王雅珍，王鳳超，常海洋

(1 齊齊哈爾大學(xué)材料科學(xué)院工程學(xué)院，黑龍江　齊齊哈爾　161006；2 齊齊哈爾大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江　齊齊哈爾　161006)

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特稿

可發(fā)性聚苯乙烯阻燃性研究*

王雅珍1，王鳳超2，常海洋2

(1 齊齊哈爾大學(xué)材料科學(xué)院工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾161006；2 齊齊哈爾大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾161006)

可發(fā)性聚苯乙烯(EPS)，是一種優(yōu)質(zhì)的塑料材料，有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、力學(xué)性能較強(qiáng)且方便加工等優(yōu)點(diǎn)。但是由于EPS的易燃性，在使用上存有嚴(yán)重的安全隱患，所以對(duì)于阻燃性EPS的研究，已成為必然。本文綜述了近些年中，EPS的阻燃方法以及所使用阻燃劑種類的研究。

可發(fā)性聚苯乙烯；阻燃劑；應(yīng)用

1　聚苯乙烯系列發(fā)泡材料簡(jiǎn)介

我國(guó)是EPS生產(chǎn)以及使用的大國(guó)[1]，產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于外墻保溫、內(nèi)墻裝飾以及墻體隔音[2]等諸多方面。但是，在EPS板材被大量使用的同時(shí)也相繼帶來嚴(yán)重的安全隱患。EPS泡沫制品的極限氧指數(shù)低，燃燒熱釋放量高，屬于極易燃材料。一旦著火，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特殊，火焰會(huì)迅速增長(zhǎng)，并且聚合物在高溫下解聚生成小分子，在燃燒后很難形成固定炭層，故無法起到自熄作用[3-4]。所以因外墻保溫板可燃導(dǎo)致火災(zāi)加劇，將EPS板材如何能難燃、不燃轉(zhuǎn)化為一個(gè)社會(huì)性的問題。

2　EPS 阻燃方法

目前，對(duì)EPS泡沫塑料的阻燃分類方法主要是阻燃方法和阻燃劑種類兩方面，本文從EPS泡沫塑料的制備及成型階段入手，總結(jié)阻燃劑在各個(gè)階段中的加入方式及現(xiàn)存的各種研究工藝，主要內(nèi)容如下：

2.1聚合階段阻燃法

聚合階段阻燃法是在本體的懸浮聚合時(shí)加入阻燃劑，通過一步法加工工藝，將阻燃劑以分子級(jí)液滴形式均勻分散于苯乙烯內(nèi)部。

在添加型阻燃劑中，鹵系阻燃劑效果較好，在聚苯乙烯阻燃體系中占有重要地位，這是因?yàn)辂u系阻燃劑與苯乙烯單體由較好的相容性并且添加量也相對(duì)較少。上海容志材料科技有限公司[5]，選用與聚苯乙烯基體相溶性較好的溴化苯乙烯作為阻燃劑，將阻燃劑在苯乙烯單體中溶解后，添加到反應(yīng)器中，并加入阻燃增效劑過氧化二異丙苯以及各種助阻燃劑進(jìn)行聚合反應(yīng)，反應(yīng)一段時(shí)間后再加入發(fā)泡劑戊烷，繼續(xù)反應(yīng)得到混有阻燃劑的可發(fā)性聚苯乙烯珠粒。將發(fā)泡后的珠粒加工成板材，防火性能可以達(dá)到B2級(jí)。西博拉技術(shù)有限公司[6]，同樣采用鹵化苯乙烯為阻燃劑，通過懸浮聚合使苯乙烯與鹵化苯乙烯進(jìn)行聚合，將產(chǎn)物用于制備發(fā)泡聚苯乙烯(EPS)，也可用于制備擠出聚苯乙烯(XPS)。對(duì)加工后材料進(jìn)行阻燃測(cè)試，最低氧指數(shù)大于29。鑒于可發(fā)性聚苯乙烯材料處理的特殊性，實(shí)際上可用的鹵系阻燃劑種類并不多，并且由于大多數(shù)鹵系阻燃劑在燃燒時(shí)都會(huì)有有害氣體放出，造成火災(zāi)中更大的傷亡，所以在選擇阻燃劑種類時(shí)越來越多的無鹵阻燃劑更為受到關(guān)注和歡迎。

Banik B K等[7]認(rèn)為，含磷化合物阻燃劑機(jī)理為磷化物受熱脫水生成聚磷酸強(qiáng)脫水劑，在有機(jī)物表面生成碳化物，與生成的氧化物及聚磷酸對(duì)基體表面覆蓋，隔絕空氣以起到阻燃作用。部分研究機(jī)構(gòu)把含磷乙烯基類化合物與苯乙烯進(jìn)行共聚,成功制備出含磷苯乙烯共聚物，然后測(cè)試共聚物的熱性能、阻燃性能，結(jié)果表明,通過比較氧指數(shù)和殘?zhí)苛?，發(fā)現(xiàn)含磷苯乙烯共聚物比純聚苯乙烯顯示出更好的阻燃性能[8-10]。另外，某些研究機(jī)構(gòu)在聚苯乙烯分子主鏈中添加環(huán)狀結(jié)構(gòu)的含磷化合物、環(huán)狀磷腈。所得產(chǎn)物的阻燃機(jī)理為固相阻燃機(jī)理，具有更好的光學(xué)透明性、更高殘?zhí)苛亢土己米枞夹阅躘11-12]。

江陰中創(chuàng)網(wǎng)絡(luò)信息有限公司[13]以納米石墨為主要添加劑，與單硬脂酸甘油脂、磷酸鈣、脫水鹽、苯乙烯、過氧化苯甲酰、發(fā)泡劑，經(jīng)傳統(tǒng)的聚苯乙烯懸浮聚合工藝，制成了納米級(jí)石墨可發(fā)性聚苯乙烯。這種納米復(fù)合材料具有良好的阻燃性能和導(dǎo)熱性能。

2.2包覆阻燃法

包覆阻燃是聚苯乙烯泡沫的另一種阻燃方式，通過使用粘合劑或者類似粘合劑作用的物質(zhì)，包裹可發(fā)性聚苯乙烯顆粒，然后加工成板材。包覆法可以解決阻燃劑與基體相容性差的問題，同時(shí)提高阻燃可發(fā)性聚苯乙烯的力學(xué)性能，并且當(dāng)板材燃燒時(shí)，每一個(gè)被包覆的聚苯乙烯顆粒都可以形成一個(gè)獨(dú)立的阻燃個(gè)體單位，這樣不僅可以有效的達(dá)到的阻燃效果，同時(shí)還可以防止火勢(shì)蔓延。

目前，樹脂包覆阻燃工藝占據(jù)包覆阻燃工藝主體，所用樹脂通常為熱固性樹脂，例如酚醛樹脂、氨基樹脂、脲醛樹脂、聚酯等。

東理工大學(xué)[14]用熱固性酚醛樹脂包覆介質(zhì)，以高聚磷酸銨為阻燃劑,探討了EPS阻燃的工藝流程以及工藝參數(shù)。將熱固性酚醛樹脂和高聚磷酸銨按不同比例配制成混合液，加入預(yù)發(fā)泡的EPS顆粒進(jìn)行攪拌，使混合液均勻的涂覆在EPS珠粒表面，加入固化劑苯酚磺酸進(jìn)行固化，使得混合液均勻的固定在EPS珠粒表面。將包覆的EPS珠粒放入發(fā)泡模具中，加工成板材。并測(cè)試板材的阻燃性能、力學(xué)性能以及環(huán)保性能，測(cè)試結(jié)果顯示：在酚醛樹脂含量相同，高聚磷酸銨含量在20份時(shí)，EPS材料的氧指數(shù)最高可達(dá)到FH-1級(jí)別、水平垂直燃燒速度最慢；隨著粘合劑酚醛樹脂和阻燃劑高聚磷酸銨含量的增多，材料的力學(xué)性能和保溫性能變差。

遼寧工程技術(shù)大學(xué)[15]研究了用熱固性三聚氰胺甲醛樹脂為包覆劑，用聚磷酸銨或PNP為阻燃劑。將包覆劑與阻燃劑混合。經(jīng)過燃燒測(cè)試后，結(jié)果表明：包覆阻燃可以明顯提高可發(fā)性聚苯乙烯保溫板的阻燃性能，燃燒氧指數(shù)由18%提升到32%，殘?zhí)苛吭黾?5%，明顯改善遇火收縮現(xiàn)象。進(jìn)一步適量的添加聚磷酸銨可以進(jìn)一步的提升成炭率，使得阻燃性能更進(jìn)一步提高。

另外重慶龍者低碳環(huán)?？萍加邢薰綶16]和蘇州市金明塑料有限公司[17]都研制出一種包覆漿料，以硅酸鹽以及木質(zhì)纖維、玻璃纖維等各類填料為原料，包覆鹵系或者非鹵系阻燃劑。經(jīng)過燃燒測(cè)試后這兩種方法制得的聚苯乙烯板防火等級(jí)均可達(dá)到A級(jí)。

2.3浸漬階段添加法

浸漬階段添加占據(jù)兩步法生產(chǎn)工藝主體[18]。操作方法是浸漬發(fā)泡階段，在聚苯乙烯基體的水懸浮溶液中添加阻燃劑。阻燃劑以發(fā)泡劑為載體，在加熱加壓的物理?xiàng)l件下將阻燃劑全部滲入聚苯乙烯單體中?？紤]到苯乙烯單體處理的特殊性，目前該種方法常以有機(jī)溴化物作為阻燃劑和以有機(jī)過氧化物作為協(xié)同劑，這是由于溴系阻燃劑以及有機(jī)過氧化物與苯乙烯單體的相容性較好，兩者之間容易進(jìn)行優(yōu)化匹配。

英國(guó)的Tang L[19]研究發(fā)現(xiàn)如果在浸漬法工藝制作EPS阻燃保溫板中使用的微米級(jí)六溴環(huán)十二烷的平均粒徑小于25 μm 時(shí)，至少可以有70%能被苯乙烯基體吸收，遠(yuǎn)高于使用通用級(jí)的六溴環(huán)十二烷時(shí)的吸收量，因此可以減少六溴環(huán)十二烷的使用量，如此不僅降低了成本而且還降低了由于阻燃劑的量過大而對(duì)材料的物理性能造成的影響。

BASF公司[20]在聚合階段添加不同粒徑的六溴環(huán)十二烷對(duì)阻燃性能由相似的影響。試驗(yàn)證明微米級(jí)六溴環(huán)十二烷比通用級(jí)六溴環(huán)十二烷，與苯乙烯基體的結(jié)合效果更強(qiáng), 阻燃效果更好。

2.4外涂層阻燃法

外涂層阻燃法是在可發(fā)性聚苯乙烯保溫板外表刷涂或者噴涂具有阻燃性能的材料，如防火涂料等，通過隔絕火源與EPS的接觸，從而達(dá)到阻燃的目的，是一種應(yīng)用價(jià)值高并且有效的阻燃方式。

由于其操作簡(jiǎn)單，成本較低，所以應(yīng)用價(jià)值很高。目前，涂層技術(shù)不斷進(jìn)步，涂覆形式也有日益增多。王勇[21]等公開了一種制備阻燃可發(fā)性聚苯乙烯泡沫塑料的新方法，即在EPS表面涂上硼酸和粘合劑，在硼酸遇熱后首先形成玻璃態(tài)涂層從而隔離火源與EPS相接處而起到阻燃作用。通過金屬如鋁箔包覆泡沫塑料，相關(guān)報(bào)道中，阻燃要求可達(dá)到B1級(jí)別。

通過對(duì)上述幾種關(guān)于可發(fā)性聚苯乙烯保溫板的阻燃的敘述，我們可以將各個(gè)方法所可使用的阻燃劑以及各個(gè)方法優(yōu)缺點(diǎn)[22-23]總結(jié)如表1所示。

表1　可發(fā)性聚苯乙烯阻燃方法對(duì)比

3　結(jié)語與展望

可發(fā)性聚苯乙烯保溫板作為應(yīng)用廣泛的建筑材料，其阻燃性和環(huán)保性的受關(guān)注度越來越高。目前，文中所述四種阻燃方法單獨(dú)使用都不能使EPS材料達(dá)到理想阻燃效果，所以通常將四種方法配合使用。同時(shí)，在阻燃劑的使用上也各有利弊，新型環(huán)保阻燃劑的開發(fā)已經(jīng)成為阻燃研究的主要方向，這也是解決EPS阻燃問題的關(guān)鍵。

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Study on Expandable Polystyrene’s Flame Retardant*

WANG Ya-zhen1, WANG Feng-chao2, CHANG Hai-yang2

(1 College of Materials Science and Engineering, Qiqihar University, Heilongjiang Qiqihar 161006;2CollegeofChemicalandChemicalEngineering,QiqiharUniversity,HeilongjiangQiqihar161006,China)

Polystyrene is a kind of high quality plastic material, has the advantages of light weight, high strength, chemical stability, high mechanical property and convenient processing. However, due to the EPS of the flammability, there is a serious safety hazard, so the study of flame retardant EPS has become inevitable. The flame retardant method of polystyrene and the types of flame retardant used was reviewed.

expandable polystyrene; flame retardants; application

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No: 21376127)。

王雅珍(1961-)，女，教授，主要研究方向?yàn)楦叻肿硬牧稀?/p>

王鳳超(1990-)，男。

TQ328.4

A

1001-9677(2016)01-0001-03