膨脹型阻燃體系阻燃機理-青島東麗塑業有限公司

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        膨脹型阻燃體系阻燃機理
        發布時間:2018-10-4    
        膨脹型阻燃劑主要由三部分組成:炭化劑(炭源)、炭化催化劑(酸源)、膨脹劑(氣源)。炭化劑為膨脹多孔炭層的炭源,一般是含碳豐富的多官能團(如—OH)物質,季戊四醇(PER)及其二縮醇、三縮醇是常用的炭化劑。炭化催化劑一般是可在加熱條件下釋放無機酸的化合物。無機酸要求沸點高,而氧化性不太強。聚磷酸銨(APP)為常用的炭化催化劑。膨脹劑為受熱放出惰性氣體的化合物,一般是銨類和酰胺類物質,如尿素、密胺、雙氰胺及其衍生物。
        各組分的選擇準則如下:
        (1)酸源:為了具有實用性,酸源必須能夠使含碳多元醇脫水。在火災發生前,我們不希望脫水反應發生,所以常用的酸源都是鹽或酯。酸源釋放酸必須在較低的溫度進行,尤其應低于多元醇的分解溫度。如果有機部分有助于成炭,使用有機磷化物效果更好。
        (2)炭源:炭源的有效性與碳含量及活性羥基的數量有關。炭源應在其本身或基體分解前的較低溫度下與催化劑反應。
        (3)氣源:發泡劑必須在適當的溫度分解,并釋放出大量氣體。發泡應在熔化后、固化前發生。適當的溫度與體系有關。對于特定的膨脹阻燃聚合物體系,有時并不需要3個組分同時存在,有時聚合物本身可以充當其中的某一元素。使用以上準則可預測大多數體系的有效性。
        膨脹型阻燃劑受熱時,炭化劑在炭化催化劑作用下脫水成炭,碳化物在膨脹劑分解的氣體作用下形成蓬松有孔封閉結構的炭層。一旦形成,其本身不燃,且可削弱聚合物與熱源間的熱傳導,并阻止氣體擴散。一旦燃燒得不到足夠的燃料和氧氣,燃燒的聚合物便會自熄。
        此炭層經歷以下幾步形成:
        (1)在較低溫度下由酸源放出能酯化多元醇和可作為脫水劑的無機酸。
        (2)在稍高于釋放酸的溫度下,發生酯化反應,而體系中的胺則可作為酯化的催化劑。
        (3)體系在酯化前或酯化過程中熔化。
        (4)反應產生的水蒸汽和由氣源產生的不燃性氣體使熔融體系膨脹發泡。
        (5)反應接近完成時,體系膠化和固化,最后形成多孔泡沫炭層。
        在上面論述的基礎上,看上去似乎任何含有這幾種官能團的化合物都能發泡,只是發泡的程度不同,其實這是錯誤的。為了發泡,各步反應必須幾乎同時發生,但又必須按嚴格的順序進行。膨脹型阻燃劑也可能具有氣相阻燃作用,因為磷-氮-碳體系遇熱可能產生NO及NH3,而它們也能使自由基結合而導致燃燒鏈反應終止。
        膨脹型阻燃體系主要成分可分為酸源、炭源、氣源三個部分。酸源一般為無機酸或加熱至100-250℃時生成無機酸的化合物,如磷酸、硫酸、硼酸、各種磷酸銨鹽、磷酸酯和硼酸鹽等;碳源(成炭劑)是形成泡沫炭化層的基礎,一般為富碳的多羥基化合物,如淀粉、季戊四醇和它的二聚物、三聚物以及含有輕基的有機樹脂等;氣源(發泡源)多為胺或酰胺類化合物,如三聚氰胺、雙氰胺、聚磷酸胺等。
        膨脹體系成炭的結構復雜,影響因素眾多。聚合物主體的化學結構和物理特性、膨脹阻燃劑的組成、燃燒和裂解時的條件(如溫度和氧含量)、交聯的反應速率等等諸多因素都會對膨脹成炭的結構產生影響。而膨脹炭層的熱保護效應不僅取決于焦炭產量、炭層高度、炭層結構、保護炭層的熱穩定性,也取決于炭層的化學結構,尤其是環狀結構的出現增加了熱穩定性,此外還有化學鍵的強度以及交聯鍵的數量。
        氣源膨脹型阻燃體系阻燃機理普遍認為是凝聚相阻燃,首先聚磷酸胺受熱分解,生成具有強脫水作用的磷酸和焦磷酸,使季戊四醇酯化,進而脫水炭化,反應形成的水蒸汽及三聚氰胺分解的氨氣使炭層膨脹,最終形成一層多微孔的炭層,從而隔絕空氣和熱傳導,保護聚合物主體,達到阻燃目的。
        膨脹型阻燃劑添加到聚合物材料中,必須具備以下性質:熱穩定性好,能經受聚合物加工過程中200℃以上的高溫;由于熱降解要釋放出大量揮發性物質,并形成殘渣,因而該過程不應對膨脹發泡過程產生不良影響;該類阻燃劑系均勻分布在聚合物中,在材料燃燒時能形成一層完全覆蓋在材料表面的膨脹炭質;阻燃劑必須與被阻燃高聚物有良好的相容性,不能與高聚物和添加劑發生不良作用,不能過多惡化材料的物理、機械性能。膨脹型阻燃劑優于一般的阻燃劑之處在于無鹵、無氧化銻:低煙、少毒、無腐蝕性氣體;膨脹阻燃劑生成的炭層可以吸附熔融著火的聚合物,防止其滴落傳播火災。

         
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