阻燃劑，生命的守護神！

火，給人類帶來了光明和溫暖，極大地推動了文明的進程，同時也給我們帶來了極大的威脅。每年在世界各地，不計其數的火災不僅將我們寶貴的財富化為灰燼，還無情地奪走許多鮮活的生命。

火災之所以頻繁發生，一個很重要的原因是我們生活環境中存在著大量的易燃材料，其中相當大一部分是各類高分子材料，例如天然的高分子材料如木材、棉花、紙張和蠶絲，以及合成的高分子材料例如塑料、橡膠和化學纖維等。它們都有一個致命的缺點，那就是著火點太低，在火焰面前不堪一擊。

為了降低高分子材料的火災風險，來自不同領域的研究人員可謂是八仙過海各顯神通：建築或者交通工具的設計者會通過調整和改進布局讓人們在火災發生時以最快速度逃生，電子產品工程師開發出火災報警器和自動噴淋系統，而化學工作者除了提供我們再熟悉不過滅火劑之外，還開發出一類獨特的化學物質，那就是本文要介紹的阻燃劑。

顧名思義，阻燃劑的作用就是阻止或者延緩高分子材料的燃燒。我們可以在加工高分子材料的時候把阻燃劑混合進去，也可以通過化學反應使一些阻燃劑成為高分子材料的一部分。無論是通過哪種途徑添加，經過阻燃劑的處理，高分子材料會變得不那麼容易燃燒了。如果對經過了和未經過阻燃劑處理的布料進行燃燒實驗，我們會發現，火焰很快蔓延整塊沒有添加阻燃劑的布料；而相同時間內，火苗仍然局限在添加了阻燃劑的布料的一角，甚至有可能熄滅。（圖1）顯然，阻燃劑的存在讓高分子材料的燃燒速度大為減慢，甚至變得難以燃燒。

圖1 經過阻燃處理的高分子材料的燃燒實驗。從左至右阻燃劑的含量增加，阻燃效果隨之明顯提高。

相信很多朋友在驚嘆阻燃劑出色表現的同時，對它們如何發揮作用非常感興趣。要了解阻燃劑的工作原理，我們首先要了解燃燒的過程和原理。我們可以用打火機去點燃一杯酒精，卻無法點燃一杯水，這是因為酒精能夠與氧氣發生化學反應而水則不能。所以燃燒必須在可燃物和氧氣同時存在的情況下才有可能發生。然而，我們把酒精和氧氣放在一起，它們也可以相安無事，直到我們用打火機去點燃，這說明燃燒的發生還需要一定的熱量。可燃物、氧氣和熱量常常被稱為火災的三要素，缺了其中任意一個，燃燒就不能發生，也就沒有火災。我們平時各種避免或者撲滅火災的措施，都是在設法移除火災三要素中的至少一個要素。例如用水滅火時，水不僅能夠將可燃物與氧氣隔絕開，還使得正在燃燒的物體降低溫度。

近些年來，人們意識到火災的發生還需要第四個要素，那就是可燃物與氧氣之間發生的鏈式化學反應。這種反應非常活潑，一旦開始就很難中止。設想在一個大教室里，所有的學生都在安安靜靜地自習，突然有那麼一兩個學生離開自己的座位大聲吵鬧打擾其他的人；而被打擾的同學也變得不安分，跟著一起離開座位打擾正在學習的其他同學，這個過程重複下去，用不了多久原本安靜的教室就失去了控制，變得一片喧嘩。可燃物與氧氣之間的鏈式化學反應就像是這樣的一個過程，快速且難以控制，而且很關鍵的一點是，這種鏈式反應會放出熱量，使得整個反應體系一直保持充足的能量，這樣燃燒才可以持續不斷地進行下去直到可燃物或者氧氣耗盡。鏈式反應對於火災的發生同樣重要，如果它受到抑制，火災也可以熄滅。

下面來看看阻燃劑是如何抑制或者延緩高分子材料的燃燒的。大家知道，高分子材料主要是由碳、氫、氧等幾種元素組成，理想情況下，它們燃燒的最終產物都將是二氧化碳和水。然而實際情況並非完全如此：高分子材料在燃燒時，一般都會發生分解，釋放出一氧化碳、烷烴等氣體；這些氣體本身還可以燃燒，燃燒釋放出來的熱量使得更多高分子材料發生燃燒而分解，於是更多的可燃氣體被釋放出來。惡性循環的結果是火災在很短時間內迅速蔓延開來，並讓火災現場的人難以逃生。當空氣中的可燃氣體的量達到一定程度，還會發生非常可怕的閃燃，整個房間會在瞬間都被火海吞沒。

除了火焰本身的威脅，高分子材料燃燒時釋放出的有毒氣體也是火災造成傷亡的重要原因。一氧化碳的毒性自不用提，許多常見的高分子材料例如蛋白質（蠶絲、羊毛、皮革）和尼龍都含有氮，這些材料在燃燒時會釋放出毒性更大的氣體氰化氫；隨著有毒氣體還有許多顆粒物一同被釋放出來，其中的許多成分對健康也有顯著危害。實際上，許多火災遇難者往往並非被直接燒死，而是由於吸入大量的有毒氣體和顆粒物致死的。

了解了燃燒特別是高分子材料燃燒的特點，我們就可以對症下藥，選擇合適的材料來抑制或者延緩這些材料的燃燒。最常見的一類阻燃劑是含有氯元素或者溴元素的有機化合物。這些化合物是如何起到阻燃作用呢？我們還舉剛才提到的自習室的例子，如果開頭幾個大聲喧嘩的學生剛剛出現，立刻就有另外幾個學生站出來勸阻，雖然多少還是會有人受到這些喧嘩學生的影響，但整個教室的秩序並不會很快變得那麼糟糕。含氯或者含溴的阻燃劑就像是勸阻喧鬧者的人。一旦發生火災，這些阻燃劑也會發生分解，釋放出許多含有氯或者溴的氣體。這些含氯含溴的氣體不僅自身很難燃燒，還會阻礙高分子材料分解釋放出的可燃氣體與氧氣的反應，也就是說，這些阻燃劑干擾了火災發生的第四個要素——鏈式化學反應。由於它們的存在，可燃氣體的燃燒受到抑制，釋放出來的熱量自然就會減少，而正在燃燒的高分子材料得不到足夠的熱量，也就很難繼續釋放更多的可燃氣體。良性循環的結果是整個燃燒過程大大延緩，不僅造成的財產損失得以減輕，處在火災現場的人也更容易逃生且不易受到有毒氣體的傷害。

圖2 部分常見的含溴阻燃劑

除了含氯或含溴的阻燃劑，還有許多其他類型的阻燃劑以另外的機理髮揮作用，例如許多含有磷元素的有機物也可以作為阻燃劑。這類阻燃劑在發生燃燒時不僅會像含氯、含溴的阻燃劑那樣釋放氣體阻礙一氧化碳等可燃氣體的燃燒，還有另外一手「絕活」——遇熱能夠形成不易燃燒的物質。這些物質能夠將尚未燃燒的高分子材料與火焰嚴密隔絕，起到保護層的作用。缺乏了持續的燃料供給，燃燒的速度自然大大減慢，火焰甚至有可能逐漸熄滅[3]。這種類型的阻燃劑就好比在森林或草原火災時，迅速清理植被，開闢出一條防火道，它們也可以有效延緩火災的進程。還有一些常用的阻燃劑是簡單得讓人意想不到的無機物——氫氧化鋁和氫氧化鎂。它們阻燃原理也非常簡單：一旦受熱，這些無機物會分解釋放出水。這就像在存放易燃物的倉庫里安排了手持滅火器的值班人員，一旦發現火災立刻把水澆過去。

圖3 部分常見的含磷阻燃劑

各類阻燃劑由於其優異的阻燃性能，被大量應用於我們的日常生活中。有調查表明，全世界每年消耗的阻燃劑已經超過了二百萬噸[4]。這麼多的阻燃劑都去了哪裡？答案是幾乎每個用到高分子材料的地方。比如，當你坐在沙發上點燃一支香煙時，你可能沒有意識到用來加工沙發靠墊的面料已經經過了阻燃處理，這樣萬一你手中的燃著的煙頭不慎掉落，沙發不會瞬間被火焰吞沒。當你打開電腦上網時，電腦從外到內的幾乎每個角落，例如外殼、鍵盤、電源線外皮、網線接頭和印製電路板，都有阻燃劑在默默地值守。當你在夜晚突然被一股焦糊味驚醒時發現床墊被燒掉了一個小角時，你應該感到慶幸，因為如果沒有床墊中的阻燃劑，也許你早就在睡夢中葬身火海了。當你踏上旅途時，添加在汽車或者飛機各個部位的阻燃劑更是保證火災發生時你有更多的時間逃生。

各種類型的阻燃劑為保護我們的財產和人身安全免受火災的威脅做出了巨大的貢獻，然而近些年來它們也越來越多地受到批判和質疑。一個很大的原因在於許多阻燃劑在生產環節和使用過程中都會對環境和人體健康帶來很大負面影響。其中含溴阻燃劑的問題尤為突出，導致在生產和使用上遭到禁止。然而誰都不願看到由於禁止阻燃劑的使用而使得我們面臨更大的火災威脅，因此開發綠色環保的新型阻燃劑，就成為化學工作者們要面對的一大挑戰。讓我們期待著他們交出一份滿意的答卷吧。（作者：嵌段共聚物，從事研發，高分子科學與工程專業博士）

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