阻燃高分子材料在建筑工程中的應用及其研究進展綜述

田 強 ，王桂珍

（山東省聊城市建設工程質量服務中心，山東聊城252000）

基于分子結構靈活［1］、力學性能良好［2］、耐濕熱與耐腐蝕性能優異［3］等優點，工程塑料、纖維、橡膠等高分子材料在給水管（聚丙烯或聚乙烯材質管道）、排水管（聚氯乙烯或聚丙烯材質管道）、電線與電纜絕緣層（聚烯烴、聚酰胺等）、墻體保溫材料（聚苯乙烯泡沫塑料、酚醛樹脂泡沫塑料或聚氨酯泡沫塑料）等建筑工程領域的應用愈發廣泛，它們的分子鏈中通常含有碳、氫等易燃元素，在國家高度重視安全問題的背景下，人們對含有易燃元素的高分子材料綜合性能提出更高要求，希望其能夠以對原有功能的保持為前提具備良好的阻燃性能，有效降低火災發生率，保證使用安全。

阻燃是采取將熱量傳遞過程延緩，對熱量的釋放進行抑制，或者將易燃氣體同燃燒物之間的接觸隔絕等方式達到阻礙燃燒行為發生或繼續目的的一種技術［4］。就高分子材料而言，其燃燒過程十分復雜，一般受到高溫的影響，高分子材料表層的分子熱運動會加劇，若溫度達到某一臨界值，分子鏈會斷裂并降解為小分子，此時會有可燃性氣體持續產生，加劇燃燒行為的延續［5］。自問世以來，阻燃高分子材料便得到廣泛的關注，人們十分希望此類材料將降低火災發生率、保護安全等方面的重要作用充分地發揮出來。

近年來，科學研究與工業生產中開發的阻燃高分子材料主要有本質型與添加型2 種類型，文章闡述該類材料在建筑工程領域的應用，并對本質型與添加型阻燃高分子材料的研究進展進行綜述。

1 阻燃高分子材料在建筑工程領域的應用

社會發展中，建筑行業所處地位很高，行業所用材料的阻燃性是居民生命安全的保障，進行有優異阻燃性能的高分子材料的制備，將其應用到建筑工程材料、室內裝修裝飾材料等領域，以安全的保證為前提節約成本，是建筑行業施工的重要目標之一。用于建筑工程領域的高分子材料有通用塑料、工程塑料、熱固性塑料等多種類型，其中，通用塑料包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等，工程塑料包括酚醛樹脂、脲醛樹脂、聚氨酯等，熱固性塑料則包括環氧樹脂、不飽和聚酯等，這些材料在墻體、天花板、地板、電纜等制品的制造中應用的比較多［6］，但它們的阻燃防火性能比較差，難以滿足實際應用要求，故需改進性能，進行有優異綜合性能的阻燃高分子材料的制備。

近年來，在建筑工程領域應用的阻燃高分子材料越來越多。王娜等［7］用卡拉膠將聚磷酸銨包覆起來，將其用作阻燃劑添加至水性環氧樹脂中，進行阻燃級別可達V-0 級的阻燃防火涂層的制備，試驗結果顯示此材料在建筑阻燃涂層中具有比較突出的發展與應用潛力。侯培鑫等［8］將石墨烯、含磷阻燃劑DOPO、硅烷偶聯劑一起讓它們進行反應，以此制備得到一種復合型阻燃添加劑，并用于對環氧樹脂的改性，結果表明，含磷阻燃劑DOPO 可以在很大程度上優化樹脂材料的熱穩定性與阻燃性，硅烷偶聯劑的主要作用則在于改進高分子材料的力學性能。此外，在被應用于建筑工程領域時，石墨烯、含磷阻燃劑DOPO、硅烷偶聯劑反應所得的復合阻燃添加劑只需添加很少的劑量便能使樹脂材料達到建筑材料阻燃要求，這能夠在較大程度上減少建筑材料成本。

2 本質型阻燃高分子材料研究進展

本質型阻燃高分子材料是在不外添加阻燃劑的條件下本身就具有阻燃性，且可達到一定阻燃級別的一類高分子材料，包括基于自身特殊的化學結構而具備耐高溫、耐氧化、不易燃、可持久阻燃等特征的聚合物，亦包括那些通過在高分子主鏈上共聚、接枝、鹵化而將阻燃元素與基團引入，使易燃、可燃高分子轉變為具有本質阻燃性能的高分子。從長遠層面來看，本質型阻燃高分子代表著阻燃高分子材料的發展方向，它們在今后的某一階段可能會將部分受到阻燃劑處理的阻燃高分子材料替代。

在進行本質型阻燃高分子材料的制備時，一般會先采用分子設計方法制備含磷、硅、氮等原子的聚合單體，之后經聚合在聚合物主鏈中引入磷、硅、氮等元素。其中，含磷阻燃劑DOPO 是一種較多應用于合成含磷元素單體的化合物。郭軍紅等［9］用順丁烯二酸酐與DOPO 混合制備含磷單體，并讓此單體同二元酸及二元醇反應得到含磷聚酯二元醇，在同甲苯二異氰酸酯縮合后，完成了含磷本質型阻燃水性聚氨酯的制備。而通過將原料的投料比例改變，聚氨酯主鏈中磷元素的含量會發生變化，郭軍紅等通過試驗證明，在磷元素質量分數達2.5%時，本質型阻燃水性聚氨酯的極限氧指數為34.0%，其性質為難燃的。

含氮元素的本質型阻燃高分子材料最為常見的一種結構為均環三嗪。陳琳等［10］進行含苯酰亞胺結構的間苯二甲酸甲酯的制備，通過將其同對苯二甲酸、乙二醇縮合，得到側鏈含苯酰亞胺結構的聚對苯二甲酸乙二酯。試驗結果指出，當苯酰亞胺結構的質量分數在10%～20% 之間時，聚對苯二甲酸乙二脂的極限氧指數全部比26.0%大，而當質量分數為20% 時，聚對苯二甲酸乙二酯的極限氧指數可上升29.0%，但純聚對苯二甲酸乙二酯的極限氧指數只有22.0%。

除了將磷、氮等元素單獨引入到聚合物主鏈中，采用分子設計的方式將兩種或大于兩種的具有阻燃效果的元素引入到聚合物主鏈或側鏈中也是一種較為有效的手段，該方式可發揮不同元素間的協同阻燃效果，實現對高分子材料阻燃性能的優化。姚曉皓［11］進行含磷元素及均環三嗪結構的固化劑的制備，在環氧樹脂固化中對其加以應用，結果顯示當磷元素質量分數為1.5%時，環氧樹脂極限氧指數達到32.7%～35.4%的水平。

3 添加型阻燃高分子材料研究進展

添加型阻燃高分子材料是按一定比例將具備阻燃性能的阻燃劑同聚合物基體復配，使復合所得材料以對聚合物原有性能的保留為前提附加優良阻燃性能的一類高分子材料。與本質型阻燃高分子材料相比，添加型阻燃高分子材料阻燃劑種類多、阻燃性能好、成本低、可操作性強等特點突出［12］，其制備是采用物理共混方法，在不具備阻燃性或阻燃性能不佳的高分子材料中加入具有獨特性能的添加劑，實現對高分子材料阻燃性能的極大增強。根據阻燃添加劑性質的不同，添加型阻燃高分子材料可劃分為有機類添加劑阻燃高分子材料、無機類添加劑阻燃高分子材料及復合類添加劑阻燃高分子材料3種類型。

3.1 有機類添加劑阻燃高分子材料

通常，有機類添加劑阻燃高分子材料有鹵素添加劑阻燃高分子材料與無鹵添加劑阻燃高分子材料2 種類型，前者的發展比較早，雖然與高分子材料有較好的相融性，且不會明顯影響高分子材料的力學性能，阻燃性能佳，但在受熱之時容易有有毒氣體生成，會在較大程度上造成環境的污染。無鹵阻燃劑是將含磷系、氮系、硅系等其他元素的有機化合物添加至高分子材料中，使其混合形成的有機體系，既可以同樹脂基體形成均勻穩定的共混體系，又有比較突出的環境友好性能，因而其開發與應用相對廣泛。

在各類非鹵系有機阻燃劑中，磷系阻燃劑有較好的效果。TIAN 等［13］用1-氧基磷雜-4-羥甲基-2,6,7-三氧雜雙環［2.2.2］ 辛烷、三氯氧磷與季戊四醇進行新型磷酸酯阻燃劑的制備，并將制備所得添加至聚苯乙烯中，發現當阻燃劑質量分數達到25.0% 時，聚苯乙烯中的磷質量分數為5.3%，對應的極限氧指數為30.5%。而除了磷系有機阻燃劑之外，含多種阻燃元素在內的有機阻燃劑同樣能夠將高分子材料阻燃性能優化，甚至多元素間的協同阻燃效果更好，可更大程度地增加高分子材料極限氧指數。LV 等［14］用三氯氧磷、氨基甲酸乙酯、乙醇與三聚氰胺進行同時含有磷元素與氮元素的低聚物有機阻燃劑的制備，并將制備所得添加至環氧樹脂中，發現當該有機型阻燃劑質量分數為20% 時，環氧樹脂極限氧指數為28.0%。

3.2 無機類添加劑阻燃高分子材料

無機類阻燃劑主要是金屬化合物，以銻類、氫氧化鋁、氫氧化鎂、磷系阻燃劑以及硼酸鹽類等比較常見。就不同無機類阻燃劑而言，它們的分子結構存在差異，將其添加至高分子材料中表現出來的差異會比較突出。周生剛［15］采用熔融共混方法對三氧化二銻與聚氯乙烯進行混合，在調控三氧化二銻粒徑與團聚現象后，得到阻燃性能優異的聚氯乙烯，指出當三氧化二銻粒子的粒徑為微米級且質量分數為3.00% 時，聚氯乙烯極限氧指數為27.0%；而當前者為納米級且質量分數為1.85% 時，后者的極限氧指數會增加到27.0%。虞華東等［16］將蛭石（硅系阻燃劑）添加至聚氯乙烯中，指出當蛭石的質量分數達到55% 時，聚氯乙烯的極限氧指數為26.8%。

3.3 復合類添加劑阻燃高分子材料

復合類添加劑阻燃高分子材料是將兩種或兩種以上添加劑復配并加入至高分子材料中，由于添加劑有不同的阻燃原理，兩種或兩種以上阻燃劑可以在體系中發揮協同作用，使其與單一阻燃劑相比有更好的阻燃效果。當對硅系阻燃劑與磷系阻燃劑進行復配之時，后者燃燒會有難燃氣體產生，對火勢的蔓延形成抑制，而前者在受熱時會有致密保護層生成，對空氣進行隔絕，并將產生的難燃氣體密封于材料內部，兩者之間的協同作用可以在更大程度上改進高分子材料的阻燃性能。段瑩瑩等［17］運用全有機的磷、氮、硅三重復合型阻燃劑改進了丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS 的阻燃性能，指出磷、氮、硅三重協同下的阻燃效果能夠有效提升ABS 的阻燃性，當阻燃劑質量分數為30% 時，ABS 中磷、氮、硅三種元素的質量分數分別為4.47%、1.03% 與4.1%，極限氧指數為27.0%。來方等［18］通過聚苯氧基磷酸聯苯二酚酯與聚磷酸胺的復配制得磷、氮復合型全有機阻燃劑，通過在環氧樹脂中添加，實現對環氧樹脂阻燃性、熱穩定性、耐熱性以及燃燒特性的優化，結果顯示，當阻燃劑質量分數為10% 時，環氧樹脂極限氧指數為29.6%。

4 結語

在建筑工程領域中，阻燃高分子材料有廣泛的應用，進行阻燃高分子材料的研究及新型阻燃高分子材料的研發既能增強人們生活中的安全性，又能節約能源，對建筑行業的發展形成推動。現階段，學者們圍繞高分子阻燃材料的研究主要集中于環境友好型無鹵材料的開發上，在今后的生產與研究中，各種類型阻燃高分子材料的研制與開發以及復合型阻燃添加劑配方的復配是阻燃高分子材料的重要發展方向。