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在火災中，大多數人并非因為高溫而死亡，多數是由于可燃物在燃燒過程釋放出有毒、有害氣體，導致中毒或吸氧不足而死。因而，研發新型無毒、無害、燃燒過程不產生或較少產生有毒、有害氣體和煙塵、阻燃性能良好的阻燃材料是當前阻燃領域重點研究方向。
目前主要通過添加過渡金屬氧化物、鎂-鋅復合物、金屬氫氧化物、氧化錫、二茂鐵、氧化銅等抑煙劑解決火災中煙塵過多的問題。新型抑煙劑，燃燒無有毒、有害氣體產生的阻燃劑是今后阻燃材料研發的趨勢。
一般的聚合物在燃燒過程中都會產生大量的煙霧，其中部分聚合物燃燒產生的煙霧是有毒的。當聚合物中加入阻燃劑，尤其是鹵素阻燃劑和三氧化二銻時，燃燒時會產生更多的煙霧和有毒氣體。
一、煙霧組成
黑煙是指燃燒氣體產物中懸浮的固體顆粒和團聚物。
通常認為降低黑煙濃度的途徑有三個：一是借鑒覆蓋效應、轉移效應、抑制自由基、加速成炭等阻燃原理改變其燃燒模式；二是大量填充無機材料，通過降低可燃物的含量來減少發煙量，但用量過大會造成對制品性能的嚴重損害；三是利用協同作用，進行復合化阻燃。
白煙主要是由于材料燃燒時生成的水蒸氣造成的，還有水蒸氣凝聚物等懸浮在空氣中的微小粒子。還有部分不可見部分為氣體，如 HCl、CO2、CO、HCN 及甲烷等。
常見高聚物燃燒后的煙霧組成
水蒸氣雖然對人體無害，但使透光率下降，煙密度增大。氫氧化鋁、氫氧化鎂由于吸收燃燒熱而發揮阻燃作用，但生成的水蒸氣卻是產生白煙的主要原因。因此如何在阻燃與抑煙之間達成一種平衡是至關重要的。
二、哪些材料易產生煙霧
衡量材料燃燒時發煙的大小一般用最大比光密度（Dm）， 也稱最大煙密度。聚合物的最大比光密度越大，說明其發煙性越大，燃燒時冒黑煙越濃，對環境污染越大。常用聚合物的最大比光密度見下表所示。
常用聚合物的最大比光密度
從表中可以看出：
1、多烯烴結構或側鏈有苯環的聚合物，發煙量較多，這是因為多烯碳鏈可以通過環化、縮聚、生成石墨化炭粒；
2、而側鏈上有苯環的聚合物(如聚苯乙烯)燃燒時很容易生成共軛雙鍵不飽和烴，而后碳鏈環化縮聚成炭，發煙量高。
3、聚氯乙烯脫氯化氫后環化也易形成燃燒放煙量大的聚合物。
因聚合物燃燒時無煙的標準為最大比光密度 Dm 低于 300 以下，因此 PET、PC、PS、ABS 及 PVC 等發煙量大的樹脂，在阻燃的同時還需要進行消煙改性，其中 PVC 更是尤為重要。
三、阻燃抑煙劑選擇
在當代阻燃劑技術中，“阻燃”和“抑煙”相提并論，對某些高聚物而言，“抑煙”比“阻燃”更為重要，因此開發抑煙阻燃劑是非常重要的。什么樣的材料才具備抑煙劑的條件呢?
材料燃燒時火焰是擴散型的，空氣的對流將已經生成的炭化物帶入空中，這是導致發煙量增大的根本的原因。如果能將已經生成的炭化物固著在燃燒材料的表面，而不是飄浮在空氣中，必將大大降低材料的煙密度。實現這一設想的關鍵是合成或者尋求一種在 700 - 1000 ℃ 之間可以熔融、該溫度下性能類似黏合劑的化合物。
同時，在設計無煙阻燃配方時，要盡可能選擇低煙的阻燃劑，各類阻燃劑的最大比光密度見下表所示。鹵/銻阻燃體系和包覆紅磷都增加發煙量和有毒氣體的擴散，因此在使用溴類阻燃體系時，需要同時加入抑煙劑。
各類阻燃劑的最大比光密度
概括起來，抑煙助劑可以分為無機和有機兩大類，并以無機抑煙助劑最為常用。
1、無機抑煙助劑
無機抑煙劑主要為金屬的氧化物、氫氧化物及金屬鹽等。
①鉬化物是常用的金屬氧化物抑煙助劑，主要品種有三氧化鉬、八鉬酸胺、鉬酸鈣、磷鉬酸鈣、鉬酸鋅等以及鉬化物與三氧化二銻、氧化銅、氧化鐵、氧化鎘等并用，是抑煙效果最好的品種。大量商品化的高效鉬化合物消煙劑是三氧化鉬及八鉬酸銨。
鉬化物的抑煙原理為在凝聚相中通過交聯促進成炭，發揮抑煙作用。例如，鉬化物在燃燒過程中與 PVC 等樹脂形成殘炭，覆蓋在聚合物表面，達到阻燃抑煙的效果。添加鉬系抑煙劑一般量在 2 - 3 % 之間，可降低 30 - 80 % 的生煙量。
②鐵化物的抑煙機理為在凝聚相中通過交聯促進成炭，又可作為氧化催化劑，將聚合物中碳轉化為一氧化碳和二氧化碳。主要品種有二茂鐵、二茂鐵1，1-二羧酸、三氧化二鐵、草酸鐵鉀、草酸亞鐵等，與鹵化物并用。
二茂鐵是亞鐵的環戊二烯絡合物。二茂鐵呈橘紅色，不能與含磷阻燃劑并用。且因為有顏色，不易推廣應用。二茂鐵主要作為硬質 PVC 的抑煙劑銷售。每 100 份 PVC 用 0.5 份，即可使硬 PVC 的生煙量降低 30 – 70 %。二茂鐵在 PVC 脫 HCl 過程中迅速地轉化為 α-Fe2O3，存在于炭層中，α-Fe2O3能引起炭化層灼燒，催化氧化炭層成為CO和CO2，從而減少了炭黑形成的數量。
FeCl2 和 FeCl3 是 α-Fe2O3 生成的前身，它們也是有效的消煙劑，它們改變善了 PVC 的裂解過程，使之容易生成輕質焦油，從而減少了黑煙的生成。
③金屬氫氧化物主要品種為氫氧化鋁、氫氧化鎂。具體抑煙原理為在加熱過程中形成的氧化鋁和氧化鎂具有較大的表面積，能吸附煙塵；在固相中促進了炭的形成；放熱的水變成水蒸氣，可以沖淡可燃氣體、沖淡煙霧；可以與含鹵化合物受熱分解放出的鹵化氫反應(捕捉鹵化氫)，從而減少了煙霧中的有毒氣體鹵化氫的量。單一的金屬氫氧物抑煙效果已經很好，但兩者直接復配使用或與鉬化物、金屬氧化物、金屬復合使用效果更好。
④金屬鹽類主要品種為碳酸鹽如碳酸鈣，硼酸鹽類如硼酸鋅，磷酸鹽類如磷酸鋅，草酸鹽類如草酸鉻及草酸銅等，硫酸鹽類如硫酸鋅等，錫酸鹽類如錫酸鋅，鋁酸鹽如鋁酸鋅等。
CaCO3 的抑煙作用原理，在于它可以和煙霧中的鹵化氫反應（捕捉），使之生成穩定的 CaCl2。由于反應屬固-氣非均相反應，只能在固體顆粒表面進行，所以 CaCO3 顆粒的粒徑大小就成為抑煙效果的重大因素。只有微小顆粒才具有大得多的比表面。根據上述抑煙原理，凡在燃燒時產生鹵化氫的聚合物，如氯乙烯、氯磺化聚乙烯、氯丁橡膠等，都可以用 CaCO3 作為抑煙劑。
⑤納米阻燃抑煙劑中納米雙羥基復合金屬氧化物（LDH）是一類具有層狀結構的復合金屬氧化物，在 PVC 中添加 3-5 份 LDH 就可使 PVC 燃燒的最大煙密度下降 30 – 50 %，且對其力學性能影響較小。用填充納米級 CaCO3 的方法去進行抑煙，填充量僅為 10 % 左右，就會產生理想的效果。
⑥還原偶聯抑煙劑，能促進偶聯過程的添加劑是在聚合物裂解時能產生零價金屬的化合物，包括一系列過渡金屬的羰基化合物，過渡金屬的甲酸鹽及草酸鹽，一價銅的絡合物；以及含亞磷酸酯或其他配位體的一價銅的絡合物等等，其中銅化合物是最有效的這類添加劑之一。
Cu（II）化合物能大大減少裂解時生成的苯量，而且在 200 - 300 ℃，當有 Cu2O 存在時，PVC 的交聯程度大大提高。銅化合物是通過還原偶聯引起交聯的，盡管銅鹽不易催化多烯的異構化（順反異構化），不過它們也可作為弱酸催化劑，促進 Friedel-Crafts 烷基化。
作為一個適用的還原偶聯劑，一般應具備下述性能：
A、金屬的電化學活性應較低，即金屬離子應能還原為零氧化態；
B、在金屬氧化物中，金屬應為較低的氧化態，或金屬絡合物應有可氧化的配位體，且通過熱還原消去，能生成低價或零價的金屬；
C、金屬離子應在高于聚合物加工溫度下才能被還原；
D、必須價廉，盡可能無色，且對高聚物配方無不良影響。
2、有機抑煙助劑
①有機硅系，是一種新型無鹵阻燃劑，也是一種成炭型抑煙劑，它在賦予高聚物優異阻燃抑煙型的同時，還能改善材料的加工性能及提高材料的機械強度，特別是低溫沖擊強度。目前市場上的有機硅系阻燃劑有美國通用電器公司生產的 SFR100，它是一種透明、黏稠的硅酮聚合物，可與多種協同劑（硬脂酸鹽、多磷酸胺與季戊四醇混合物、氫氧化鋁等）并用，已用于阻燃聚烯烴，低用量即可滿足一般阻燃要求，高用量可賦予基材優異的阻燃性和抑煙性。
②二茂鐵系，主要品種有二茂鐵和一些有機酸的鹽類。常用的是二茂鐵及一些有機鐵化合物，它們最適宜做 PVC 的消煙劑，加入量為 1.5 份左右。
3、協效阻燃系統
協效阻燃系統是指由兩種（其中一種為阻燃劑，另一種為協效劑）或者兩種以上組分構成的阻燃系統，其阻燃作用優于各組分阻燃作用之和。協效系統的優劣常以“協同效率”（SE）表示。SE 定義為協效系統的阻燃效率（EFF）與系統中單一阻燃劑（不含協效劑）阻燃效率之比（添加量相同），而 EFF 定義為單位質量阻燃元素所增加的被阻燃基體的氧指數（LOI）值（添加量在一定范圍內）。在大多數情況下，SE 值是根據具有最佳阻燃效率的協效系統所得結果計得的。
阻燃聚苯乙烯、ABS 及其他一些塑料中的鹵系阻燃劑，均可采用氧化銻-無機硅酸鹽復合物為協效劑。此協效劑價廉，色澤強度低。另外，銻化合物/鎂化合物-鋅化合物組成的復合物作為某些阻燃系統的協效劑時，既可提高阻燃效果，又能起到抑煙效果。
硬脂酸鋅/滑石粉/鐵化合物組成的復合物同樣是一種低煙協效劑，加入適量的這種協效劑，可使某些含鹵阻燃塑料的煙密度下降，透光率提高。
轉自——鏈塑網公眾號
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