阻燃是指降低材料在火焰中的可燃性,減慢火焰蔓延速度,當火焰移去后能很快自熄,不再陰燃。
一、燃燒的過程及條件
纖維材料的燃燒過程,即從著火燃燒直至成為終燃燒產(chǎn)物,需要經(jīng)過一系列復雜的物理和化學變化,這些變化具有明顯的階段性,通??煞譃椋?br> (1)材料的受熱裂解,產(chǎn)生可燃性氣體、不燃性氣體和炭化殘渣。
(2)可燃性裂解氣與氧氣混合,當溫度達到著火點或遇到其它火源時,著火燃燒并釋放出熱、光和煙。
(3)放出的熱量使纖維繼續(xù)裂解燃燒,引起火焰蔓延。
已經(jīng)燃燒的纖維高聚物材料離開火源后,若要繼續(xù)燃燒,必須具備下列條件。
(1)由燃燒產(chǎn)生的熱能足以加熱高聚物,使之連續(xù)不斷地產(chǎn)生可燃性氣體。
(2)所產(chǎn)生的可燃性氣體與氧氣混合,并擴散到已點燃部分,或燃燒部分蔓延到可燃氣體與氧氣的混合區(qū)域中。
這樣,可燃物、熱和氧氣三個要素構成了燃燒循環(huán)。
除了上述可燃性氣體與氧氣的氣相有焰燃燒外,還有裂解時形成的炭化殘渣與氧氣發(fā)生的固相無焰燃燒(又稱陰燃)。無焰燃燒所需的溫度比有焰燃燒要高得多,但陰燃也能燒毀材料,有時并突然爆發(fā)火焰成為有焰燃燒而引起火災。
二、燃燒體系
燃燒過程在空間分布一般可分為5個區(qū):凝聚相加熱區(qū);凝聚相反應區(qū);氣相加熱反應區(qū);火焰區(qū);燃燒產(chǎn)物區(qū)。每一個區(qū)域都發(fā)生不同的物理化學變化。
在凝聚相加熱區(qū),聚合物在熱源作用下,溫度逐漸升高,發(fā)生物理吸熱。
在凝聚相反應區(qū),由于高溫的作用,隨著聚合物結構和受熱情況的不同,進一步發(fā)生熱裂解、熱氧化裂解、脫氫、縮合、環(huán)化和炭化等化學反應。這些反應有的是放熱的,有的是吸熱的。
在凝聚相反應區(qū)生成的各種裂解產(chǎn)物和少量分散的微粒炭,在向氣相加熱反應區(qū)擴散過程中,它們被繼續(xù)加熱,而發(fā)生進一步裂解,并與空氣中的氧氣混合反應放出熱量。這些熱量除用于本區(qū)的裂解外,還向凝聚相反應區(qū)反饋一部分,以維持凝聚相反應區(qū)反應的進行,因氣相加熱反應區(qū)靠近材料的表面,溫度不太高,裂解產(chǎn)物濃度較大,氧氣濃度較小,因此,發(fā)生不完全燃燒而形成一些與石墨結構相似的微粒炭,或在材料的表面形成炭化層。
由氣相加熱反應區(qū)逸出的深度裂解產(chǎn)物和氧化產(chǎn)物在向火焰區(qū)擴散的過程中,因火焰區(qū)氧氣濃度高,而完成全部的燃燒反應。反應放出的熱量或傳遞給相鄰的氣相加熱反應區(qū),或以輻射的形式傳遞到其他各區(qū)。顯然,反饋的能量與擴散到外部的能量的比率與燃燒物的形態(tài)、火焰的蔓延方式有關。
續(xù)的過程,各區(qū)域之間并無絕對的界限,它們相互結合而形成燃實際上,燃燒是一個連燒波。
由上述分析可知,在穩(wěn)態(tài)燃燒時,每個區(qū)域所發(fā)生的物理和化學變化都需要靠其本身反應放出的熱量或高溫區(qū)傳入的熱量來維持,各區(qū)的反應物則由其本身的反應產(chǎn)生,或從低溫區(qū)進入。其中凝聚相反應區(qū)發(fā)生的反應對氣相燃燒的影響大。裂解反應生成的可燃氣體是氣相燃燒反應的原料,可促使火焰蔓延,但脫氧炭化形成的焦化層,因其良好的絕熱性,可抑制熱量向凝聚相加熱區(qū)和凝聚相反應區(qū)傳遞,而表現(xiàn)出一定的阻燃作用。
三、阻燃機理與方法
從燃燒過程、燃燒條件及燃燒體系的分析可知,要達到阻燃目的,就必須切斷由可燃物、熱和氧氣三要素構成的燃燒循環(huán)。阻燃劑的作用就是將纖維燃燒的三個要素,以某種方式抑制或終止該循環(huán)過程,以達到阻燃之目的。
通常認為,溴系阻燃劑的阻燃作用主要是在氣相中進行,其主要原因是溴系阻燃劑受熱分解成HBR,而HBR能捕捉傳遞燃燒鏈式反應的活性自由基(HO·、O·、H·),生成活性較低的溴自由基,以降低氣相燃燒速度,減緩或終止纖維的燃燒。
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