阻燃剂还是助燃剂？基体添加剂相互作用对硅树脂消防安全的影响

《Polymer Degradation and Stability》：Flame Retardant or Flame Accelerant? Impact of Matrix-Additives Interaction on Fire Safety in Silicone Resin

硅树脂中14种阻燃剂对阻燃性能的影响研究表明，仅2种添加剂（膨胀石墨、氰尿酸）在10wt.%负载下有效提升阻燃性，而铵盐多聚磷酸等加速热降解。分类显示添加剂可分为"改善"、"保持"和"恶化"三类，机理分析表明阻燃剂与基体相互作用直接影响热降解路径。高残渣系统中阻燃剂适配性至关重要，不当添加可能产生阻燃反效应。

　　这项研究探讨了在高残余能力的热塑性硅树脂（SiR）中添加不同阻燃剂对材料防火性能的影响。研究人员选择了十四种具有代表性的阻燃剂，并在固定负载量为10 wt.% 的条件下将其引入SiR中进行测试。研究结果表明，尽管这些阻燃剂被设计用于提升防火性能，但其中一些却表现出相反的效果，不仅未能改善SiR的防火能力，反而成为火焰加速剂，使防火性能比未添加阻燃剂的原始SiR更差。只有两种添加剂在实验中被证实能够显著提升SiR的阻燃性能。根据这些添加剂在10 wt.% 剂量下的综合影响，研究人员将其划分为三个类别：提升型、保持型和恶化型。

研究指出，这些添加剂对SiR基体降解路径的影响是决定其防火性能的关键因素。某些添加剂如膨胀石墨和氰尿酸三甲基，通过最小程度地干扰SiR的降解过程，从而增强其阻燃能力。相比之下，其他添加剂如磷酸铵和层状双氢氧化物则促进了聚二甲基硅氧烷链段的断裂，导致更多硅氧烷低聚物的释放。这种现象表明，在高残余系统中，添加剂与基体之间的适配性对阻燃设计至关重要。如果阻燃剂与基体的匹配不当，可能会导致其在燃烧过程中反而起到加速火焰的作用。

这项研究还强调了阻燃剂与基体之间相互作用的重要性。对于大多数碳氢化合物基质的聚合物而言，其自身的碳化能力通常较为有限。例如，在聚丙烯中，需要高效的膨胀型阻燃剂系统来促进基体交联和碳化，以实现良好的阻燃效果。如果没有有效的相互作用，即使在高负载下，阻燃性能也往往不理想。而在高碳化能力的系统中，如SiR，阻燃剂与基体之间的相互作用可能对燃烧性能产生更为显著的影响。因此，明确这些相互作用的机制对于开发高效的阻燃配方具有重要意义。

SiR因其高硅氧烷含量，具有优异的热稳定性、高碳化率以及固有的阻燃性，被广泛应用于需要高防火性能的领域，如防护涂层、电子元件和航空航天材料。基于这一背景，研究人员选择十四种商用阻燃剂，将其以10 wt.% 的固定负载量引入SiR中进行系统研究。实验结果显示，在这种燃烧后高残余系统中，阻燃剂与SiR基体之间的相互作用在决定阻燃性能方面起到了尤为关键的作用。某些添加剂的加入甚至导致了燃烧性能的显著恶化，这与原始SiR相比更加不利。

为了全面评估和比较不同添加剂对SiR阻燃性能的影响，研究人员采用了多种测试方法，包括极限氧指数（LOI）、垂直燃烧测试（UL-94）以及在可控热流条件下的燃烧行为分析。详细的结果总结在表1和表S2中。特别是，锥形量热仪提供了关键的定量参数，如峰值热释放率（PHRR）、最大平均热释放速率（MARHE）、残余率、总热释放（THR）等。这些参数帮助研究人员更准确地理解不同添加剂对SiR防火性能的影响程度。

研究还指出，阻燃剂的结构对防火性能的提升具有重要影响。即便是微小的结构变化，也可能显著改变阻燃剂的作用机制和效率。例如，某些阻燃剂的结构设计可能使其在燃烧过程中更容易与SiR基体发生反应，从而形成有效的阻燃屏障。而另一些阻燃剂的结构可能使其在高温下迅速分解，释放出更多的可燃气体，从而加剧燃烧过程。因此，针对不同基体的阻燃剂结构设计需要进行细致的调整，以确保其在实际应用中能够发挥最佳的阻燃效果。

此外，研究还比较了不同阻燃剂与SiR基体之间的相互作用方式。例如，某些阻燃剂可能通过物理方式与SiR基体结合，形成稳定的阻燃结构；而另一些则可能通过化学反应，改变SiR的降解路径，从而提升其阻燃性能。这种差异表明，阻燃剂与基体之间的相互作用方式是影响阻燃效果的重要因素。因此，在开发新的阻燃配方时，需要充分考虑阻燃剂与基体之间的相互作用，以优化其防火性能。

研究还强调了阻燃剂在燃烧过程中的动态行为。例如，在燃烧初期，阻燃剂可能通过吸收热量、释放惰性气体或形成保护层等方式延缓燃烧过程；而在燃烧后期，阻燃剂的分解产物可能与SiR基体发生反应，进一步影响燃烧的持续性。因此，阻燃剂在燃烧过程中的行为是多阶段的，其效果可能随着燃烧的不同阶段而变化。这提示我们在评估阻燃剂性能时，需要综合考虑其在整个燃烧过程中的表现，而不仅仅是单一的测试结果。

研究还指出，阻燃剂的种类和性能可能因基体的不同而有所差异。例如，某些阻燃剂在天然纤维中表现出良好的阻燃效果，但在再生纤维中则效果不佳。这种差异表明，阻燃剂与基体之间的适配性是影响其性能的重要因素。因此，在开发新的阻燃配方时，需要针对特定的基体进行调整，以确保其在实际应用中能够发挥最佳的阻燃效果。

为了验证这些假设，研究人员对多种阻燃剂进行了系统评估。通过分析其在不同条件下的表现，研究人员能够更准确地理解不同添加剂对SiR防火性能的影响。此外，研究人员还利用多种表征手段，如热重分析（TGA）、差示扫描量热法（DSC）和扫描电子显微镜（SEM）等，对SiR的降解路径和阻燃剂的作用机制进行了深入研究。这些表征手段帮助研究人员更全面地理解阻燃剂与基体之间的相互作用，以及这些相互作用如何影响燃烧性能。

研究还发现，某些阻燃剂的加入可能促进SiR基体的分解，从而释放更多的可燃气体，这与预期的阻燃效果相悖。这种现象表明，阻燃剂的种类和结构对基体的降解路径具有重要影响。因此，在选择阻燃剂时，需要充分考虑其对基体降解路径的影响，以避免出现不利的后果。

此外，研究还探讨了阻燃剂在高残余系统中的作用机制。例如，在高残余系统中，阻燃剂可能通过形成稳定的保护层来减少热量的传递，从而延缓燃烧过程。然而，如果阻燃剂的结构与基体不匹配，其可能在高温下迅速分解，释放出更多的可燃气体，从而加剧燃烧。因此，阻燃剂的结构设计需要与基体的特性相适应，以确保其在实际应用中能够发挥最佳的阻燃效果。

研究还指出，某些阻燃剂可能在燃烧过程中形成稳定的阻燃结构，从而显著提升SiR的防火性能。而另一些则可能因结构不匹配，导致其在燃烧过程中无法有效发挥作用，甚至起到加速火焰的作用。因此，在选择阻燃剂时，需要充分考虑其与基体的适配性，以避免出现不利的后果。

为了进一步验证这些发现，研究人员对不同添加剂进行了系统的实验分析。通过比较其在不同测试条件下的表现，研究人员能够更准确地理解阻燃剂对SiR防火性能的影响。此外，研究人员还利用多种表征手段，如热重分析（TGA）、差示扫描量热法（DSC）和扫描电子显微镜（SEM）等，对SiR的降解路径和阻燃剂的作用机制进行了深入研究。这些表征手段帮助研究人员更全面地理解阻燃剂与基体之间的相互作用，以及这些相互作用如何影响燃烧性能。

研究还发现，某些阻燃剂的加入可能促进SiR基体的分解，从而释放更多的可燃气体，这与预期的阻燃效果相悖。这种现象表明，阻燃剂的种类和结构对基体的降解路径具有重要影响。因此，在选择阻燃剂时，需要充分考虑其对基体降解路径的影响，以避免出现不利的后果。

此外，研究还探讨了阻燃剂在高残余系统中的作用机制。例如，在高残余系统中，阻燃剂可能通过形成稳定的保护层来减少热量的传递，从而延缓燃烧过程。然而，如果阻燃剂的结构与基体不匹配，其可能在高温下迅速分解，释放出更多的可燃气体，从而加剧燃烧。因此，阻燃剂的结构设计需要与基体的特性相适应，以确保其在实际应用中能够发挥最佳的阻燃效果。

综上所述，这项研究为高残余系统的阻燃设计提供了重要的理论依据和实践指导。通过系统评估不同阻燃剂对SiR防火性能的影响，研究人员揭示了添加剂与基体之间的适配性在决定阻燃效果中的关键作用。这些发现不仅有助于优化现有阻燃策略，还为开发新的高效阻燃配方提供了方向。在未来的阻燃剂研究中，需要更加关注添加剂与基体之间的相互作用，以确保其在实际应用中能够发挥最佳的阻燃效果。