绝大多数塑料是可燃的，在使用过程中存在着火灾隐患，因此需要对塑料进行阻燃改性。较早的改性剂是卤系阻燃剂，目前依然占据主导地位，其阻燃效果好，但在燃烧时会产生有毒的腐蚀性气体(如溴化氢等)及大量烟雾，发生火灾时给人的逃生带来极大困难。近年来，降低燃烧时的生烟量及有毒气体排放量、提高阻燃塑料的综合性能的呼声日益高涨。
膨胀阻燃技术是在阻燃涂料的基础上于20世纪90年代中期发展起来的新型阻燃技术。在膨胀型阻燃剂(IFR)阻燃塑料时，塑料表面会形成一层均匀的炭质泡沫层，该层在凝聚相中起到隔热、隔氧、抑烟和防止融滴的作用，且低烟、低毒、无腐蚀性气体产生。因此，膨胀阻燃技术已成为当前最活跃的阻燃研究领域之一。
1 膨胀型阻燃剂的分类
IFR主要分磷氮类阻燃剂和可膨胀石墨两类，磷氮类阻燃剂又分单体型磷氮类阻燃剂和混合型磷氮类阻燃剂两类。
1.1 磷氮类阻燃剂
1.1.1 磷氮类阻燃剂的组成
磷氮类膨胀型阻燃剂主要由炭源(成炭剂)、酸源(脱水剂)和气源(发泡剂)3部分组成。炭源是能生成膨胀多孔炭层的物质，一般是含碳丰富的多官能团(如-OH)成炭剂，如季戊四醇及其二缩醇、淀粉等，其有效性与活性羟基的数量有关，应在低于自身或塑料基体分解的温度下先与炭化催化剂反应。酸源一般是在加热条件下释放无机酸的化合物，对无机酸的要求是沸点高和氧化性不太强，它必须能使含碳多元醇脱水，但在火灾发生之前不宜发生脱水反应，所以常用的酸源都是盐或酯。气源是受热放出惰性气体的化合物，一般是铵类和酰胺类物质，如尿素、蜜胺、三聚氰胺等，须在适宜的温度下分解，并产生大量气体。
单体型磷氮类阻燃剂就是炭源、酸源、气源共同存在于同一分子中，分子结构中一般都含有自由的、可离子化的氢的衍生物，因此才能在加热时产生膨胀作用。混合型磷氮类阻燃剂是由磷酸盐、多元醇和含氮化合物三部分组成的混合物。其中比较典型的就是聚磷酸铵/季戊四醇/三聚氰胺(APP/PER/MEL)阻燃体系。
1.1.2 磷氮类阻燃剂的阻燃机理
膨胀型阻燃剂在受热时，成炭剂在脱水剂作用下脱水成炭，炭化物在膨胀剂分解的气体作用下形成蓬松发孔封闭结构的炭层。该炭层为无定形炭结构，其实质是碳的微晶，一旦形成，其本身不燃，并可阻止塑料与热源间的热传导，降低塑料的热解温度。另外，多孔炭层可以同时阻止热解产生的气体扩散以及外部氧气扩散到未裂解塑料表面，使燃烧的塑料得不到足够的氧气和热能而自熄，是典型的凝聚相阻燃机理。炭层形成的历程是：
(1)在较低的温度下酸源释放出无机酸。
(2)在稍高与释放酸的温度下，发生酯化反应，体系中的胺可以作为酯化反应的催化剂。
(3)体系在酯化前和酯化过程中熔化。
(4)反应产生的水蒸气和由气源产生的不燃性气体使熔融体系发泡，与此同时，多元醇磷酸酯脱水炭化，形成无机物及炭残留物，且体系进一步膨胀发泡。
(5)体系胶化和固化，形成多孔泡沫炭层。
1.2 可膨胀石墨
可膨胀石墨(Expandable Graphite，EG)是一种新型无卤阻燃剂，它是由天然石墨经浓硫酸酸化处理，然后水洗、过滤、干燥后在900-1 000℃下膨化制得。可膨胀石墨被迅速加热至300℃左右时，可沿结晶结构的C-轴方向膨胀数百倍。膨胀后的石墨由原来的鳞片状变成密度很低的“蠕虫”状，形成了一个高效绝热、隔氧层。可膨胀石墨在阻燃过程中起到在塑料表面形成坚韧的炭层，从而将可燃物与热源隔开的作用，并在膨胀过程中，大量吸热，降低了体系的温度，同时释放夹层中的酸根离子，促进脱水炭化，以及结合燃烧产生的自由基使链反应中断。可膨胀石墨与磷化合物、金属氧化物复合使用，能产生协效作用，用量很少就能达到阻燃目的问。但用该类阻燃剂改性的材料外观差，使用范围受到限制。
2 IFR存在的问题
和其他阻燃体系相比，IFR体系具有其它阻燃剂难以比拟的特点，但也有许多需要解决的缺点和问题：
(1)吸湿性大。
就APP/PER/MEL体系来说，首先，APP是一种白色结晶化合物，短链APP具有水溶性，而且部分分解的APP产生的偏磷酸最终会转化为P2O5，产生吸潮性。其次，PER会因端基-OH的亲水性而产生吸潮、迁移现象，使制品表面“起霜”，产生白斑或失去光泽。
(2)起始分解温度较低，热稳定性较差。
APP和PER的热稳定性不高，特别是国产APP有较强的吸湿性，因组分中多含小分子化合物，导致热稳定性不好，不适用于加工温度高的工程塑料。
(3)阻燃剂分散性差，需要添加量大。
(4)与塑料相容性差。
通常使用的APP和PER聚合度较低，与塑料相容性较差，一方面会影响阻燃材料的物理机械性能，另一方面，放置较长时间后，部分阻燃剂会析出至材料表面，降低其阻燃性，还会造成吸湿。
3 塑料膨胀阻燃技术研究进展
随着阻燃技术的不断发展，对膨胀阻燃塑料的综合指标的要求也越来越高，既要达到规定的阻燃级别，又要具有良好的物理机械性能、热/光稳定性和耐老化性等。对于塑料膨胀阻燃技术的研究主要表现在以下几个方面。
3.1表面改性技术
表面改性技术是指用物理、化学、机械等方法对粉体膨胀型阻燃剂颗粒表面进行处理，借以改变阻燃剂表面的物理化学性质，满足塑料阻燃材料的需要。
夏英等将ABS-g-AA(丙烯酸)接枝共聚物应用于ABS/IFR/蒙脱土(MMT)无卤阻燃体系中时发现，ABS-g-AA的加人使复合材料的冲击强，度提高了1.7倍，断裂伸长率提高了近6倍，复合材料的力学性能得到了有效改善。Ravadits I研究了以有机硼硅(OBSi)处理的APP/PER阻燃PP材料表面，得到IFR/OBSi阻燃系统，认为处理后的阻燃系统效果明显改善。郝建薇等采用聚乙烯醇(PVA)、钛酸酯偶联剂对EG的表面进行了改性，同时将改性EG阻燃聚异氰脲酸酯改性聚氨酯泡沫塑料(PIR-RPUF)，并通过沉降试验发现EG在塑料中的分散稳定性显著提高；X射线光电子能谱表面分析指出改性EG表面存在大量羟基官能团。
3.2 微胶囊化处理技术
微胶囊(MC)化是指用涂层薄膜或壳材料均质敷涂微小的固体颗粒、液滴或气泡。含固体颗粒的微胶囊的形状基本与囊内固体相同，而含液体或气体的微胶囊形状一般为球形。对填料型阻燃剂来说，其实质是在微粒表面上覆盖一层均质且具有一定厚度的薄膜，以此增加填料分散而提高阻燃效能的表面改性方法。采用微胶囊化技术对膨胀型阻燃剂进行包裹改性，可以改善膨胀型阻燃剂的吸潮性，防止有效的阻燃成分在阻燃系统内的迁移和飘移，进一步改进膨胀型阻燃剂与基体的相容性，从而达到提高阻燃材料性能的目的。
丁著明提出采用微胶囊技术对APP进行包覆处理，SEM照片显示MC化的阻燃剂加入后增加了与蛆料的相容性。德国专利报导，用三聚氰胺甲醛树脂微胶囊化APP，与未MC化的APP相比，MC化的APP水溶性由25℃的8.2%和60℃的62%分别降至0.2%和0.8%。芦笑梅等使用EVA对APP制成的IFR进行包覆改性，将合成的防潮型膨胀阻燃剂应用于阻燃PP.
实验结果表明，采用此法制得的IFR可显著提高其与PP的相容性，具有阻燃、防潮、增韧效果。马志领等选用RY界面接枝剂，一端含有能与活泼H反应的基团，与IFR颗粒表面的-NH-，-OH基团反应，另一端含有与底材相容性好的油性基团，通过表面接枝的方法，将IFR微胶囊化，电镜和流变性实验证明该技术提高了阻燃剂与聚丙烯(PP)的相容性。
3.3 协同阻燃技术
对膨胀型阻燃剂进行复配，可降低阻燃剂用量与生产成本，提高阻燃剂的阻燃性能，尽可能减少对材料物理机械性能的影响。
刘敏江等采用红磷、APP、PER、MEL等无卤阻燃剂构成的多种阻燃体系对PP进行了阻燃研究，结果表明化合物之间具有很好的阻燃协同作用，4者配比为5：30：10：1，总添加量为46份时，极限氧指数最高可达40.2。张宏伟等研究了膨胀型无卤阻燃体系协同阻燃PP，发现协同阻燃剂的加入显著提高了PP的阻燃性能，彻底克服了熔滴现象，抑烟效果显著。徐建华等将纳米双羟基复合金属氧化物与APP复配，用于PA6/PP共混体系，金属氧化物能提高阻燃剂的阻燃效果，扩大了阻燃剂的应用领域.
Mn和Zn二价金屑离子可在APP分子间产生交联，同时释放出氨气和水，产生良好的协同阻燃效果。郭玉花等在热塑性聚氨酯/氯化聚乙烯(TPU/CPE)二元共混改性体系的基础上，添加膨胀型阻燃剂HT2931，对所构成的TPU阻燃体系进行了研究，结果表明，体系有较好的阻燃性能，可达到FV-0级，并有较好的力学性能。马志领等用尼龙-6(PA6)代替季戊四醇作为成碳剂，加入纳米蒙脱土(nano-MMT)作为阻燃剂的协效剂后可克服膨胀型阻燃PP有融滴、阻燃效果差的缺点。Chiu、Shih-Hsuan等在聚磷酸铵阻燃聚丙烯中加入一定量的氢氧化镁，结果表明，CO浓度和烟密度显著下降，而且混合物阻燃性非常好。Bourgigot等将PA-6、粘土纳米粒混合作为膨胀型阻燃剂的成炭剂用于乙烯-醋酸乙烯共聚物中，结果发现粘土能提高磷炭质结构的热稳定性，从而提高碳层对火焰的屏障效应，炭层具有类似陶瓷的性质，可以充当很好的保护层，能显著提高材料的力学和防火性能。
Bourgigot等还研究了在PP/APP/乙丙橡胶(EPR)体系中加入0.5%-1.0%的沸石，材料的氧指数提高5-7个单位，沸石.的存在可帮助形成更好的炭层。Zilbermanl等研究发现，在EVA中，用APP或者蜜胺替代一定量的A1(OH)3，由于形成了膨胀的炭层，热释放速率。和失重速率将会减慢，抑烟性能有所提高。欧育湘等采用聚磷酸蜜胺(MPP)/季戊四醇/聚磷酸铵三。元膨胀型阻燃剂阻燃PP，其火灾性能指数(FPl)可达未阻燃者的2倍，火灾危险性大为降低。郝建薇等用氧指数(LOI)法研究了EG与APP、磷酸三乙酯(TEP)、MAL、三聚氰胺氰脲酸盐(MC)等无卤阻燃剂在聚氨酯泡沫塑料(RPUF)中的协同阻燃作用，发现EG与两种含磷阻燃剂APP和TEP的协同效果最好。张忠厚等研究了EG、红磷协效阻燃聚丙烯性能的影。向，结果表明：当W(复合阻燃剂)=10%，m(EG)=m(红磷)=2：1时，复合材料的LOI为23.4，缺口冲击强度为0.71 kJ/m2。
3.4 “三位一体”
研制“三位一体"IFR是阻燃技术重要的发展方向。“三位一体”就是将炭源、酸源和气源组合在一个阻燃剂分子上。该IFR阻燃塑料最突出的特点是有效降低了吸湿性，提高了热稳定性。但是由于该类大分子物质中各组分的配比固定，不同塑料所需要的最佳配比不同，有待进一步研究和完善。
马志领等选用以五氧化二磷、季戊四醇和三聚氰胺为原料，制得的炭源、酸源和气源三要素同时存在的“三位一体”膨胀型阻燃剂(IFR)，考察了酸式磷酸酯作为IFR/PP体系的偶联剂，对材料的-性能的影响，并对其偶联机理进行了探讨，性能测试和扫描电镜(SEM)结果表明，酸式磷酸二辛酯是体系有效的偶联剂。胡云楚等研究了以二氨基双酚A、三氯氧磷和三聚氰胺为原料合成磷酰胺类磷氮系膨胀型阻燃剂的最佳反应条件为：二氨基双酚A、三氯氧磷、三聚氰胺的摩尔比为1：3：8，用乙醚作分散介质，回流时间为5 h。
王雪峰等以双季戊四醇/多聚磷酸/五氧化二磷和三聚氰胺为原料，合成了膨胀型环状类磷酸酯蜜胺盐阻燃剂，使阻燃PP的热稳定性提高，阻燃剂添加40份时，LOI可达33.6。董延茂等以淀粉、多聚磷酸、三聚氰胺等为原料合成了淀粉磷酸酯蜜胺盐。研究结果表明，在120℃下，当用量为淀粉的60%，反应时间为6h时，可以得到高产率的淀粉磷酸酯，其结合磷含量最高可达到4.2%。欧育湘网等以聚磷酸蜜胺(MPP)为基的“三位一体”膨胀型阻燃剂阻燃PA6，阻燃剂添加30份时，氧指数达31.2，达到了UL94 V-0级。
4 结语
膨胀阻燃塑料在燃烧时有低烟、低毒、无腐蚀性气体等优点，但磷氮类IFR阻燃塑料存在着吸湿性大、热稳定性和相容性差等问题。通过对IFR进行表面改性和微胶囊化可以改善复合材料两相的相容性；协同阻燃技术可以提高复合材料的阻燃效果；三位一体IFR可以改善复合材料的热稳定性和吸湿性。IFR的表面处理、微胶囊化、协同阻燃以及合成“三位一体"IFR是塑料膨胀阻燃技术的发展方向。
