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 ＝ 22～27 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值

下面是常用塑料的OI值

 塑 料 品 名                            OI值

 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

聚酰胺(PA6)                            26.4

酚醛樹脂                               30

聚苯醚                                 30

聚 砜                                  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級 :  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級 : 離火后10～30秒鐘內熄滅, 并不引燃其下方30厘米處的藥棉。

 V—2級: 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。

OI在27～22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:

       碘 > 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。

    如: 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