说到消防安全，时间可以挽救生命。 用于阻燃的所有产品都旨在通过防火或阻燃来赢得更多逃离时间，从而保证人员安全。 我们身边的几乎所有事物都含有阻燃要素——家居、办公室、车辆、航空 商业船舶甚至服装。
对于阻燃产品设计人员来说，进行材料开发之前需要考虑多种因素，例如：
- 产品应该是硬质、软质还是有弹性？
- 外观是否重要——有光泽、哑光、透明或染色？产品在最终消费者不可见的使用或应用中，是否可见？
- 产品是否需要水洗及耐水？
- 将使用何种检测方法？
- 制造过程之后，阻火系统是否仍能发挥作用？
- 材料的可接受监管限值是多少？
在产品设计中，了解产品需要通过何种阻燃试验至关重要。 不同应用中，国家和州标准各有差异。 例如：
- 美国国家防火协会 (NFPA) 标准，如 NFPA701纺织品垂直燃烧法
- Underwriters Laboratory的塑料燃烧性能UL 94法
- 机动车安全标准MVSS302
- ASTM E-.84隧道试验
- 英国软装标准5852
- 加拿大标准协会 CSA
- 加利福尼亚TB-603床垫燃烧
- 德国DIN 4102 - B1
- 法国NFP 92503 M1
还有更多标准未被列出。其共同目标都是在火灾中保护公众，赢得逃生时间。 在世界范围内，有很多对最终产品进行检测的独立实验室。
假设开发人员了解检测过程，哪些工具可用于构建阻燃产品呢？ 从根本上来说，灭火的方法就是消除火存在的三要素中的一个或两个要素：燃料、氧气和 热量。
燃料
在涂料和复合产品中，燃料可能是基质，例如纸张、棉、聚酯、尼龙纺织品、薄膜、木材和建筑业中使用的易燃聚合物。 在可能的情况下，应选择不会在火灾中成为燃料的材料。 玻璃和陶瓷纤维不会燃烧，有些通过精密设计的材料，如Nomex®、Kevlar®以及碳化纤维等，非常耐燃烧。
ASTM D2863极限氧指数(LOI%)测试就是其中一种燃烧性测试方法。 此测试测量支持聚合物燃烧的最低氧气百分比。 该数值越高，其耐火性越好。 环境氧气含量为21%。 高于21%的LOI被视为阻燃聚合物，低于21%的聚合物被视为燃料。
常见材料的极限氧指数 (LOI)
| 材料 | % LOI | 开始分解 °C / 熔点 (Tm °C) | 阻燃成分 |
|---|---|---|---|
| 玻璃/矿物纤维 | 不适用 | 不适用 | 不燃 |
| PTFE | 95 | 300-327-不燃 | 氟 |
| PVDC & 共聚物 | 60 | 225-232 | 氯 |
| PVC & 共聚物 | 37-39 | 245-270 | 氯 |
| NOMEX® | 28.5-30 | 350 | 对位芳纶 |
| NHFR 聚合物（路博润） | 29.5 | 175-390 | 氮/磷 |
| Kevlar® | 29 | 500 | 间位芳纶纤维 |
| 羊毛 | 24-25 | 500-600——不熔 | 酰胺NOx |
| 溴化聚氨酯 | 23 | 160-200 | 溴 |
| 环境中的氧气含量21% | |||
| 聚酯 | 20-21 | 560 / Tm = 249 | 燃料 |
| 尼龙 | 20-21.5 | 532 / Tm = 249 | 燃料 |
| 聚丙烯 | 17-18 | 260 / Tm = 133 | 燃料 |
| 丙烯酸粘合剂 | 18-20 | 210 | 燃料 |
| 棉/纸张 | 18-21 | 300 / 缓慢分解 | 燃料 |
| 丁苯 | 18 | 150-350 | 燃料 |
热量与氧气
这两个要素相互联系，只要将其远离火源即可。 很多阻燃化学在气相中发挥作用。 聚合物或添加剂产生气体可用于去除火中的氧气。 常见气相材料包括氮，溴或氯等卤素，磷复合物和水。 在这些材料分解的同时，还起到冷却作用。 另一个机制是焦化。 烧焦物能阻隔材料和火焰，阻碍燃烧。
阻燃材料的分解温度差别很大。 分解温度和最终复合物之间的匹配很重要。 例如，聚乙烯或聚丙烯等低熔点纤维将在分解温度之前的130 °C熔化。 采用玻璃纤维制成的复合物不会遇火收缩，纤维质材料，如纸张或棉在火焰初期的时间较长，比低熔点合成物散发的热量更多。 常用的材料还有APP、ATH、MC和DBDPE。
常见阻燃材料的一般分解温度
| 材料 | 开始分解 °C | 活性成分或阻燃物 | 气相比重 % |
|---|---|---|---|
| 碳酸铵* | 58 | 二氧化碳+水 | 67 |
| 氢氧化铝 (ATH) | 230 | 水、烧焦物 | 35 |
| 多磷酸铵 (APP)* | 285-290 | 磷氧化物、氮氧化物、氧化物 | 73 |
| 三聚氰胺氰脲酸盐 (MC) | 305-320 | 氮与氧化物、水、烧焦物 | 49 |
| 氢氧化镁 | 330 | 水、烧焦物 | 31 |
| 十溴二苯乙烷 (DBDPE) | 330 | 溴、烧焦物 | 82 |
| 碳酸钙 | 825 | 二氧化碳、水 | 44 |
阻燃增效剂
常见增效剂，如三氧化锑、五氧化二锑和硼酸锌，都在阻燃剂配方中使用，以改进整体性能和经济成本。 锑化合物通常与溴化和氯化阻燃剂结合使用。 三氧化锑通常与卤化聚合物和添加剂以卤素和三氧化锑 3:1至5:1 的比例进行使用。 五氧化二锑是一种透明胶粒，而三氧化锑是一种尺寸更大的不透明涂料。 硼化合物与卤化阻燃剂的作用类似，在聚合气相燃烧中发挥作用。
阻燃剂的其他注意事项
当燃烧中的基质破裂或从样品上掉落并继续燃烧时，会出现燃烧滴落物。 很多实验方法都要求燃烧滴落物在规定的时间内熄灭。 另外一些实验标准不允许存在任何燃烧滴落物。 尽管很难避免燃烧滴落物的出现，尤其对于某些基质来说，但可以在阻燃复合物中添加三聚氰胺氰脲酸盐等添加剂。 复合物或基质内的较高程度的交联也有助于防止涂料流动，从而有助于减少燃烧滴落物的出现。
尽管卤化阻燃剂在防火方面非常有效，全燃火产生的烟气和挥发物也在严格审查范围内。 考虑在火灾中逃生时，尤其要关注烟浓度和烟气毒性。 为了减少烟气的产生，降低烟气毒性，人们越来越关注无卤素阻燃剂。 水化填料也被证明能在阻燃涂料中产生强大的抑制烟气产生的作用。
除了燃烧的水滴和烟雾外，还定期测量余辉，并在火焰测试期间加以限制。 余辉是移除火焰后的残留阴燃。 其可能在初步灭火之后复燃，因此也是隐患之一。 根据基质，通常使用多磷酸铵、硼酸锌和三聚氰胺来抑制、减少或防止余辉。
膨胀型防火涂料
一种特殊的阻燃方法是使涂料遇火后形成发泡烧焦物，阻隔燃烧表面和火焰。 烧焦物层会使火焰与热量和氧气阻隔开来。 最常见的膨胀型系统使用以下干基成分。
- 酸源（多磷酸铵）【磷酸】——3份
- 碳源（二季戊四醇）——1份
- 发泡剂（三聚氰胺）【氮发泡剂】——1份
- 粘合剂——【最好是烧焦物】——1-2份
膨胀型涂料的缺点是不耐久，且能被水损坏。
确保采用适合的防火系统
阻燃化学通常为含有卤素、磷基或膨胀型，将填料和增效剂结合使用（或所述化学反应的混合）以在燃烧机制中的一个或多个阶段发挥作用。 为了生成高效的阻燃系统、涂料或合成物，必须考虑多种因素。 被处理（或施涂）的基质将决定所选阻燃剂的类型。 复合物基质必须通过的试验将影响阻燃剂的等级。 处理和涂层法有助于定义阻燃系统的物理特性。 成本考虑和健康/环境限制也对配方过程产生影响。
路博润能帮助配方设计师发现有效方式，为多种阻燃应用探索适当的化学反应。 联系我们，采取进一步行动。
NOMEX® 及Kevlar® 是 DuPont de Nemours, Inc.的商标。
订阅我们的博客
