阻燃劑的存在,讓紙終于能“包”住火

阻燃劑的存在,讓紙終于能“包”住火 | 2020-09-29

  俗話說,“紙不能包火”。無論是紙張還是紙制品,它們基本都是由植物纖維所組成的,植物纖維的可燃性使它們遇到火星便會“一點即著”,繼而釀成火災,因此長期以來紙制品一直都是消防工作的重點防范對象。

  解決火災隱患的方法有很多,比如說合理的防火布置及定期的安全檢查。不過要想更直接一點,也可以從源頭開始根治,也就是讓紙制品具備較高的阻燃性能——因此阻燃劑在造紙行業中的應用逐漸得到重視,像煙氣過濾袋、航天航空用紙、可加熱紙餐盒等就是一些比較典型的阻燃紙制品。

  一、阻燃劑的原理

  紙張之所以能被點燃,是因為紙的成分中有纖維,其中含有碳氫氧元素,當溫度達到一定程度時,就可以和空氣中的氧氣發生化學反應,同時放出熱量,這個過程表現出來就是燃燒。

  因此如果要阻止這個過程,阻燃劑至少需要實現以下的任意一點:①隔離紙面和火焰,防止紙制品與氧氣直接接觸;②降低或消耗燃燒環境中的氧;③加入的物質受熱分解吸收大量熱能,降低燃燒區溫度。

  二、阻燃紙的加工方法

  采用何種工藝和技術讓紙基材料具有阻燃性,要根據阻燃劑的性質和特點來決定。下面是幾種目前生產中較常用的阻燃工藝方法。

  1.用難燃或不燃纖維原料

  采用特殊的造紙工藝,制造不燃紙或難燃紙,如采用石棉纖維或者玻璃纖維等制造難燃紙或不燃紙。但由于石棉纖維或者玻璃纖維強度都很低,且對人體健康有害,使用上受到很大限制。

  2.浸漬法

  浸漬法適用于水溶性阻燃劑,即把水溶性阻燃劑配成溶液,浸漬到紙中去,經加熱干燥后即可制得難燃紙。這種方法要求紙張具有相當高的吸收性和濕強度指標,不過得到的阻燃紙耐水性差,吸潮性強,紙容易發黃變硬。

  3.涂布法

  該方法適用于不溶或難溶的阻燃劑。把阻燃劑粉料均勻分散在某種粘結劑中,制成乳狀涂料,然后用涂布的方法把此涂料涂在紙的表面上,經加熱干燥即可得涂布型阻燃紙。為取得良好的阻燃效果,阻燃劑以粒徑小且均勻的為好。不過這種方法制備的阻燃紙阻燃效果一般。

  4.內添法

  該方法適用于水不溶性阻燃劑,將阻燃劑于其他填料一起添加到紙漿中去,然后抄造成紙。添加部位比較靈活,只要能夠保證其在漿料中均勻分散就可以了。該方法的優點是適用于各種紙的生產,工藝操作簡單,阻燃劑在紙中的分布比較均勻,故紙的阻燃功能比較均一。缺點是阻燃劑流失比較嚴重,可以通過加入合適的助留劑來解決這個問題。

  三、阻燃劑的種類及機理

  阻燃劑種類繁多,按所含阻燃元素的不同,可分為磷系、鹵系、硼系和無機元素等幾類。

  1.磷系阻燃劑

  紙用阻燃劑的含磷化合物,近年來常用的有磷酸鹽、磷酸酯衍生物及聚磷酸酰胺等有機化合物。它們在燃燒狀態下會生成揮發性磷化合物和磷酸,以氣體形式沖淡氧氣和可燃性氣體,起到稀釋作用;同時磷酸會變成偏磷酸和多偏磷酸,在燃燒的固相上形成不揮發的聚合物保護膜,從而起到阻燃作用。

  2.鹵系阻燃劑

  鹵素大多數均可作為阻燃元素,但由于其穩定性和來源等因素,所以在實際應用中大量使用的是溴系和氯系作阻燃劑。鹵系阻燃劑在燃燒時受熱分解產生鹵化氫,鹵化氫消耗高分子降解產生的自由基,延緩或中斷燃燒的鏈反應。同時鹵化氫作為一種難燃氣體(密度大于空氣),燃燒時可在紙及紙制品表面形成高濃鹵化氫屏障,降低可燃性氣體濃度,隔絕空氣,最終達到阻燃目的。

  3.硼系阻燃劑

  硼酸鹽的阻燃作用主要來自以下幾個方面:能夠形成玻璃態無機膨脹涂層;能促進成炭;能阻礙揮發性可燃物的逸出;能在高溫下脫水,具有吸熱、發泡及沖稀可燃物的功效。目前,由于穩定性及價格等因素,硼系阻燃劑以無機硼酸鹽和硼酸為主。

  4.氮系阻燃劑

  氮系阻燃劑主要是指三聚氰胺及衍生物,另外還有磷酸銨、氯化銨、磺胺酰銨、硫酸膩等。氮系化合物燃燒時受熱分解后釋放出N2、CO、NH等氣體,阻斷了氧的供應,從而達到阻燃效果。氮系阻燃劑有的可單獨使用,有的是膨脹性阻燃劑的主要成分。這些阻燃劑無鹵、低毒、不腐蝕、對熱和紫外線穩定,阻燃效果極佳。

  5.無機阻燃劑

  與上述阻燃劑相比,在環保要求日益加強的今天,無機阻燃劑其實具備更強大的競爭力和發展潛力,除了具有抑制發煙和氯化氫生成的作用外,它們還能賦予材料無毒性、無腐蝕性,因而被廣泛應用。近年來用于紙的阻燃方面的阻燃劑主要有三水合鋁、氫氧化鎂等。

  三水合鋁

  三水合鋁,也就是氫氧化鋁(ATH),因具有穩定性好,毒性低或無毒,不產生腐蝕性氣體,阻燃效果持久,消煙等特性而得到廣泛應用。其分解放出的水蒸氣也可稀釋可燃性氣體,兼有冷卻的作用。另外,氫氧化鋁填充到高聚物里有助于燃燒生成碳化層,覆蓋在紙制品表面,達到阻燃目的。目前,全球各類阻燃劑的年用量估計已達到60萬噸,其中三水合氧化鋁約占50%。

  氫氧化鎂

  氫氧化鋁是一種環保型的綠色無機阻燃劑,兼具阻燃、抑煙、抗酸以及填充等功能。氫氧化鎂熱分解溫度在340℃左右,比目前常用的無機阻燃劑氫氧化鋁高出140℃,可以使添加氫氧化鎂的合成材料能承受更高的加工溫度,利于加快擠塑速度,縮短模塑時間。此外,氫氧化鎂粒徑一般較細,對設備磨損小,利于延長加工設備使用壽命。

  目前業界認為氫氧化鎂的阻燃和抑煙機理主要是由于以下幾方面作用:(1)受熱分解釋放出,結晶水,同時釋放出大量熱量,從而抑制聚合物材料溫度升高;(2)分解產生的穩定的氧化鎂覆蓋于可燃物表面,起到一定的隔熱作用;(3)分解時產生大量的水蒸氣降低了氣相燃燒區中可燃物的濃度。不過由于氫氧化鎂的阻燃效率較低,因此它一般會與其他阻燃劑一起協同作用,如氫氧化鋁、紅磷、硼化物等。

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