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世界范围内生产的聚合物四分之一以上的用途都有特定的消防安全要求。工业试验已充分证明：与传统配方相比，以金属次膦酸盐为基础的阻燃系统是一种非常好的选择。
大多数聚合物相对都比较容易点燃，并且在着火时会产生大量的烟雾和热量，这也是为什么在预防火灾保护措施方面，世界范围内的法律和工业条例都要求最高的安全标准。许多国际标准和技术法规都包括了对电子电气设备及其塑料部件的要求。美国安全检测实验室公司（UL标准）和国际电工委员会（IEC）可提供世界领先的各种标准。国际法规的日益严格在IEC刚刚修订的针对电视机和IT设备的消防安全条款上也有所体现，目的是让这些设备在外部起火源的情况下也保证安全。最近的研究表明这一领域内最高达20%的火灾事故都不是由设备本身引起的，而是由外来起火源造成，如蜡烛掉落。如果实施新的指令，则这些设备抵抗这类火焰必须超过3分钟。
许多类具有完全不同化学性质的材料都可以用作阻燃聚合物。这些材料都具有降低基体材料可燃性的能力，并且通常包含如溴、氯、磷、氮或硼分子作为活性元素。矿物阻燃剂，如氢氧化铝或氢氧化镁都得到广泛使用。阻燃效果可以基于化学反应和中止自由基反应，也可以基于物理效应，如燃烧气体的稀释和冷却。由于含卤素的阻燃剂可能对环境造成危害，一直成为争议讨论的主题。尽管含卤素阻燃剂普遍具有较好的效果，但多家组织和协会都要求开发替代物，而原始设备制造商（OEMs）对无卤素系统的要求也在显著增加。另一方面矿物阻燃剂效果还不够好。这种阻燃剂必须大量添加才能满足消防安全分级的要求。这样会大大降低材料的机械强度，影响设计的自由度和聚合物部件的重量。
机械强度好并具有最大的安全性
新一代阻燃剂的主要特性是低负荷下的高效及不含卤素。目前基于金属次膦酸盐的阻燃剂已可商业购得，品牌名为Exolit OP（制造商：科莱恩Clariant）（图1）。 （图片）
图1. 基于次膦酸盐的阻燃剂化学结构 位于德国Schoenau的弗瑞圣塔聚合物有限公司（Frisetta）已经通过试验确认了这种新产品的优势。这家中小型企业位于黑森林南部，是领先的高品质聚酰胺粒料制造商，其材料主要应用于电子和汽车行业。Exolit OP阻燃剂可应用于聚酰胺基（PA6或PA66）玻璃纤维增强材料Frianyl，并已得到综合测试。
除了阻燃性非常有效，其机械和电学性能也极其优异（耐漏电痕迹指数CTI>500V）。图2所示为玻璃纤维增强PA66化合物机械性能的变化。与标准化合物相比，含Exolit的化合物E模量稍高一些，增长率低一些，而抗冲强度几乎一样。 （图片）
图2. 玻璃纤维增强阻燃聚酰胺66化合物机械性能的影响：Exolit OP vs 标准 除了阻燃性非常有效，其机械和电学性能也极其优异（耐漏电痕迹指数CTI>500V）。图2所示为玻璃纤维增强PA66化合物机械性能的变化。与标准化合物相比，含Exolit的化合物E模量稍高一些，增长率低一些，而抗冲强度几乎一样。
无卤素产品也具有特别好的热稳定性（最高可耐350℃），在着火的情况下会发生固相反应。这意味着可降低烟雾密度，不会再产生其他腐蚀性气体。通过形成部分泡沫化的外层，热发散速率也较低。即使壁厚薄至仅0.75mm，含Exolit OP阻燃剂的化合物也很容易达到UL94-V0耐燃级。
含次磷酸盐的聚酰胺化合物在关键性的灼热丝试验中（图3）也获得了极其优异的测试结果。灼热丝燃烧性指数（GWFI）达到960℃。灼热丝起燃温度（GWIT）是针对家用电器设备中塑料件制定的特殊测试标准。化合物也达到了这一标准所要求的耐温775℃。（图片）
图3.灼热丝试验中的试验装置（IEC60695） 无毒理学顾虑
次膦酸盐基产品具有令人印象深刻的低迁移性和渗出行为，可以满足毒理学所有的重要要求（表1）。（图片） 该产品对水中有机物（鱼、水蚤、细菌和藻类）影响极小，因此无需进行特别的标识和分类。即使次膦酸盐被有机体吸收，该物质也会很快被排泄，不会出现生物体内的积聚。和大多数塑料添加剂一样，次膦酸盐的化学和生物性能相对也较稳定，因此不容易降解。
生态足迹
Fraunhofer-Umsicht学院在一个研究项目中对这些产品的环境相容性进行了综合评价。分析了许多参数，如加工和着火时排放物的形成、挥发性有机化合物、浸出阻力和燃烧产品的毒性，这里仅列举最重要的几点。考虑到所有这些性质，Exolit OP可以获得极高的排名，不仅仅是与传统阻燃剂相比。Exolit OP符合众所周知的所有生态标准。尤其是设备制造商遇到限制含卤素阻燃剂使用的挑战时，这种产品更具有极大的优势。
另一项研究证实了含次膦酸盐化合物的可再生性能。这一系列测试以UL标准为基础，使用复合材料（聚酰胺-PA， 聚对苯二甲酸丁二醇酯-PBT），试验表明测试样品的耐火特性即使在6次重新造粒后仍达到UL94-V0等级，并保持了良好的机械性能（图4，表2）。因此生产废料可以毫无困难地进行再次加工。（图片）
图4. 根据UL94测得的阻燃PA66 GF30化合物的可再生性能（测试样品厚度0.8mm） （图片） 作为面向未来的系统，产品符合最新的欧盟指令“关于报废电子电气设备的指令”（WEEE，2002/96/EC）和“关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质的指令”（RoHS, 2002/95/EC）。后者禁止在印刷线路板（PWBs）中使用铅，使得焊接时的操作温度相比传统加工方法要提高约30℃左右。因此聚合物和必需的阻燃剂都需要极好的热稳定性。含次膦酸盐的配方即使在高温下也不会起泡或褪色，这意味着可以生产具有高玻璃化转变温度的无卤素印刷线路板。
相对传统系统的另一选择
考虑到产品的方方面面，相对传统阻燃系统，以次膦酸盐为基础的阻燃系统提供了一个完美的替代选择。这里的结果清楚表明了这一新材料的优势。提高电学性能、提高着色自由度、良好的机械性能、易于加工、优异的性价比、可再生性能以及良好的生态和毒理学评价都是这一引领潮流的系统的标志。目前的应用领域从PA和PBT制成的连接器和开关部件、刚性和柔性印刷线路板，防焊膜、焊锡掩蔽涂料到其他补充印刷线路板用途。现在它也开始应用于ABS系统、夹具、汽车和电子行业的多种部件。Exolit OP产品在世界许多国家和地区都已经注册，因此使用毫无困难。
作者介绍：RUEDIGER WALZ博士领导位于瑞士Muttenz的科莱恩国际公司颜料及添加剂部的阻燃剂市场部门，负责市场和技术服务。THOMAS BAQUE博士为化学家，他领导位于德国Schoenau的弗瑞圣塔聚合物有限公司技术和开发部门的应用开发。
6/20/2009
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