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让星点之火不再成患 |
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川大王玉忠小组高分子材料无卤阻燃研究取得突破 |
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本报记者 彭丽
在国家自然科学基金等项目的长期支持下，四川大学教授王玉忠带领团队在高分子材料无卤阻燃化的基础研究方面获重要进展，并取得一些关键技术的突破，成功地解决了一些高分子材料的高效无卤阻燃问题，有效地协调了阻燃性与无卤化、保持其他性能和降低成本的矛盾，并成功应用于多个领域。
阻燃剂，火灾克星
随着科技的发展，塑料、橡胶、纤维等高分子材料已渗透到国民经济和日常生活的各个角落。高分子材料易燃性的特点，使其在电子电气、交通、建材及家庭等领域应用时的防火安全问题日益突出。
2010年11月15日，上海静安区胶州教师公寓起火，这座28层住宅很快被大火与浓烟包围，逃生与救援变得十分困难，该事故共造成58人死亡，70人受伤，56人失踪。事后，国务院成立的调查组在现场发现大量违规使用的尼龙网、聚氨酯泡沫等高分子易燃材料。
“如果在这些高分子材料中引入有效的阻燃剂，使材料达到阻燃级别，火灾造成的危害不会那么严重。”王玉忠对《科学时报》记者说。
绝大部分有机高聚物材料自身不具备阻燃元素和结构，需要通过物理或化学反应的方式在材料中引入阻燃剂。
阻燃剂是高分子材料阻燃的关键。原则上，能够阻止有机高聚物材料燃烧的物质都可选作阻燃剂。但实际上，除阻燃性外，阻燃剂还必须具备：热分解温度要高于高聚物的加工温度、与高聚物相容性好、对其阻燃对象的其他性能无严重不良影响、燃烧时不释放有毒和腐蚀性气体、生产成本低等条件。
“含卤素（如含溴）的阻燃剂对许多高分子材料的阻燃效果比较好，但有些含卤阻燃剂在材料燃烧时会产生大量有毒烟雾和腐蚀性气体，造成二次危害。”王玉忠介绍说。
火灾中死亡的人当中，真正被烧死的占少数，绝大多数是因吸入有害物质窒息而死。欧盟颁布的《关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令》已限制了某些含卤阻燃剂的使用。
无卤阻燃的难题与突破
然而，受性能和成本影响，在过去市场上无卤阻燃剂的使用范围并不广泛。
“单纯强调阻燃性而不考虑材料其他性能没有任何意义，必须把阻燃性与材料的其他性能相协调。”王玉忠告诉《科学时报》记者说。
一种好的阻燃剂至少应考虑对材料阻燃的高效性、对材料其他性能负面影响小、对人体无害或低害以及可以接受的成本等。
由于不同的高分子材料在高温或燃烧时的热分解和燃烧机理是不同的，因此必须使用与之相适应的阻燃剂才能发挥阻燃作用。例如，聚烯烃类高分子材料，在燃烧时能产生有效捕捉氢自由基和氢氧自由基物质的含溴阻燃剂是最有效的阻燃剂。而无卤阻燃剂要实现对其阻燃，需要添加更多的量，这就使得无卤与阻燃的高效相矛盾。
此外，高分子材料阻燃还面临着许多其他难题，比如，赋予材料阻燃性与保持或提高材料的其他性能相矛盾；玻纤的“烛芯效应”与阻燃剂效率降低之间的矛盾等。
针对聚烯烃类高分子材料的无卤化必然导致阻燃效率低的矛盾，王玉忠设计合成了无卤的线形和支化/超支化高分子高效成炭剂，并制备了具有催化脱氢成炭的金属络合物构成的新型膨胀阻燃体系，大幅度提高无卤阻燃体系的阻燃效率，同时还具有显著的抑烟作用。
为解决提高阻燃性与保持力学性能之间的矛盾，王玉忠设计合成了一系列高阻燃性无卤热致液晶高分子，利用液晶高分子在力场作用下易在高分子基体中“原位”形成微纤的性质，在加工过程中在被阻燃高分子材料中形成微纤，既起到增强作用，又起到阻燃作用。
另外，王玉忠设计合成了与玻纤具有较好相互作用的支化和可交联大分子阻燃剂，在玻纤增强的高分子体系中应用时，可降低玻纤的导热和导气作用，显著降低了玻纤的“烛芯效应”对体系阻燃性的负面影响，并改善了材料力学性能。
在解决一些高分子材料兼具阻燃性和抗熔滴性方面，王玉忠也作了有益探索，取得较大进展。
阻燃研究任重道远
早在1987年，王玉忠就开始瞄准聚酯纤维的无卤阻燃研究。选择聚酯纤维作为阻燃对象，是因为人们所用的纺织品绝大多数都是合成纤维，而聚酯纤维占合成纤维总量的百分之七十以上。“聚酯纤维的无卤阻燃问题解决了，也就等于解决了大部分的合成纤维纺织品的阻燃问题。”
经过20多年的潜心钻研，王玉忠带领的团队十年磨一剑，在聚酯纤维的无卤阻燃研究、聚烯烃通用塑料和一些工程塑料等典型高分子材料无卤阻燃化关键技术方面取得了突破，相关成果于2001年、2010年分获国家科技进步二等奖和国家技术发明奖二等奖。
目前，王玉忠在国际学术刊物上已发表上百篇与无卤阻燃研究相关的学术论文，且多次在国际阻燃学术会议上作大会特邀报告，还申请与无卤阻燃有关的发明专利30余项，专利成果在多家企业实施，产品获得了20多个国外权威机构的检测认证。据不完全统计，该成果已累计创造20多亿元的经济效益。
面对取得的成绩，王玉忠仍保持着清醒的头脑。“虽然研究了这么多年，但很多高分子材料阻燃的机理并没有完全搞清楚。”王玉忠举例说，高分子材料品种很多，不同品种有不同的机理，没有一种万能阻燃剂能够解决所有高分子材料的阻燃问题。要实现绝大多数高分子材料的无卤阻燃，还需对高分子材料的阻燃进行系统而深入的基础研究。
“研究越深入，问题越多，难度也越大。”王玉忠希望，有更多的科技人员加入到高分子材料无卤阻燃的基础研究。“当然还希望得到国家自然科学基金的继续支持，同时也希望得到国家重点基础研究发展计划等国家计划项目的支持。”采访快结束时王玉忠说。
《科学时报》 (2011-12-12 A4 基金)
