塑料阻燃性的指标

大多数塑料的阻燃性都不太好, 阻燃性的好坏与否有个衡量的办法(标准), 这个衡量办法有两种:  一种是用氧指数( OI )来衡量, 另一种是用美国的UL标准来衡量, 下面分别介绍一下两种标准的测定办法:

A.  氧指数 ( OI )

氧指数的英文简称是OI, 它是衡量塑料燃烧性的一个重要指标。

它是指塑料的试样, 在氮气和氧气的混合气体之中, 保持继续燃烧所必需的, 最低氧气体积的分数。

不同塑料燃烧的性能也不同, 其氧指数也各有差异,  一种塑料的氧指数越小, 说明这种塑料持续燃烧所需氧气的浓度也越小,  表明它的燃烧性越好, 就是越容是燃烧, 即使是在氧气很少的情况下, 也可以持续的燃烧;  反之, 氧指数越大, 说明它要保持持续燃烧所需要氧气的浓度也越大, 说明它的燃烧性不好(也就是阻燃性越好), 只有在有充足氧气的情况下, 才可以保持持续的燃烧。

一般认为: OI < 22 属于易燃性的塑料;

       OI  2227 属于自熄性塑料;

   OI > 27属于难燃性塑料。

 

    塑料的燃烧性各有不同, 有的塑料本来就很难燃烧, 如: 聚四氟乙烯。有的塑料见火就着, 如: 赛璐珞。 所以塑料也有难燃易燃之分。  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

发泡聚乙烯                             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

环氧树脂                               19.8

聚对苯二甲酸丁二醇酯                   20

聚对苯二甲酸乙二醇酯                   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

软质聚氯乙烯塑料                       26

聚酰(PA6)                            26.4

酚醛树脂                               30

聚苯醚                                 30

                                   32

密胺树脂                               35

聚酰亚胺                               36

聚苯硫醚                               40

纯聚氯乙烯树脂                         45

硬聚氯乙烯塑料                         50

聚偏氯乙烯                             60

聚四氟乙烯                             95

   

从上表中可以看出, 大多数塑料的OI值都达不到27  而在一般的阻燃场合,  都要求塑料的氧指数要达到30左右, 因此大多数的塑料都需要进行性阻燃处理。  

  

B.  美国UL标准(UL—94)  

美国LU标准中测试方法为, 观察塑料在直接接触火源时的燃烧情况, 并对其进行耐燃性分析。

 V—0 :  离火后10秒钟内熄灭, 并不引燃其下方30厘米处的药棉。

 V—1 : 离火后1030秒钟内熄灭, 并不引燃其下方30厘米处的药棉。

 V—2: 离火后30秒钟后熄灭, 但可引燃其下方30厘米处的药棉。

上述两种方法中, 我们中国主要采用的是氧指数的方法。 这种方法直观性强, 便于比较。

 当两种方法相互比较时,  一般 OI 大于 27时相当于UL标准的V – 0 级。

OI2722之间相当于UL标准的V  1 级。

OI小于22时相当于UL标准的V  2 级。

 

塑料的阻燃常与消烟相接合, 一般塑料燃烧都是先发烟后着火, 所以消烟也是一个重要的课题。

衡量塑料的发烟量大小的指标为最大比光密度 (Dm) , 也称为最大烟密度。

Dm的测定是按ASTME622—83的标准,在烟密度箱内进行的。

具体方法为: 是由一个无焰辐射热源,  进行规定时间的加热,  使致发烟,  计算出比烟的密度,  最后选择出其中比烟密度最大值,  称为最大比烟密度。

 

 常见塑料的发烟密度如下:

塑料名称                        最大比烟密度(Dm)

聚甲醛                                 0

尼龙6                                  1

聚甲基丙烯酸甲酯                       2

高压聚乙烯                             13

低压聚乙烯                             39

聚丙烯                                 41

聚四氟乙烯                             55

聚偏氯乙烯                             98

聚对苯二甲酸乙二醇酯                   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烟密度要低于300 (Dm) 以下,  从上表中可以看出有很多树脂 (聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、ABS 、聚氯乙烯) 的烟密度都超过了300 (Dm) , 所以都需要进行消烟处理。

这就是塑料的阻燃与消烟的最基本的原理。

    要弄清塑料阻燃的原理,  首先要了解塑料的燃烧过程。

    塑料的燃烧过程是一个很复杂的热氧化反应的过程,  导致塑料燃烧的基本要素是: 热、氧和可燃性气体。

   塑料燃烧要经历热、氧和可燃性体三个阶段:

   1. 热的引发过程:

来自外部的热源或火源的热量, 导致塑料发生相态的变化,   (即从固态转化成为液态)或者称为化学的变化。

   2,  热降解过程:

 这一过程为吸热反应的过程, 当塑料吸收了一定的热量后,  就会发生热降解的反应。 这种反应的实质是, 在空气中氧的存在下, 是一种自由基链式反应, 反应的结果是产生了气相的可燃物体。有了可燃气体就极易燃烧。

   3.  引燃过程:

当第二阶段的热降解反应生成的可燃物的浓度, 达到了着火的极限后, 与大气中的氧气相遇, 在火焰热量的促使下, 环境温度升高到足以使可燃性气体自燃时, 从而也就引发了塑料的燃烧。

    燃烧部分所产生的热量, 通过传导热、辐射和对流等方式, 传导给相邻部分的塑料, 相邻部分的塑料吸收了热量后, 也导致了热降解, 并且也产生了可燃性的物体,  也就开始了燃烧,  如此传递下去, 大片的塑料就会都燃烧了起来, 这时即便撤去原来的火源,  塑料仍然将自行持续的燃烧。

   

    弄清了燃烧的原理, 就可以真对着燃烧的原理来进行真对阻燃的处理。

    阻燃的处理也是真对燃烧的原理而来的, 就是一要冷却、二要隔离、三要终止它的链锁反应, 来进行阻燃的。

    冷却就是利用阻燃剂的热分解反应所需要的热量, 和塑料热降解所需要的汽化热, 来降低塑料表面的温度, 从而阻止塑料的热降解反应, 防止可燃物体的产生, 从而达到阻燃的效果。

    隔离方式有两种, 一种为阻燃剂分解产生较重的不燃气体或高沸点的液体,  覆盖于燃烧的塑料表面, 隔绝氧气和可燃物相互扩散。 按此原理阻燃的阻燃剂有: 有机氮类的(可分解产生氮气和水)、硫酸胺及氨基硫酸胺等。

另一种为阻燃剂的热分解, 促使塑料表面迅速脱水并发生碳化, 形成一层碳化层, 这种碳化层的膜, 即为阻燃隔离膜。 按此原理阻燃的阻燃剂主要有: 硼系、磷系及卤化系之类, 尤其是后来发展起来的, 膨胀型的阻燃剂, 在燃烧的条件下, 所形成的隔离膜, 其厚度为其它阻燃剂所形成的隔离膜的7~8倍, 可见得其阻燃的效果十分的好。

    还有通过阻燃剂受热分解出大量的不可燃的气体 (如水蒸气、二氧化碳、氮气等), 以冲淡塑料分解产生的可燃性气体的浓度, 使之降低到着火浓度以下, 从而达到气相阻燃的效果。

    终止链锁反应的原理是, 阻燃剂分解时产生一种能够捕获自由基的物体, 从而消灭燃烧链锁反应中, 产生的自由基, 终止其氧化反应。  

 有机卤化物在燃烧的温度下可分解生成卤化氢, 卤化氢就具有捕获自由基的能力, 自由基通过与烃类反应,  再生成卤化氢, 如此循环往复,  从而达到了终止链锁反应的作用。

 

    什么是卤化物呢 ? 即卤系化合物, 卤系即所有氟、氯、溴、碘化合物都为卤系化合物。 不同卤系阻燃剂分解产生的卤化氢, 捕获自由基的能力也不一样, 能力有强有弱, 其能力的强弱次序如下:

        > 溴 > 氯 > 氟

    从上式中可以看出,  氟化物能力最差, 几乎起不到阻燃的作用,  碘化物的阻燃效果最好, 但它的稳定性又太差,  不具备实用的价值;  因此通常用溴化物的较多, 如十溴二苯醚、八溴二苯醚、 六溴苯、六溴环十二烷、五溴二苯醚、四溴双酚A等等, 和氯化物, 如氯化石腊、全氯戊环癸烷、五氯苯酚和氯化聚乙烯等。

    应当强调的是, 同一种阻燃剂, 可能同时按几种不同的阻燃机理进行着阻燃的。 因此, 不同类型的阻燃剂协同使用, 会起到比单一使用一种阻燃剂的会有更好的效果。

    : 磷化物在燃烧时, 会生成偏磷酸盐, 可以聚合成稳定的多聚态, 可成为塑料的保护层; 磷酸又可促进塑料表面碳化。  因此, 磷化物和卤化物共同使用, 阻燃的效果会更好。 因为两者反应可生成卤化磷, 卤化磷具有极大的蒸汽密度, 可覆盖于火焰表面, 隔绝氧气, 并可冲淡可燃气体的浓度, 大大的降低了燃烧性。

     阻燃剂三氧化二锑本身的阻燃效果并不好, 但要与卤化物混合使用后,  二者会发生反应, 在塑料表面形成一层卤化锑和卤氧化锑。 这两种气体都是不燃性的气体, 它可冲淡可燃气体和隔绝氧化; 同时其挥发又可吸收大量的热量, 能够降低了塑料表面的温度, 可发挥了多种的阻燃的效应。

旭一塑料科研部


2017年06月06日

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