在塑料材料試驗中,有兩個經常進行的耐燃性試驗:灼熱絲試驗和針焰試驗。這兩個試驗的考查點是不同的。灼熱絲試驗是采用模擬技術評定使用環境中灼熱元件或過載電阻之類的熱源,在短時間內所造成的熱應力的著火危險性,它用于模擬熱源的起燃源是經過通電加熱的灼熱絲;針焰試驗是采用模擬技術評定設備內部由于故障條件所造成小火焰的著火危險性,它用于模擬小火焰的起燃源是燃燒器產生的火焰。
2材料耐燃性試驗
2.1灼熱絲試驗方法
灼熱絲是用直徑為4mm的鎳/鉻絲制成的環。試驗時,用夾具將樣品夾住,夾具可以在軌道上移動。灼熱絲通電加熱達到標準規定的溫度,例如GB2099.1-1996規定:“對即使是與載流部件和接地電路相接觸,但不是將它們保持在正常位置所必需的絕緣材料部件,試驗要在650℃的溫度下進行”。移動夾具,使灼熱絲以0.8N～1.2N的力施加在樣品上,施加時間為三十秒。在厚約10mm的平滑白松木板上緊裹一層絹紙作為鋪底層,置于灼熱絲施加點下方(200±5)mm處。如果樣品未起燃,或雖然起燃,但在灼熱絲移去三十秒內自動熄滅,且不引燃鋪底層,則判灼熱絲試驗通過。
2.2針焰試驗方法
針焰試驗是用針管通以丁烷,產生一個從針管頂端到火焰最高點的高度為12mm±1mm的火焰,按所選定的標準規定的時間嚴酷等級(例如60秒、30秒、10秒,時間越長越嚴酷)施加在樣品表面上,針管頂端施加在側表面時與樣品側表面的距離為5mm,或者施加在下表面且距離為8mm。鋪底層與灼熱絲試驗相同。如果樣品未產生火焰或施加結束后三十秒內火焰自動熄滅,且滴落物不引燃鋪底層,則判針焰試驗通過.
2.3阻燃劑對塑料材料耐燃性的影響
材料耐燃性的好壞是與阻燃劑的添加密不可分的。合適的阻燃劑可以使被試材料在試驗中始終達不到燃點,或達到燃點而起燃后又會自動熄滅。在灼熱絲試驗和針焰試驗中可以見到,一些未添加阻燃劑的塑料材料在某個溫度或時間嚴酷等級下可能起燃并且后燃時間大于30秒,但添加了合適的阻燃劑后,在該溫度或時間嚴酷等級下可能轉為不起燃或者雖然起燃但是在灼熱絲或針焰移開后的30秒內自動熄滅,從而符合標準的要求。
3塑料燃燒的過程及阻燃劑作用機理
3.1塑料燃燒的過程
塑料燃燒的過程可以這樣認為:在空氣中,由于外部熱源或火源使塑料被加熱,而最終導致了降解,產生了揮發性產物、可燃性產物與熱能產物,在外部熱源的繼續作用下,達到某一溫度時塑料就會燃燒起來。塑料燃燒放出的一部分熱量通過傳導、輻射和對流等途徑,又被正在降解的塑料吸收,揮發出更多可燃性產物;另一方面,在燃燒的過程中,火焰周圍的空氣劇烈擾動,增加了可燃性揮發物與空氣的混合速度,使燃燒更加劇烈。
3.2阻燃劑作用機理阻燃劑是一種能阻止燃燒、減低燃燒速度或提高著火點的一種物質。阻燃劑的作用機理如下:
3.2.1阻燃劑分解產物的脫水作用使有機物碳化,就能防止燃燒塑料的燃燒是分解燃燒,而通常單質碳不進行產生火焰的蒸發燃燒和分解燃燒。因此,如果能使材料的熱分解迅速進行,不停留在可燃性物質階段而一直分解到碳為止,就可以防止燃燒。
3.2.2阻燃劑分解形成不揮發的保護膜阻燃劑在塑料燃燒的溫度下分解,其分解產物形成不揮發性的保護膜覆蓋在表面,從而隔斷空氣防止燃燒。
3.2.3阻燃劑分解產物將活性自由基鏈鎖反應切斷活性自由基的鏈鎖反應能使火焰燃燒持續下去,阻燃劑分解產物將活性自由基鏈鎖反應切斷,從而有效地防止火焰燃燒。
3.2.4燃燒熱的分散與可燃性物質的稀釋是實現阻燃的途徑之一
由于燃燒熱被大量吸收,降低了塑料的溫度,從而減緩了分解蒸發和燃燒。另一方面,塑料阻燃劑體系里能分解產生不燃性氣體,從而稀釋了可燃性氣體,達到阻燃的目的。
3.2.5較重的氣體或高沸點液體的隔氧作用
反應中脫出的水吸收了大量的熱量,降低了可燃物表面溫度,而且氣化成蒸汽,在可燃物表面形成了一層保護膜,從而實現阻燃。
4常用阻燃劑的種類及類型
4.1常用阻燃劑的種類
4.1.1含鹵化合物
有機類和無機類含鹵阻燃劑的作用機理是類似的,都是捕捉活性自由基。在高溫下含鹵阻燃劑分解產生的鹵原子與聚合物反應生成鹵化氫。鹵化氫與活性自由基或氫原子反應,生成水或氫氣,從而中斷了鏈式氧化過程,使燃燒減緩以至停止。
4.1.2含磷化合物
磷化物的阻燃效果相當大,燃燒時生成的偏磷酸可以聚合成穩定的多聚態,成為塑料的保護層,隔絕氧和可燃物,磷酸能促進塑料碳化。當磷和鹵素共存時阻燃效果更大,兩者反應生成的鹵化磷具有較大的蒸氣密度,覆蓋于火焰表面可隔絕氧氣和沖淡可燃物,同時產生鹵化氫又可以捕捉活性自由基。
4.1.3三氧化二銻與鹵化物
三氧化二銻本身并無阻燃效果,但在鹵化物的存在下卻顯示了很大的協同效果。因為兩者在塑料表面層反應生成了揮發性的鹵化物和鹵氧化銻,它們的揮發可以吸收熱量,同時產生氣體可以隔絕氧氣和稀釋可燃物。
4.1.4其它阻燃劑
比如氫氧化鋁、硼化合物和氫氧化鎂等.
4.2阻燃劑的類型
根據塑料阻燃化的方法不同,可將阻燃劑分為添加型和反應型兩大類。添加型阻燃劑是塑料成型過程中將其直接摻入塑料中,阻燃劑與塑料是單純的物理混合,多用于熱塑性塑料。反應型阻燃劑在塑料合成過程中作為單體原料之一,通過化學反應使其成為塑料分子鏈的一部分。
5塑料中應用的部分阻燃劑
PVC本身有自熄性,但是PVC的軟質制品由于配用了大量的可燃性增塑劑而變得易燃了。為了阻燃,一般使用三氧化二銻及其與氯化石蠟并用,或使用磷酸酯類增塑劑。
聚烯烴塑料使用的最有代表性的阻燃劑是含鹵化合物與三氧化二銻并用。
苯乙烯類樹脂一般采用含鹵磷酸酯和有機溴化物作為阻燃劑。
酚醛樹脂的氧指數為30%,一般可不用阻燃劑,但必要時可以用含鹵磷酸酯、有機鹵化物與三氧化二銻等。
6小結
耐燃性是塑料安全性的一個重要指標。阻燃劑的使用對材料的阻燃性能有著極大的影響。材料不同,阻燃劑的成分和含量就千變萬化。制造商應該在大量的試驗中確定合適的阻燃劑和含量,以使材料通過耐燃性試驗,從而保證塑料產品的防火安全性。
