硼酸盐阻燃剂概述

张光辉

摘 要：硼酸盐是一种重要的阻燃材料，目前广泛的应用建筑、橡胶、塑料及电器等行业，文章就硼酸盐阻燃剂的分类、特点、结构、阻燃性能的测试方法、研究现状、未来的发展方向和应用前景做了简要陈述。

关键词：硼酸盐；阻燃剂；概述

随着我国城镇化不断的发展，经济也得到了快速的发展，但同时也引发了一系列严重的社会问题，例如2010年11月15日上海的特大火灾造成，造成49人死亡、70人受伤；2013年5月11日晚，安徽宿孚玉镇居民住宅发生火灾，火灾现场5人死亡。这一起起火灾带给人血的教训，引发了人们的深刻反思，除了在日常生活中规范操作和高度重视之外，还应从其它源头做起，那就是研发具有阻燃性能的材料，尽可能杜绝此种重大事故再次发生。近年来，阻燃剂市场发展迅猛，据不完全统计，2007年全球阻燃剂市场消费为170万吨， 2008年为195万吨， 2010年为230余万吨，2014年有望达到近300万吨。我国也在2007年3月1日颁布了《阻燃制品标识管理办法（实行）》，规范阻燃剂的使用，防止阻燃剂对环境和人体健康产生影响。

1 硼酸盐阻燃剂特点

阻燃剂的种类很多，按照使用方法可分为添加型和反应型；按照组成可分为有机阻燃剂、无机阻燃剂、无机-有机阻燃剂。有机阻燃剂主要有卤系、磷系、六溴水散体、磷酸酯、十溴-三氧化二锑、卤代磷酸酯等，其优点是与有机物有很好的亲和力，在塑料等阻燃体系中占绝对优势，但缺点是阻燃过程中会产生大量的有毒有害气体和烟雾，为后续的救援造成了很大的影响，这就限制了其应用。无机阻燃剂，主要有硼酸盐类、氢氧化物、磷酸的铵盐、卤化铵、硼酸等，其由于具有无毒、无烟、无卤、无害等优点，被广泛的应用在建筑，装修等很多行业，并且需求量占整个阻燃市场的50%以上，并有逐年递增的趋势。

硼酸盐就是一种应用最广的阻燃剂，目前，我国生产的硼酸盐阻燃剂主要有偏硼酸钙、五硼酸铵、偏硼酸钠、氟硼酸按、硼酸锌、偏硼酸钡、氟硼酸锌等，硼砂有防止残焰的作用，但对防止灼焦的作用不大；而硼酸有阻止无焰灼烧的作用，但对防止残焰的作用又不明显，将两者混合可以发挥协同阻燃效果，防止无焰灼烧的效果很好。在硼系阻燃剂中，硼酸钙是一种新型的阻燃剂，硼酸锌是一种应用最为广泛的阻燃剂，将其添加在织物、塑料等高聚物中，有许多优点：（1）硼酸锌阻燃剂的安全无毒、价格低廉、性能良好。（2）添加硼酸锌后，织物等燃烧有利于生成多孔碳层，碳层能被B2O3所稳定。（3）硼酸锌与其它阻燃剂混合使用，具有协同效应，可以减少烟雾量，起到降低成本的作用。（4）硼酸锌在阻燃树脂时，可减少高温熔滴，防止了二次火灾的发生。（5）硼酸锌与Al（OH）3阻燃剂协同，可生成多孔硬质玻璃陶瓷状物质，起到隔热和吸附可燃与助燃气体的作用，阻止燃烧的进一步进行。目前，硼酸盐阻燃剂已在船舶、化工、建筑和军事等领域广泛应用。

2 硼酸盐阻燃剂的结构

硼酸盐是由金属阳离子和硼氧聚阴离子以离子键结合形成的，由于硼原子可以采取sp2杂化和sp3杂化，分别形成平面三角形BO3和四面体BO4单元，BO3和BO4单元可以单独存在，也可以通过顶点氧原子互相连接，形成聚合程度不同的硼氧聚阴离子，而硼氧聚阴离子可以发生缩聚反应脱水，通过氧原子与质子结合形成OH-，在其它基团连接下发生形变，在水含量高时连接方式发生改变，这就导致硼氧聚阴离子结构复杂，硼酸盐种类繁多。

3 硼酸盐阻燃剂性能测试方法

目前，硼酸盐阻燃剂性能的测试方法很多，归纳起来主要有以下几种： 极限氧指数法、垂直燃烧法、热分析法等。

极限氧指数（LOD）法的原理是将待样品置于垂直流动的氮气和氧气的混合气氛中，改变在维持总流量不变添加下，改变氧气的流量，测量使待测样品保持平衡燃烧时的最低氧浓度（体积百分数），用以判断材料的阻燃性能。

垂直燃烧法的原理是垂直地夹住试样一端，对材料的自由端施加一定的火焰，通过测定续燃时间、灼焰时间、燃烧长度或成炭率来评价材料的阻燃性能。

热分析法是一种广泛应用于材料可燃性和阻燃性能评价的方法。包括热重法（TGA）、差式扫描量热法 （DSC）和差热分析（DTA）等。TGA法是在程序控温下，测量物质的质量与温度的关系。分析物质在分解过程中的质量变化及失重速度，进而对材料燃烧过程中的稳定性和可燃性作出评价。而DTA法和DSC法则是在相同条件下定量分析材料在不同温度的重量及热效应的变化情况，进而得出阻燃剂对材料的热分解过程变化以及燃烧性能的影响，对材料的阻燃性能和阻燃机理做出判断。

4 硼酸盐阻燃剂的研究现状

近些年来，人们已经对硼酸盐纳米阻燃剂进行了大量的研究，并且发现，阻燃剂的阻燃效果与阻燃材料的颗粒尺度有关，也就是说，颗粒越小，阻燃效果越好。不同形貌的阻燃剂，阻燃效果也不相同。例如：中南大学吴志平等[1]人制备了超细硼酸锌并测定其成炭率，研究了2ZnO·3B2O3·3.5H2O 的阻燃性和抑烟效果；苏达根等[2]人制备了纳米硼酸锌，并通过测定极限氧指数法研究其阻燃性； S. l. Li等[3]人制得了2ZnO·3B2O3·3.5H2O 纳米片，并发现2ZnO·3B2O3·3.5H2O 纳米片极大地提高了PE的阻燃性能；Ayhan Mergen 等[4]采用2ZnO·3B2O3·3.0-3.5H2O制得了4ZnO·B2O3·H2O，并研究了添加不同量4ZnO·B2O3·H2O的PVC的阻燃性能，发现纳米材料的阻燃剂性能较普通阻燃剂明显提高，添加量较少。

5 硼酸盐阻燃剂的发展方向

无机阻燃剂由于具有毒性小、抑烟效果好等特点，目前已广泛的应用于建材、纺织、油漆等各行各业。但是，无机阻燃剂添加量大，阻燃效果差，这就限制了其发展。近年来，随着纳米技术的发展，人们发现，将阻燃材料制备成纳米型，不但可以提高材料的阻燃性和热稳定性，还可以减少添加量。这就促使了纳米阻燃剂的飞速发展。

相信未来，阻燃剂市场将会被高效、抑烟、无毒、廉价的无极阻燃剂占据。阻燃剂未来的发展方向必然是向着：粒径超细化、表面改性处理和协同复合技术三个主要方向发展。

参考文献

[1]吴志平， 舒万艮， 胡云楚，等. 超细硼酸锌阻燃剂的制备及其性能研究[J].中国塑料， 2005， 19（3）： 83-86.

[2]苏达根， 区翠花， 钟明峰， 等. 纳米硼酸锌的制备及对木材阻燃性能影响研究 [J]. 贵州工业大学学报（自然科学版）， 2008， 37（3）： 61-64.

[3]Ayhan Mergen， P.H.Kemp， The chemistry of borates，part 1.Consolidate Limited[M] S.W.I， London， 1956， 68-72.