燒過程。

    塑料的燃燒過程是一個很復雜的熱氧化反應的過程,  導致塑料燃燒的基本要素是: 熱、氧和可燃性氣體。

   塑料燃燒要經歷熱、氧和可燃性體三個階段:

   1. 熱的引發過程:

來自外部的熱源或火源的熱量, 導致塑料發生相態的變化,   (即從固態轉化成為液態)或者稱為化學的變化。

   2,  熱降解過程:

 這一過程為吸熱反應的過程, 當塑料吸收了一定的熱量后,  就會發生熱降解的反應。 這種反應的實質是, 在空氣中氧的存在下, 是一種自由基鏈式反應, 反應的結果是產生了氣相的可燃物體。有了可燃氣體就極易燃燒。

   3.  引燃過程:

當第二階段的熱降解反應生成的可燃物的濃度, 達到了著火的極限后, 與大氣中的氧氣相遇, 在火焰熱量的促使下, 環境溫度升高到足以使可燃性氣體自燃時, 從而也就引發了塑料的燃燒。

    燃燒部分所產生的熱量, 通過傳導熱、輻射和對流等方式, 傳導給相鄰部分的塑料, 相鄰部分的塑料吸收了熱量后, 也導致了熱降解, 并且也產生了可燃性的物體,  也就開始了燃燒,  如此傳遞下去, 大片的塑料就會都燃燒了起來, 這時即便撤去原來的火源,  塑料仍然將自行持續的燃燒。

   

    弄清了燃燒的原理, 就可以真對著燃燒的原理來進行真對阻燃的處理。

    阻燃的處理也是真對燃燒的原理而來的, 就是一要冷卻、二要隔離、三要終止它的鏈鎖反應, 來進行阻燃的。

    冷卻就是利用阻燃劑的熱分解反應所需要的熱量, 和塑料熱降解所需要的汽化熱, 來降低塑料表面的溫度, 從而阻止塑料的熱降解反應, 防止可燃物體的產生, 從而達到阻燃的效果。

    隔離方式有兩種, 一種為阻燃劑分解產生較重的不燃氣體或高沸點的液體,  覆蓋于燃燒的塑料表面, 隔絕氧氣和可燃物相互擴散。 按此原理阻燃的阻燃劑有: 有機氮類的(可分解產生氮氣和水)、硫酸胺及氨基硫酸胺等。

另一種為阻燃劑的熱分解, 促使塑料表面迅速脫水并發生碳化, 形成一層碳化層, 這種碳化層的膜, 即為阻燃隔離膜。 按此原理阻燃的阻燃劑主要有: 硼系、磷系及鹵化系之類, 尤其是后來發展起來的, 膨脹型的阻燃劑, 在燃燒的條件下, 所形成的隔離膜, 其厚度為其它阻燃劑所形成的隔離膜的7~8倍, 可見得其阻燃的效果十分的好。

    還有通過阻燃劑受熱分解出大量的不可燃的氣體 (如水蒸氣、二氧化碳、氮氣等), 以沖淡塑料分解產生的可燃性氣體的濃度, 使之降低到著火濃度以下, 從而達到氣相阻燃的效果。

    終止鏈鎖反應的原理是, 阻燃劑分解時產生一種能夠捕獲自由基的物體, 從而消滅燃燒鏈鎖反應中, 產生的自由基, 終止其氧化反應。  

 有機鹵化物在燃燒的溫度下可分解生成鹵化氫, 鹵化氫就具有捕獲自由基的能力, 自由基通過與烴類反應,  再生成鹵化氫, 如此循環往復,  從而達到了終止鏈鎖反應的作用。

 

    什么是鹵化物呢 ? 即鹵系化合物, 鹵系即所有氟、氯、溴、碘化合物都為鹵系化合物。 不同鹵系阻燃劑分解產生的鹵化氫, 捕獲自由基的能力也不一樣, 能力有強有弱, 其能力的強弱次序如下:

        > 溴 > 氯 > 氟

    從上式中可以看出,  氟化物能力最差, 幾乎起不到阻燃的作用,  碘化物的阻燃效果最好, 但它的穩定性又太差,  不具備實用的價值;  因此通常用溴化物的較多, 如十溴二苯醚、八溴二苯醚、 六溴苯、六溴環十二烷、五溴二苯醚、四溴雙酚A等等, 和氯化物, 如氯化石臘、全氯戊環癸烷、五氯苯酚和氯化聚乙烯等。

    應當強調的是, 同一種阻燃劑, 可能同時按幾種不同的阻燃機理進行著阻燃的。 因此, 不同類型的阻燃劑協同使用, 會起到比單一使用一種阻燃劑的會有更好的效果。

    : 磷化物在燃燒時, 會生成偏磷酸鹽, 可以聚合成穩定的多聚態, 可成為塑料的保護層; 磷酸又可促進塑料表面碳化。  因此, 磷化物和鹵化物共同使用, 阻燃的效果會更好。 因為兩者反應可生成鹵化磷, 鹵化磷具有極大的蒸汽密度, 可覆蓋于火焰表面, 隔絕氧氣, 并可沖淡可燃氣體的濃度, 大大的降低了燃燒性。

     阻燃劑三氧化二銻本身的阻燃效果并不好, 但要與鹵化物混合使用后,  二者會發生反應, 在塑料表面形成一層鹵化銻和鹵氧化銻。 這兩種氣體都是不燃性的氣體, 它可沖淡可燃氣體和隔絕氧化; 同時其揮發又可吸收大量的熱量, 能夠降低了塑料表面的溫度, 可發揮了多種的阻燃的效應。

旭一塑料科研部


2017年06月06日

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