聚氯乙烯本身具有自熄性，但在加工和使用時(shí)往往加入大量的增塑劑，從而大大提高了PVC制品的可燃性，制品燃燒時(shí)還會(huì)產(chǎn)生大量的煙霧，使人難以辨別方向和路徑而造成救援和逃離火場(chǎng)的困難。據(jù)統(tǒng)計(jì)，火災(zāi)中死亡人數(shù)的80%是因燃燒時(shí)產(chǎn)生的有毒氣體窒息而死的。因此，對(duì)pvc的阻燃與抑煙研究引起人們極大的關(guān)注。由此可見，對(duì)PVC的阻燃化設(shè)計(jì)，除了賦予其優(yōu)良的阻燃性能，基本不影響原材料的物理性能與加工性能外，還應(yīng)考慮到低煙、低毒問題。
PVC在燃燒過程中脫除HCl后生成共軛雙鍵不飽和烴，接著碳鏈斷裂成低分子產(chǎn)物、自由基等，分子發(fā)生重排，環(huán)化形成苯核，聚合成稠環(huán)芳香族結(jié)構(gòu)的樹脂，最后變?yōu)榻固亢褪剂?。其熱解成為HCl、多烯烴、苯、芳香族物質(zhì)、低分子烯烴和烷烴等，有足夠數(shù)量的中間產(chǎn)物參與熱解以形成煙黑。此外，增塑劑燃燒后也產(chǎn)生大量煙霧。由此分析可知，PVC熱解產(chǎn)物的環(huán)化形成苯是其燃燒發(fā)煙的重要原因之一。
根據(jù)對(duì)PVC熱解過程的分析可知，抑制PVC發(fā)煙的最根本的方法是要設(shè)法控制PVC的熱解產(chǎn)物，使這些鍵的碎片不參與成環(huán)、聚合，從而不生成像苯、乙炔、稠環(huán)芳香族化合物等碳?xì)浔雀叩闹虚g產(chǎn)物。此外，設(shè)法使PVC燃燒產(chǎn)物中有更多的碳轉(zhuǎn)入凝聚相，從而減少其揮發(fā)性產(chǎn)物也是降低其發(fā)煙量的重要措施。
對(duì)PVC消煙途徑主要有二種:一是使煙塵微粒氧化成為氣體CO和CO2，例如二茂鐵及其衍生物就屬于這類消煙劑;二是抑制PVC熱分解產(chǎn)生苯及其衍生物，從而促進(jìn)殘余碳的形成，如過渡金屬氧化物類。許多金屬氧化物、金屬氫化物、硼酸鹽等無機(jī)阻燃劑都顯示出良好的抑煙效果。
對(duì)于PVC體系，同時(shí)具有阻燃抑煙雙重效果的助劑主要有:金屬氧化物、鋅系化合物、鐵系化合物、銅系化合物、鉬系化合物和復(fù)合物等。所有這些阻燃抑煙劑均以摻混的形式加入PVC體系中，故均稱外添型阻燃抑煙劑。外添型阻燃抑煙劑使用方便、工藝簡(jiǎn)單，但往往存在添加量大、穩(wěn)定性差(如鐵系阻燃抑煙劑易遷移和揮發(fā))等缺點(diǎn)。另一類將阻燃抑煙劑鍵合于PVC大分子上，使體系具有良好的加工性能、使用性能和較高的穩(wěn)定性。但鍵合型阻燃抑煙產(chǎn)品尚未見報(bào)道。
(1)金屬氧化物阻燃抑煙劑金屬氧化物(MxOy)是目前使用最多、最有效的PVC阻燃抑煙劑，分為酸性、堿性與兩性三大類。不同類型的金屬氧化物對(duì)PVC熱解歷程有不同的影響，從而產(chǎn)生不同的阻燃抑煙效果。通常在PVC/ MxOy體系的燃燒過程中，酸性MxOy促進(jìn)Cl原子重組;堿性MxOy阻礙Cl原子重組(Cu、Zn、Zr元素的金屬氧化物除外)；兩性MxOy介于上述兩種情況之間。
MxOy能有效提高體系的氧指數(shù)，降低煙密度，增加成炭量，使熱解產(chǎn)物中芳香族揮發(fā)分比例減少，脂肪族揮發(fā)分比例增加。比較而言，過渡金屬氧化物的阻燃抑煙效果最好。
(2)氫氧化鋁、氫氧化鎂阻燃抑煙劑A1(OH)3和Mg((OH)2能顯著地降低PVC的燃燒性能和發(fā)煙量，同時(shí)大大降低阻燃劑的填充量。超微細(xì)水合氧化鋁(ATH)對(duì)硬PVC塑料物理機(jī)械性能、阻燃性能、消煙性能具有較大的影響。基本配方(質(zhì)量份)為:PVC樹脂(SG-5)100，增塑劑7,穩(wěn)定劑6.5 ,潤(rùn)滑劑2. 1,其它助劑10.2。試驗(yàn)表明，用偶聯(lián)劑處理的ATH添加20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，OI達(dá)47.1最大煙密度Dm降至75.6。以A1(OH)3為主體并配了多種無機(jī)阻燃劑進(jìn)行協(xié)同復(fù)配，研制成無機(jī)復(fù)合阻燃劑，具有添加量少、阻燃性好、低煙、無毒、價(jià)格低等特點(diǎn)。其基本配方(質(zhì)量份)為:PVC 1 00，鉛系穩(wěn)定劑4.0，潤(rùn)滑劑0.4，其它助劑3.5~5.0。
(3)鋅系化合物阻燃抑煙劑 能用于PVC阻燃抑煙的鋅系化合物主要為硼酸鋅(2ZnO •3B2O3 •3.5H2O)。作用于PVC體系的硼酸鋅與三氧化二銻相比，具有如下優(yōu)點(diǎn):①具有高的脫水溫度;②是能完全反應(yīng)的物質(zhì);③具有阻燃、抑煙和抑制余灰等多種功能;④色淺;⑤能提高體系的電性能;⑥低毒;⑦在提高體系的阻燃抑煙性能的同時(shí)，還可使體系的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和缺口沖擊強(qiáng)度得到明顯提高。
硼酸鋅在PVC燃燒中的行為模式:在體系的燃燒過程中，硼酸鋅發(fā)生分解，產(chǎn)生的三氧化二硼形成一層玻璃狀物質(zhì)，覆蓋在聚合物表面，起到抑制余灰的作用。而分解產(chǎn)生的鋅化合物，存在于凝聚相中，催化PVC脫HCl并促進(jìn)其交聯(lián)，提高成炭量、降低成煙量、阻止燃燒繼續(xù)進(jìn)行。目前市售品種有:美國(guó)Borax公司的Firebrake ZB系列，Climax公司的ZB系列等。
(4)鐵系、銅系化合物阻燃抑煙劑 鐵的許多有機(jī)或無機(jī)化合物均為PVC良好的阻燃抑煙劑，主要包括:FeOOH、二茂鐵、Fe2O3、FeCl3及FeCl2等。這類阻燃抑煙劑的主要特點(diǎn)如下:①能顯著提高該體系的氧指數(shù)，降低煙密度，提高成炭量;②能提高體系的熱穩(wěn)定性，降低體系的最大熱釋放速率，提高機(jī)械強(qiáng)度，改善加工性能，但對(duì)結(jié)晶性能有不良影響;③氣相和液相兩相反應(yīng);④揮發(fā)性強(qiáng);⑤色重。
在PVC燃燒中的行為模式:無論哪種形式的鐵系化合物，在與 PVC脫出的HCl反應(yīng)后，首先均生成第一步反應(yīng)中心作用物FeCl3;繼續(xù)反應(yīng)生成第二步反應(yīng)中心作用物Fe2O3;成煙結(jié)束后均變?yōu)?alpha;-Fe2O3。研究結(jié)果表明，鐵系化合物具有炭化效應(yīng)，對(duì)高聚物具有優(yōu)異的阻燃消煙作用，鐵系化合物燃燒時(shí)生成FeCl4，對(duì)促進(jìn)炭化起了重要作用。
用作PVC阻燃抑煙體系的銅系化合物主要有:Cu、CuO、Cu2O和Cu(COOH)2。等，這類阻燃抑煙劑的主要特點(diǎn):①十分有效地抑制了煙的生成和提高體系的阻燃性能;②使體系脫HCl以及交聯(lián)反應(yīng)均提早發(fā)生，并且成炭量大大增加;③使熱解氣相產(chǎn)物中芳香族產(chǎn)物比例減少，脂肪族產(chǎn)物比例增加;④典型的凝聚相反應(yīng);⑤體系熱解過程中，中心作用物為Cu﹢。
(5)鉬系化合物阻燃抑煙劑 用作PVC阻燃抑煙體系的鉬系 化合物主要有氧化鉬(MoO3)、鉬酸鎳、鉬酸鋅、鉬酸鈣、八鉬酸銨等，其中研究最多的是氧化鉬。氧化鉬主要特點(diǎn)如下:①能有效地提高體系的阻燃性能并抑制煙的生成;②其氣相反應(yīng)不重要，阻燃抑煙主要是按照凝聚相反應(yīng)與異相反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行;③對(duì)殘?zhí)康难趸饔脤?duì)于煙密度的降低很重要。
MoO3和八鉬酸銨主要用于PVC的抑煙，將這兩種抑煙劑加入硬PVC中，當(dāng)用量為0.5%~5 .%時(shí)，材料生煙量降低30%~80%，OI提高了3~10個(gè)單位。對(duì)用作電纜包覆材料的軟PVC,加人2%的MoO3或八鉬酸銨，材料生煙量可減少70%~80%，OI可提高約3個(gè)單位。
(6)復(fù)合物類阻燃抑煙劑 所謂復(fù)合物，即指那些具有協(xié)同效應(yīng)的阻燃抑煙劑，按一定比例混合后，作為一個(gè)整體加入PVC體系中，起阻燃抑煙作用。已為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)的復(fù)合物有:鉬化合物/Sn2O3、硼酸鋅/Sn2O3、硼酸鋅/Sn2O3/Al(OH)3、Cu2O/MoO3三聚氰胺-β-八鉬酸鹽/草酸銅、硼酸鋅/氫氧化鋁、FeOOHSb2O3/ZnO、ZnO/MgO、ZnO/CaO及硼酸鋅/八鉬酸銨/錫酸鋅。一種既能阻燃又可消煙的助劑—一ZnO和MgO固熔體，其消煙性能見表4-12。
鎂一鋅復(fù)合物，即Ongard，是一種新的阻燃和抑煙劑，它可能是Mg、Zn的固體溶液，適用于PVC。對(duì)于典型的含有錫穩(wěn)定劑的硬質(zhì)、半硬質(zhì)和軟質(zhì)PVC(鄰苯二甲酸二辛酯增塑)，Ongard均具有良好的抑煙效果。NITS煙室法測(cè)定結(jié)果表明，這種抑煙劑可使PVC的生煙量降低約30%(明燃)，或50%(陰燃)，且含量以4%為最佳。
除上述幾類典型的阻燃抑煙劑外，還有許多其它試劑可用作PVC的阻燃抑煙，如碳酸鹽、沸石、磷酸鹽和草酸鹽等。鈣系化合物具有優(yōu)異的消煙及吸收HCl的性能，特別適合于PVC的阻燃與消煙。如鋁酸鈣(3CaO •Al2O3 •6H2O)、硬硅鈣石(6CaO •6SiC2 •H2O)等，其成本約為ATH的一半，而阻燃性與ATH相當(dāng)，消煙性能則優(yōu)ATH。
阻燃消煙技術(shù)已越來越受到人們的普遍重視。實(shí)踐表明采用單一組分消煙效果不佳，而選用高功能復(fù)合阻燃抑煙劑是消煙阻燃技術(shù)的方向。
