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举个栗子:阻燃剂,生命的守护神!

日报 举个栗子 2年前 (2017-12-31) 194次浏览 0个评论 扫描二维码

举个栗子:阻燃剂,生命的守护神!

火,给人类带来了光明和温暖,极大地推动了文明的进程,同时也给我们带来了极大的威胁。每年在世界各地,不计其数的火灾不仅将我们宝贵的财富化为灰烬,还无情地夺走许多鲜活的生命

火灾之所以频繁发生,一个很重要的原因是我们生活环境中存在着大量的易燃材料,其中相当大一部分是各类高分子材料,例如天然的高分子材料如木材、棉花、纸张和蚕丝,以及合成的高分子材料例如塑料、橡胶和化学纤维等。它们都有一个致命的缺点,那就是着火点太低,在火焰面前不堪一击。

为了降低高分子材料的火灾风险,来自不同领域的研究人员可谓是八仙过海各显神通:建筑或者交通工具的设计者会通过调整和改进布局让人们在火灾发生时以最快速度逃生,电子产品工程师开发出火灾报警器和自动喷淋系统,而化学工作者除了提供我们再熟悉不过灭火剂之外,还开发出一类独特的化学物质,那就是本文要介绍的阻燃剂

顾名思义,阻燃剂的作用就是阻止或者延缓高分子材料的燃烧。我们可以在加工高分子材料的时候把阻燃剂混合进去,也可以通过化学反应使一些阻燃剂成为高分子材料的一部分。无论是通过哪种途径添加,经过阻燃剂的处理,高分子材料会变得不那么容易燃烧了。如果对经过了和未经过阻燃剂处理的布料进行燃烧实验,我们会发现,火焰很快蔓延整块没有添加阻燃剂的布料;而相同时间内,火苗仍然局限在添加了阻燃剂的布料的一角,甚至有可能熄灭。(图 1)显然,阻燃剂的存在让高分子材料的燃烧速度大为减慢,甚至变得难以燃烧。

举个栗子:阻燃剂,生命的守护神!

相信很多朋友在惊叹阻燃剂出色表现的同时,对它们如何发挥作用非常感兴趣。要了解阻燃剂的工作原理,我们首先要了解燃烧的过程和原理。我们可以用打火机去点燃一杯酒精,却无法点燃一杯水,这是因为酒精能够与氧气发生化学反应而水则不能。所以燃烧必须在可燃物和氧气同时存在的情况下才有可能发生。然而,我们把酒精和氧气放在一起,它们也可以相安无事,直到我们用打火机去点燃,这说明燃烧的发生还需要一定的热量。可燃物、氧气和热量常常被称为火灾的三要素,缺了其中任意一个,燃烧就不能发生,也就没有火灾。我们平时各种避免或者扑灭火灾的措施,都是在设法移除火灾三要素中的至少一个要素。例如用水灭火时,水不仅能够将可燃物与氧气隔绝开,还使得正在燃烧的物体降低温度。

近些年来,人们意识到火灾的发生还需要第四个要素,那就是可燃物与氧气之间发生的链式化学反应。这种反应非常活泼,一旦开始就很难中止。设想在一个大教室里,所有的学生都在安安静静地自习,突然有那么一两个学生离开自己的座位大声吵闹打扰其他的人;而被打扰的同学也变得不安分,跟着一起离开座位打扰正在学习的其他同学,这个过程重复下去,用不了多久原本安静的教室就失去了控制,变得一片喧哗。可燃物与氧气之间的链式化学反应就像是这样的一个过程,快速且难以控制,而且很关键的一点是,这种链式反应会放出热量,使得整个反应体系一直保持充足的能量,这样燃烧才可以持续不断地进行下去直到可燃物或者氧气耗尽。链式反应对于火灾的发生同样重要,如果它受到抑制,火灾也可以熄灭。

下面来看看阻燃剂是如何抑制或者延缓高分子材料的燃烧的。大家知道,高分子材料主要是由碳、氢、氧等几种元素组成,理想情况下,它们燃烧的最终产物都将是二氧化碳和水。然而实际情况并非完全如此:高分子材料在燃烧时,一般都会发生分解,释放出一氧化碳、烷烃等气体;这些气体本身还可以燃烧,燃烧释放出来的热量使得更多高分子材料发生燃烧而分解,于是更多的可燃气体被释放出来。恶性循环的结果是火灾在很短时间内迅速蔓延开来,并让火灾现场的人难以逃生。当空气中的可燃气体的量达到一定程度,还会发生非常可怕的闪燃,整个房间会在瞬间都被火海吞没。

除了火焰本身的威胁,高分子材料燃烧时释放出的有毒气体也是火灾造成伤亡的重要原因。一氧化碳的毒性自不用提,许多常见的高分子材料例如蛋白质(蚕丝、羊毛、皮革)和尼龙都含有氮,这些材料在燃烧时会释放出毒性更大的气体氰化氢;随着有毒气体还有许多颗粒物一同被释放出来,其中的许多成分对健康也有显著危害。实际上,许多火灾遇难者往往并非被直接烧死,而是由于吸入大量的有毒气体和颗粒物致死的。

了解了燃烧特别是高分子材料燃烧的特点,我们就可以对症下药,选择合适的材料来抑制或者延缓这些材料的燃烧。最常见的一类阻燃剂是含有氯元素或者溴元素的有机化合物。这些化合物是如何起到阻燃作用呢?我们还举刚才提到的自习室的例子,如果开头几个大声喧哗的学生刚刚出现,立刻就有另外几个学生站出来劝阻,虽然多少还是会有人受到这些喧哗学生的影响,但整个教室的秩序并不会很快变得那么糟糕。含氯或者含溴的阻燃剂就像是劝阻喧闹者的人。一旦发生火灾,这些阻燃剂也会发生分解,释放出许多含有氯或者溴的气体。这些含氯含溴的气体不仅自身很难燃烧,还会阻碍高分子材料分解释放出的可燃气体与氧气的反应,也就是说,这些阻燃剂干扰了火灾发生的第四个要素——链式化学反应。由于它们的存在,可燃气体的燃烧受到抑制,释放出来的热量自然就会减少,而正在燃烧的高分子材料得不到足够的热量,也就很难继续释放更多的可燃气体。良性循环的结果是整个燃烧过程大大延缓,不仅造成的财产损失得以减轻,处在火灾现场的人也更容易逃生且不易受到有毒气体的伤害。

举个栗子:阻燃剂,生命的守护神!

除了含氯或含溴的阻燃剂,还有许多其他类型的阻燃剂以另外的机理发挥作用,例如许多含有磷元素的有机物也可以作为阻燃剂。这类阻燃剂在发生燃烧时不仅会像含氯、含溴的阻燃剂那样释放气体阻碍一氧化碳等可燃气体的燃烧,还有另外一手“绝活”——遇热能够形成不易燃烧的物质。这些物质能够将尚未燃烧的高分子材料与火焰严密隔绝,起到保护层的作用。缺乏了持续的燃料供给,燃烧的速度自然大大减慢,火焰甚至有可能逐渐熄灭[3]。这种类型的阻燃剂就好比在森林或草原火灾时,迅速清理植被,开辟出一条防火道,它们也可以有效延缓火灾的进程。还有一些常用的阻燃剂是简单得让人意想不到的无机物——氢氧化铝和氢氧化镁。它们阻燃原理也非常简单:一旦受热,这些无机物会分解释放出水。这就像在存放易燃物的仓库里安排了手持灭火器的值班人员,一旦发现火灾立刻把水浇过去。

举个栗子:阻燃剂,生命的守护神!

各类阻燃剂由于其优异的阻燃性能,被大量应用于我们的日常生活中。有调查表明,全世界每年消耗的阻燃剂已经超过了二百万吨[4]。这么多的阻燃剂都去了哪里?答案是几乎每个用到高分子材料的地方。比如,当你坐在沙发上点燃一支香烟时,你可能没有意识到用来加工沙发靠垫的面料已经经过了阻燃处理,这样万一你手中的燃着的烟头不慎掉落,沙发不会瞬间被火焰吞没。当你打开电脑上网时,电脑从外到内的几乎每个角落,例如外壳、键盘、电源线外皮、网线接头和印制电路板,都有阻燃剂在默默地值守。当你在夜晚突然被一股焦糊味惊醒时发现床垫被烧掉了一个小角时,你应该感到庆幸,因为如果没有床垫中的阻燃剂,也许你早就在睡梦中葬身火海了。当你踏上旅途时,添加在汽车或者飞机各个部位的阻燃剂更是保证火灾发生时你有更多的时间逃生。

各种类型的阻燃剂为保护我们的财产和人身安全免受火灾的威胁做出了巨大的贡献,然而近些年来它们也越来越多地受到批判和质疑。一个很大的原因在于许多阻燃剂在生产环节和使用过程中都会对环境和人体健康带来很大负面影响。其中含溴阻燃剂的问题尤为突出,导致在生产和使用上遭到禁止。然而谁都不愿看到由于禁止阻燃剂的使用而使得我们面临更大的火灾威胁,因此开发绿色环保的新型阻燃剂,就成为化学工作者们要面对的一大挑战。让我们期待着他们交出一份满意的答卷吧。(作者:嵌段共聚物,从事研发,高分子科学与工程专业博士)


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