防火涂料阻燃机理的研究
防火涂料是目前广泛应用的消防产品,根据保护对象的不同主要包括钢结构防火涂料、电缆防火涂料、饰面型防火涂料以及隧道防火涂料。防火涂料的主要组成包括成膜树脂、阻燃体系、溶剂体系及添加剂,其中起阻燃效果的是阻燃体系,其阻燃及防火机理主要包括无机隔热、热膨胀、隔热及热膨胀复合作用三种,防火涂料的无机隔热阻燃机理无机隔热防火涂料主要包括厚涂型钢结构防火涂料、隧道混凝土钢结构防火涂料,其主要组成成分包括颗粒状多孔隔热材料、黏结剂及添加剂组成,其中起阻燃效果的是颗粒状多孔隔热材料,常用的有膨胀蛭石、珍珠岩等轻质防火材料,这些颗粒状多孔隔热材料本身就是良好的热绝缘体,在火灾时不燃烧,隔热效果好。材料本身多孔,小孔之间是空气,颗粒之间的缝隙由空气填充,这类涂料一般涂层厚度较厚,涂层中包含了多层的颗粒状多孔材料,层与层之间的缝隙形成相互交错的空气隔热层,由于空气是良好的热绝缘体,与隔热材料一起协同作用起到阻止热源向内层传播,从而达到保护基材的效果。无机隔热涂料的阻燃效果较好,其耐火极限超过180min。
无机隔热涂料由于涂层较厚,因此要求涂料的干密度一定要小,以保证涂层对基材有较好的黏结力,并且减少对基材负荷的要求。这类涂料的阻燃作用基本是依靠物理的隔热作用,隔绝热传递、热辐射因此不产生有毒有害气体,具有较好的环保效果,可以在高层建筑及地下空间、隧道中应用,其缺点是装饰效果差,涂层表面比较粗糙。膨胀型防火涂料的膨胀机理包括P2N2C膨胀体系和材料自身膨胀两种。P2N2C膨胀体系的膨胀型防火涂料膨胀组分一般由脱水成炭催化剂、成炭剂和发泡剂三部分组成。
防火机理为脱水成炭催化剂一般是可在受热条件下释放无机酸的化合物,释放出的无机酸要求沸点高,而氧化性不太强,一般选用磷酸系化合物。成炭剂是膨胀多孔炭层的碳源,一般是含碳丰富的多官能团的物质,可以单独或在催化剂作用下加热成炭。发泡剂是受热条件下释放出惰性气体的化合物,一般选用含氮丰富的聚合物。
膨胀型防火涂料受热时,成炭剂在催化剂作用下脱水成炭,炭化物在发泡剂分解的气体作用下形成膨松、有封闭结构的炭层,该炭层可以阻止基材与热源间的热传导,另外多孔炭层可以阻止气体扩散,同时阻止外部氧气扩散到基材表面,达到防火目的。
目前国内外所采用的催化剂主要是聚磷酸铵,有的也使用三聚氰胺磷酸盐等,选择的原则是耐水性、加工性及发泡性的好坏。应选用聚合度高及分散性好的产品。目前广泛采用的成炭剂主要有季戊四醇和多季戊四醇,它们虽然是较好的炭源,但也存在着亲水性高及加工不易、漆膜状态不好等缺点。应探索新的成炭剂,特别是能够作为成炭剂的树脂,它不仅要对成炭有利,而且还要对涂料的加工、施工及理化性能有所提高。
使用的发泡剂多是三聚氰胺,也有人在生产配方中填加一些低成本的铵盐,所有这些发泡剂均存在耐水性差的明显不足,为了解决这一问题,有人将三聚氰胺与季戊四醇Π聚磷酸铵反应,形成较大分子,以降低其亲水性同时再赋予其炭源或酸源的作用。取得实际应用的是三聚氰胺的磷酸盐衍生物,它具有发泡和催化的双重作用。
P2N2C膨胀体系虽然有很好的性能,但随着研究的深入,其表现出来的不足也越来越明显,如耐水性、耐久性差,对涂料成分敏感,要求比例高(一般在涂料中要达到60%～70%),漆膜理化性能差等;为了解决这一问题,人们已开始研究新的膨胀防火机理,其中比较成功的是选用自身能膨胀的物质作为膨胀源,当涂料受热时,材料本身即可发生膨胀,产生具有隔热效果的膨胀层。这种办法的优点是不用或少用P2N2C膨胀体系阻燃材料,从而使涂料具有几乎和普通涂料一样的理化性能。
自身具有受热膨胀特性的材料有很多,物理作用的有膨胀蛭石、膨胀石墨等,化学作用的有氨基苯磺酸盐、氨基磺酰对苯胺、p,p2氯化二苯磺酰肼、52氨基22硝基苯甲酸等化合物。
应用热膨胀原理的防火涂料包括薄型、超薄型钢结构防火涂料,电缆防火涂料及饰面型防火涂料,其阻燃效果根据添加热膨胀阻燃体系的比例有所不同,钢结构防火涂料耐火要求高,添加比例高,耐火极限最高可达2h,电缆防火涂料和饰面型防火涂料对阻燃的要求低,阻燃体系添加量也少。
随着防火涂料研究和应用的不断发展,对防火涂料的要求也不断提高,在满足阻燃效果的同时,必须具有良好的理化性能以及其他功能。研究者开始尝试在涂料中添加热膨胀阻燃体系的同时,也添加无机隔热材料,使涂料在火灾时无机隔热作用与热膨胀作用协同工作,从而达到增强阻燃效果,减少阻燃体系添加量的效果。
利用无机隔热及热膨胀复合作用机理的防火涂料一般添加的无机隔热材料包括超细云母、高岭土、玻璃纤维等无机隔热材料,分散在P2N2C膨胀体系形成的炭质泡沫层中,增加成炭泡沫层的强度,从而提高阻燃效果。
在实际应用中膨胀型电缆防火涂料、膨胀饰面型防火涂料添加超细云母后能明显的提高涂料的阻燃效果以及绝缘性。在膨胀型钢结构防火涂料中添加玻璃纤维可以提高成炭层的强度以提高阻燃效果。
目前国内外对防火涂料的研究集中在膨胀型防火涂料,研制高效稳定的阻燃体系以提高涂料的阻燃性、降低涂料中阻燃体系的添加量从而提高涂料的理化性能。其中新型P2N2C膨胀体系的研究以及自膨胀体系的研究是防火涂料研究的难点和热点。
防火涂料在应用后的实际阻燃效果除阻燃体系本身外,与其成膜树脂的稳定性、涂料与基材的黏结力、涂料的施工工艺等也有很大的关系。
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