卤素阻燃剂作为第一种广泛使用的阻燃剂，已被广泛应用。其材料消耗量不算太高，但效率却很高。然而，由于其毒性和环境污染，已制定了严格的使用法规。根据限制危险物质指令（RoHS），在欧洲和美国，许多卤素阻燃剂的使用是被禁止的。由生产阻燃剂造成的污染、燃烧产生的烟雾毒性以及塑料废物造成的污染就是其中之一。多年来，已努力引入新的阻燃剂。接下来，我们将讨论两类含磷阻燃剂和无机阻燃剂。

第一部分：含磷阻燃剂

已生产出多种含磷的阻燃化合物或磷-溴化合物。这些材料的主要应用领域是那些在燃烧过程中形成的聚合物。它们在含氧聚合物中的表现是显著的。磷化合物与聚氨酯结构的良好相容性导致了良好的加工性、适当的可燃性和良好的物理-机械特性。通过在聚氨酯、环氧树脂、酚醛树脂、聚碳酸酯及其合金、聚氯乙烯、纤维素产品如纸和塑木以及其他涂层和油漆中使用含磷化合物，可以实现不同的防火标准。通常，含磷的阻燃剂在需要高耐火性的聚烯烃中并不容易使用。

含磷的阻燃剂的一个常见应用领域是用含磷的增塑剂代替常用的增塑剂来生产聚（氯乙烯）。近乎 57% 的 PVC 由氯组成，这导致 LOI 的增加，并在 UL 94 标准中被归类为 V0。然而，向 PVC 中添加常用增塑剂会因两个原因导致聚合物着火。第一个原因是氯的百分比降低，第二个原因是增塑剂的易燃性。通过添加磷酸酯化合物，PVC 的自熄性得以保持。

含磷阻燃剂的工作机制

磷化合物可分为三类：有机类如“二苯基磷酸酯”、无机类如“红磷”和含卤素类如“氯磷酸盐”。其中一些是“活性”的，意味着它们以化学方式与聚合物结合，而另一些则作为添加剂添加到聚合物中。选择化合物的类型应与聚合物的化学性质、其分解温度和最终产品所需的防火标准相适应。

不能为磷化合物的作用机制设定一个统一的模型。磷化合物的类型和基础聚合物在其作用机制中起着重要作用，并通过化学、物理、热等理论进行作用。它们在气相中的表现与卤素材料的表现可相提并论（化学理论和自由基捕获理论）。例如，三苯基膦在聚碳酸酯气相中的阻燃作用。磷酸在分解后转化为 HPO2、HPO、PO 和其他可能的自由基成分，在气相中起作用。然而，含磷化合物的主要作用机制是在固相中，通过在聚合物表面形成炭层（物理和涂层理论）。这些材料通过改变聚合物的分解过程，为形成更多的炭层创造条件。这个过程导致减少分解产生的物质的释放和热量传递到聚合物表面。

在另一种机制中，一些磷化合物在火灾中通过加速分解过程和软化聚合物，产生熔融聚合物的滴流。聚合物着火的滴流会将火焰和热量远离聚合物表面。三苯基膦通过这种机制使聚苯乙烯达到标准 V2。

膨胀型阻燃剂（Intumescent Flame Retardant）

在聚烯烃如聚丙烯的燃烧过程中，产生的炭量非常少。常见的含磷化合物在聚烯烃表面形成炭层的能力也很有限。一类特殊的阻燃剂称为膨胀型阻燃剂可以弥补这一缺陷。它们的主要工作机制是在固相中通过形成一层膨胀的炭层。

膨胀型阻燃剂主要由含磷和氮的化合物组成。其组成包括三种成分：炭化剂、膨胀剂和催化剂。炭层由炭化剂和催化剂在表面上形成。膨胀剂的存在，通常是氮化合物，导致炭层的膨胀，并在热量和氧气的渗透下形成一个厚厚的屏障，同时也减少了烟雾的产生。与炭化剂一起使用的聚磷酸铵是最早使用的化合物之一。聚磷酸铵的分解会产生氨气、水和磷酸。磷酸作为催化剂，氨气和水蒸气作为膨胀剂。

早期的阻燃剂系统面临多种问题，如与聚烯烃的不相容性、水溶性、迁移到表面以及热导率和电导率的增加。它们的不相容性会导致某些机械性能如冲击的显著降低。这在电气部件和设备中尤为重要。根据聚合物的化学结构生产的含磷化合物，通过对聚磷酸铵进行包封等方式，在基础聚合物中创造上述成分之间的相容性，促进成分之间的反应并将其生产为大分子，是改善膨胀系统性能的解决方案之一。此外，使用纳米颗粒来改善部件的机械性能和提高阻燃剂的效率也受到关注。膨胀型化合物也用于非聚合物表面涂层，如金属和混凝土。

在锥形量热仪测试中，释放的热量和 CO 气体的释放率在含膨胀型阻燃剂的样品中被观察到。添加膨胀系统显著减少了热释放和单位面积的热释放率，增加了燃烧时间，并提高了材料的耐火性。同时，释放的一氧化碳（CO）气体的量也显著减少。火灾中死亡的最常见原因是吸入有毒气体。性能的改善源于在聚合物上形成一层碳绝缘层，从而减少了氧化过程和随之释放的热量。

膨胀型阻燃剂的优缺点

膨胀型阻燃剂的密度比卤素化合物低。然而，在某些聚合物中，为获得相同的性能，所需的量可能超过卤素。达到理想的防火反应标准如 V0，需在最终产品中使用超过 20% 的这些化合物。此外，还应注意，膨胀系统中使用的成分在工艺温度下是固态的，因此起到填料的作用。因此，颗粒的大小起着重要的作用。磷化合物具有更好的光学稳定性。在某些类型中，观察到生物降解性。

含膨胀型化合物的最终产品的混合和制备过程应在温和条件下进行。这些材料对高温和高应力敏感，容易分解。适宜的工艺温度为 180-210 度，材料的停留时间应尽可能短。这一问题会影响最终产品的物理机械条件。因此，选择一种膨胀型化合物可能不适合基础聚合物、生产工艺条件（如温度、挤出或注射速度）和最终产品的应用。

第二部分：金属矿物颗粒

市场上阻燃剂的最大份额归金属矿物阻燃剂所有。这些材料在各种家庭和工业应用中被使用。矿物阻燃剂通常由水合金属组成。无卤素，并且可再加工。无环境污染，并对生产设备的破坏性影响较小。此外，它们在形成炭、减少烟雾和滴流方面也起着作用。

二氢氧化镁（MDH）和三氢氧化铝（ATH）是最常用的矿物阻燃剂。它们是白色的，并以不同的颗粒尺寸生产。颗粒尺寸的选择取决于应用类型和预期的热和机械性能。然而，从阻燃剂的性能来看，颗粒越细越好。除了颗粒大小，均匀分散上述矿物材料对其效率有很大影响。对 MDH 或 ATH 表面进行改性以用于聚烯烃会显著影响其最终效率。均匀分散会减少所需粉末的量，并在最终产品的性能中实现均匀性。尽管有上述优点，但在聚合物中使用大量矿物阻燃剂会显著降低机械性能，如冲击和拉伸，尤其是在低温下。一些其他矿物阻燃剂作为助剂添加到其他阻燃剂中。

矿物阻燃剂的作用机制

矿物阻燃剂的工作机制遵循热、气体和涂层理论。这些颗粒以吸热方式分解，产生水。因此，聚合物被冷却，延迟了燃烧。水的释放在气相中起到稀释作用，并在固相上形成一层保护气体；降低氧气的百分比，同时也降低可氧化物质的浓度。此外，使用矿物颗粒会减少最终产品中的聚合物量，这是降低火灾的另一个原因。达到理想的防火标准需要在聚合物基体中使用大量这些材料。

应用

矿物阻燃剂广泛应用于各种部件中。用于电缆和电线的涂层、管道、地板、天花板、墙面、注塑部件和薄膜等。它们的使用范围涵盖了大多数聚合物，如聚烯烃、PVC 和其他聚合物。

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