絕大多數(shù)聚合物都是由碳?xì)涞仍亟M成，屬于高度易燃物，在燃燒過程中是一個復(fù)雜的自由基連鎖反應(yīng)過程，會釋放大量熱能，造成直接損害的同時，還能迅速增加火勢。隨著社會的不斷進(jìn)步，科學(xué)的不斷發(fā)展，各種高分子材料在各個領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)增，但是伴隨著火災(zāi)的危險性和危害性大幅增加。對高分子材料進(jìn)行阻燃處理是減少火災(zāi)的重要措施之一，如何提高高分子材料自身的阻燃性已經(jīng)成為世界科學(xué)家亟需解決的技術(shù)難題之一，這也成為限制高分子材料進(jìn)一步發(fā)展的主要瓶頸。因此，開發(fā)新型高分子阻燃添加劑提高阻燃性已經(jīng)成為發(fā)展高分子材料研究的當(dāng)務(wù)之急。
高分子材料燃燒過程主要分成以下幾個步驟：（1）高分子材料從外部熱源獲得熱量，使得材料的溫度逐步上升，升溫的速度取決于外部提供熱量的多少。當(dāng)溫度上升到一定程度時（熱分解溫度），高分子材料中的最弱的鍵開始斷裂，即發(fā)生熱降解。當(dāng)溫度進(jìn)一步上升時，高分子的主鏈開始斷裂，開始裂解產(chǎn)生大量易燃的小分氣體，比如H2, CH4, C2H6,CO等。
（2）當(dāng)易燃的小分子氣體達(dá)到一定的濃度時，且溫度達(dá)到其燃點或閃電，在足夠的氧氣或氧化劑存在下發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)——燃燒，燃燒的同時伴隨著大量的熱量和活性游離基HO和O，并將其反饋給高分子材料引起連鎖反應(yīng)，這使得其熱分解反應(yīng)速率大幅增加，促使產(chǎn)生更多的可燃性氣體，燃燒過程加劇。
阻燃劑是能夠賦予易燃的聚合物材料難燃性的功能性助劑。阻燃劑有多種類型，按使用方法可以分成添加型阻燃劑和反應(yīng)型阻燃劑。其中添加型阻燃劑是通過物理共混方式加入主體聚合物材料中，從而使得聚合物具備阻燃性，主要有鹵系阻燃劑（含溴或含氯的有機(jī)化合物）和無機(jī)阻燃劑等。反應(yīng)型阻燃劑則作為一種單體參加聚合反應(yīng)，或者作為一類輔助試劑參與聚合反應(yīng)，最終在聚合物材料中引入阻燃官能團(tuán)，從而提高聚合物本身的抗燃性，可以有效阻止聚合物材料被引燃和抑制燃燒傳播。目前，添加型阻燃劑具有主導(dǎo)地位，使用范圍極廣泛，占阻燃劑的85%左右。
常見的阻燃劑按屬性的不同可以分為有機(jī)阻燃劑和無機(jī)阻燃劑。其中無機(jī)阻燃劑主要包括無機(jī)磷系阻燃劑和鋁鎂系阻燃劑。有機(jī)阻燃劑則主要包括鹵系阻燃劑、有機(jī)磷系阻燃劑和氮系阻燃劑等。下面介紹幾種常見的高分子阻燃劑。
無機(jī)阻燃劑
無機(jī)阻燃劑的阻燃作用主要是使用大比容填料的蓄熱和導(dǎo)熱性質(zhì)，使得材料不易達(dá)到分解溫度，或者通過阻燃劑受熱分解吸熱，從而緩解或者終止主體材料的升溫過程。其阻燃機(jī)理是在受熱時釋放出結(jié)晶水，蒸發(fā)，分解并放出水蒸氣。這個反應(yīng)過程需要吸收大量的燃燒熱能，從而大幅降級材料的表面溫度，使得高分子材料的熱分解和燃燒的概率大幅降低。同時，阻燃劑熱分解時產(chǎn)生的大量水蒸氣可以有效稀釋可燃性氣體的濃度，這也有一定的冷卻和阻燃作用。這類無機(jī)阻燃劑的最常用的是氫氧化鋁和氫氧化鎂等。
經(jīng)過處理的Al(OH)3阻燃劑
氫氧化鋁也稱之為三水合氧化鋁（ATH），分子式為Al(OH)3，是出現(xiàn)時間最早的無機(jī)阻燃劑之一，其可以和多種物質(zhì)產(chǎn)生協(xié)同作用，并且無毒無腐蝕性。目前氫氧化鋁阻燃劑的使用占無機(jī)阻燃劑總量的80%以上，被廣泛運(yùn)用于各種聚合物塑料產(chǎn)品中。在聚合物材料中添加氫氧化鋁后，可以降低可燃聚合物濃度。當(dāng)聚合物材料受熱時（250 ℃左右），氫氧化鋁發(fā)生脫水反應(yīng)，并吸收大量熱能，有效抑制聚合物材料升溫。同時分解產(chǎn)生的水蒸氣能夠稀釋燃燒產(chǎn)生的可燃性氣體以及氧氣濃度，抑制了燃燒的持續(xù)蔓延。其化學(xué)分解反應(yīng)為：
同時分解產(chǎn)生的另一種金屬氧化物三氧化二鋁（Al2O3）因具備較高的催化活性，可以催化聚合物熱交聯(lián)反應(yīng)，從而在聚合物表面形成一層致密的碳化膜，這層膜可以有效減緩燃燒時的傳熱作用，從而起到阻燃作用。氧化鋁還能吸附顆粒，起到抑制煙塵的作用。一般情況下，氫氧化鋁的添加含量越高，其阻燃效果越好，但是過多的填充量會大幅降低聚合物材料的強(qiáng)度等性能。氫氧化鋁也存在另一個不足之處，就是分解溫度較低，在245 oC~320 oC之間就可以發(fā)生脫水反應(yīng)，因此添加阻燃劑強(qiáng)氧化鋁也限制了聚合物材料的加工溫度。
氫氧化鎂（MDH）的化學(xué)分子式為Mg(OH)2，也是一種綠色環(huán)保型阻燃劑，有著比氫氧化鋁更為高效的阻燃效果。首先，氫氧化鎂的熱分解溫度比常用的無機(jī)阻燃劑氫氧化鋁高出約100 ℃（340~490 ℃），因此對于添加氫氧化鎂阻燃劑的聚合物材料可以耐受更高的加工溫度。氫氧化鎂的阻燃機(jī)理和氫氧化鋁類似，氫氧化鎂受熱分解，失水吸熱，水的蒸發(fā)同樣吸熱，水汽稀釋了氧氣和可燃性氣體濃度。同時產(chǎn)生的金屬氧化物氧化鎂可以附著于可燃物表面進(jìn)一步阻隔燃燒的進(jìn)行。
無機(jī)阻燃劑在原材料的來源、制備過程以及后續(xù)廢物處理等方面都是一種綠色環(huán)保型阻燃劑，在燃燒過程中具有優(yōu)異的抑煙效果，同時也不會造成二次污染。因此，在未來集中力量開發(fā)新型高性能無機(jī)阻燃劑將成為發(fā)展趨勢。
鹵系阻燃劑
鹵系阻燃劑是目前世界上產(chǎn)量Z大的有機(jī)阻燃劑之一，應(yīng)用較多的鹵系阻燃劑是含溴和含氯型阻燃劑。鹵系阻燃劑大多數(shù)為有機(jī)物，和主體聚合物材料具有良好的相容性，作為阻燃添加劑的鹵系阻燃劑不會對聚合物材料本身的物理化學(xué)性質(zhì)造成本質(zhì)影響，另外，鹵系阻燃劑可以滿足其添加量很少，但是可以達(dá)到極其優(yōu)異的阻燃效果。含溴的鹵系阻燃劑包括脂肪族、脂環(huán)族、芳香族等含溴化合物，常見的有十溴二苯醚、十溴二苯乙烷以及四溴雙酚A等，含氯阻燃劑主要為氯化石蠟。
溴系和氯系的阻燃機(jī)理相似：高溫下，鹵系阻燃劑中的碳鹵鍵（C-X）可以斷開，釋放出鹵素自由基（X）并有效捕捉聚合物材料因受熱降解產(chǎn)生的游離活性自由基，可以有效降低自由基的濃度，從而緩解或者終止燃燒的自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。另外，鹵系阻燃劑分解釋放出的鹵化氫具有不易燃燒的性質(zhì)，有效阻隔氧氣，同時抑制燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。
然而，一旦添加了鹵系阻燃劑的高分子材料燃燒，必定會產(chǎn)生大量的的鹵化氫氣體，這類氣體具有毒性、和腐蝕性，同時也極易吸附空氣中的水分形成強(qiáng)腐蝕性的氫鹵酸，并伴隨著大量的煙霧，這些煙霧、有毒氣體和腐蝕性氣體會危害人類健康，同時也給滅火、逃離和恢復(fù)工作帶來極大的障礙。
磷系阻燃劑
根據(jù)磷系阻燃劑的性質(zhì)和組成，可以分成無機(jī)磷系阻燃劑和有機(jī)磷系阻燃劑。其中無機(jī)磷系阻燃劑包括紅磷、磷酸銨鹽和聚磷酸銨等，有機(jī)磷系阻燃劑包括磷酸酯、亞磷酸酯等。磷系阻燃劑同樣也是一類高效、穩(wěn)定、使用非常廣泛的阻燃劑，其阻燃機(jī)理主要為形成隔離膜來達(dá)到阻燃效果。隔離膜的形成有兩種不同的方法：（1）對于含氧聚合物的阻燃作用：利用阻燃劑的熱降解產(chǎn)物促使聚合物表面快速脫水碳化，進(jìn)而形成碳化層。由于單質(zhì)碳不進(jìn)行產(chǎn)生火焰的蒸發(fā)燃燒和分解燃燒，因此起到阻燃效果。內(nèi)在發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是含磷化合物熱分解得到的最終產(chǎn)物是聚偏磷酸，而這是一種強(qiáng)脫水劑。（2）磷系阻燃劑在燃燒溫度下分解成不易揮發(fā)的玻璃狀物質(zhì)，它能包裹在聚合物表面，這種致密的保護(hù)層起到隔離層的作用。
有機(jī)磷系阻燃劑發(fā)揮作用的階段主要在于高分子材料分解階段的火災(zāi)初期。它能促進(jìn)高分子材料脫水炭化，從而使高分子材料不能產(chǎn)生可燃性氣體，并且由于不揮發(fā)性磷化合物起凝結(jié)劑的作用，使炭化物形成保護(hù)性炭膜，以隔絕外界的空氣和熱。
硅系阻燃劑
硅系阻燃劑包括無機(jī)硅和有機(jī)硅，其中無機(jī)硅主要包括二氧化硅、硅膠、硅酸鹽和滑石粉等，這類阻燃劑常用作填料使用；有機(jī)硅阻燃是一種新型的無鹵阻燃劑，也是一種成炭抑煙劑，主要指有機(jī)硅樹脂、聚硅氧烷（硅油、硅樹脂、硅橡膠和多種硅氧烷共聚物等）、聚硅烷等，其中發(fā)展最為迅速的是聚硅氧烷。
帶有芳香基、含支鏈結(jié)構(gòu)的聚硅氧烷結(jié)構(gòu)示意圖
硅系阻燃劑阻燃機(jī)理主要體現(xiàn)為凝聚相阻燃機(jī)理，即通過生成裂解碳層和提高碳層的抗氧化性實現(xiàn)其阻燃作用。高分子材料中添加有機(jī)硅阻燃劑后，有機(jī)硅阻燃劑多半會遷移到材料表面，高溫下發(fā)生反應(yīng)，在聚合物表面形成含碳硅酸鹽層，具有延緩或阻止可燃性氣體的逸出和自由基的生成的作用。同時，阻燃劑也會促進(jìn)高分子的成碳作用，從而降低高分子的降解速度、使得其在高溫下不易發(fā)生熱分解。另一方面，硅系阻燃劑受熱也會發(fā)生熱分解反應(yīng)，這個過程需要吸收大量熱量，可達(dá)到使阻燃材料升溫減緩或中止的效果。
