阻燃涂料配方中的添加剂 延迟或抑制点火并在暴露于火焰冲击时降低火焰蔓延速度的物质

添加剂用于改善可燃产品的阻燃性能。通常，添加剂是添加到可燃材料中以延迟或抑制点火并在暴露于火焰冲击时降低火焰蔓延速度的物质 [ 139 , 140 ]。已经对这些材料作为各种聚合物添加剂的性能进行了大量研究。另一方面，阻燃体系中的添加剂基本上不与周围体系发生化学附着；然而，正在进行额外的研究以将额外的化学基团接枝到这些材料上，使它们能够在不失去阻燃效率的情况下整合在一起 [ 45 , 141]。因此，它使这些材料在应用时不会排放到大气中。此外，阻燃系统中使用的大多数添加剂都已获得美国环境保护署 (US EPA) 的批准，因为它们对环境的影响较小[ 142、143、144 ]。

以下是一些有前景的添加剂，可用于配制有效的膨胀型阻燃涂料体系。

7.1.1. 聚磷酸铵多磷酸铵 (APP) 是氨 (NH 3 ) 和多磷酸的无机盐。这种支链或非支链聚合物的链长 ( n ) 会有所不同，其中n可以大于 1000。短直链 APP（晶型 I (APP I)）（n = 100）对水更敏感（水解）并且对热的敏感性更低与较长的支链 APP（晶型 II (APP II)）（n > 1000）相比稳定，后者的水溶性非常低（0.1 g/100 mL）[ 137 , 145 ]。已知 APP 是非挥发性和稳定的化合物。在高于 300 °C 的温度下，长链 APP 开始分解为多磷酸和 NH 3，而短链 APP 在 150 °C 以上的温度下开始分解 [ 146 , 147 ]。因此，使 APP 的结晶形式与聚合物分解温度相匹配是至关重要的。

众所周知，将 APP 加入含氧或含氮聚合物（聚酰胺、聚酯和聚氨酯）会导致聚合物炭化[ 60、148、149 ]。APP 的热脱水基本上会产生游离的酸性羟基 (-OH)，它们会缩合形成交联的超磷酸盐和具有高度交联结构的多磷酸 [ 117 ]。多磷酸可与含氧或含氮聚合物反应，从而催化脱水反应并导致炭的形成 [ 131 , 150]。APP的效率还取决于其融入程度。APP在低浓度下对脂肪族聚酰胺无效；然而，在高浓度下（聚酰胺 6,6 中 >10%；聚酰胺 6、-10、-11、-12 中 >20%；聚酰胺 6 中 >30%），它变得非常有效 [ 151 ] .

7.1.2. 季戊四醇磷酸醇季戊四醇长期以来一直用作阻燃剂配方中的炭化剂 [ 152 ]。然而，其有利的低成本被其不利的高水平水溶性所抵消。对于阻燃涂料中的有效膨胀体系，所使用的添加剂必须是水不溶性、热稳定和非卤化的 [ 153 ]。因此，富磷季戊四醇（磷酸季戊四醇（PEPA））衍生物的产生可以使一种专门用于聚丙烯的膨胀型阻燃剂获得成功。事实上，PEPA 的碳酸酯和膦酸酯衍生物是较佳聚丙烯膨胀型阻燃剂的有希望的组分。

当 PEPA 同时用作碳源和酸源时，已发现膨胀型阻燃体系表现出优异的成炭能力和热稳定性[ 154、155、156 ]。例如，PEPA/三聚氰胺混合物的热分解行为可以达到最大的阻燃效果，并且在聚对苯二甲酸丁二醇酯 (PBT) 中具有显着的效果 [ 157]。此外，某些 PEPA 衍生物中的含硫笼状磷酸酯在聚丙烯中也表现出惊人的阻燃性。除此之外，对苯二酚具有赋予羟基 (-OH) 的活性末端官能团的能力，可参与 PEPA 衍生物的形成。对苯二酚中的苯基团可以显着提高炭化剂的碳含量[ 158 ]。因此，碳和磷含量的增加直接降低了立体阻碍效应，从而提高了对火焰蔓延的抑制作用，这决定了膨胀型阻燃涂料系统是胜任的[ 159 , 160 ]。

7.1.3. 三聚氰胺三聚氰胺（MEL）系阻燃剂在阻燃剂市场中规模虽小，但规模迅速扩大。与传统的阻燃剂相比，这些产品有几个好处，包括低毒性和烟雾密度 [ 161 ]、成本效益 [ 148 ]、环境安全 [ 58 ] 和耐腐蚀性 [ 148 ]]。因此，当用作制造阻燃涂料的添加剂时，MEL 可提供出色的保护，尤其是膨胀型涂料。在该系列非卤化 MEL 阻燃剂中可以区分三个化学基团：(i) 完全纯的 MEL，(ii) MEL 衍生物（与有机或无机酸形成的盐，例如磷酸、硼酸、氰尿酸、焦磷酸/多磷酸) 和 (iii) MEL 同系物（melam、melem、melon）[ 162 ]。

由于能够采用多种阻燃作用模式，MEL 基阻燃剂基本上表现出优异的阻燃性能和使用中的多功能性 [ 163 ]。通常，基于 MEL 的阻燃剂通过干扰启动或维持燃烧的三种成分之一来发挥作用：热量、燃料和氧气 [ 148 , 164 ]。事实上，MEL 有能力在所有阶段干扰火焰过程，通过在 MEL 本身吸热升华之前通过吸热解离产生散热器来延迟点火 [ 165 ]。此外，随后 MEL 蒸气的分解会产生更大的散热效果 [ 166 ]。

除此之外，MEL 在膨胀过程中也可以在炭层的形成中发挥重要作用。MEL 自缩合过程中形成的多环结构提高了炭的稳定性 [ 167 ]。MEL 还可以作为炭的发泡剂，提高炭层的隔热功能 [ 168 ]。此外，基于 MEL 的阻燃剂目前主要用于膨胀型涂料、软质聚氨酯泡沫、聚酰胺和热塑性聚氨酯 [ 169 ]。由于在聚烯烃和热塑性聚酯方向上的持续研究和应用开发工作，相信基于 MEL 的阻燃剂市场在不久的将来会扩大 [ 170 , 171 ]。

7.1.4。硼酸/硼酸盐硼酸是一种天然存在的化合物，由氢、氧和硼组成。它可以天然存在于几乎所有水果和蔬菜中，以及一些坚果和谷物中，也可以从地下开采 [ 172 , 173 ]。一般来说，硼酸是化学阻燃剂的无害替代品，已被广泛研究并一致认为对动物和人类均具有低毒性，并被美国环保署列为非致癌物 [ 174 ]。

基本上，硼酸，也称为硼酸盐，以多种方式作为阻燃剂，包括防止火焰燃烧、促进炭的形成以及抑制阴燃、发光和烟雾 [ 43 , 175 ]。此外，硼酸会释放水来帮助灭火；除此之外，由于硼的存在，它在纤维素表面具有成炭价值[ 176 ]。另一方面，在中和酸性材料时，硼酸作为缓冲剂，它可以通过作为防腐剂来保护纤维素材料中的金属 [ 177 ]，防止火焰燃烧 [ 178 ]，并促进炭的形成 [ 179 ]]，如果与其他阻燃剂结合使用，则具有协同作用[ 180 , 181 ]。