膨胀型防火涂料作用过程分析与成膜物质的选择

膨胀型防火涂料作用过程分析与成膜剂物质的选择摘要：探讨了膨胀防火涂料作用原理和作用过程，并介绍了膨胀防火涂料常用成膜剂优缺点，针对不同的防火涂料品种选择合适的成膜物质。关键词：膨胀型防火涂料;成膜剂；炭化层防火涂料按照其防火原理，可分为膨胀型和非膨胀型两大类。目前防火涂料90%左右都是膨胀型的。膨胀型防火涂料成膜后，在常温下是普通的漆膜;在火焰或高温作用下，涂层发生膨胀炭化;形成一个比原来厚度大几十倍甚至上百倍的非易燃的海绵状的碳质层,它可以隔断外界火源对基材的加热,从而起到阻燃作用。防火涂料按其应用场合和目前国家标准的分类可分为：饰面型防火涂料、钢结构防火涂料、电缆防火涂料、混凝土结构及隧道防火涂料。1膨胀型防火涂料的机理分析及作用过程1.1防火机理（1）防火涂料本身具有难燃或不燃性，使之被保护的可燃性基材不直接与空气接触而延缓基材着火燃烧。（2）防火涂料遇火受热分解放出不燃性的惰性气体，冲淡被保护基材受热分解放出的易燃气体和空气中的氧气，抑制燃烧。（3）燃烧被认为是游离基引起的连锁反应。而含氮、磷的防火涂料受热分解放出一些活性自由基团，与有机自由基结合，中断连锁反应，降低燃烧速度。（4）膨胀防火涂料遇火膨胀发泡，生成一层泡沫隔热层，封闭被保护基材，阻止基材燃烧。1.2作用过程膨胀防火涂料发挥作用的过程，主要是涂料中防火阻燃体系中的发泡剂三聚氰胺首先热分解，释放出非燃性气体NH3(式1)，同时成膜物质中部分成分分解产生NH3、HCl和水蒸气等促使第一阶段已熔融软化的成膜物质持续地膨胀发泡，形成泡沫层，此时脱水催化剂聚磷酸铵分解放出能酯化多元醇和可作为脱水剂的无机酸聚偏磷酸，与多元醇成炭剂季戊四醇、成膜物质等含羟基有机化合物进行酯化反应(式2，3，4,5)，生成物是强的吸水性物质，在空气中的吸水率达到原物质量55%左右。而体系中的胺则作为酯化反应的催化剂，使酯化反应加速进行。与此同时多元醇和酯脱水炭化，形成无机物及炭化残余物，且体系进一步发生膨胀发泡。反应接近完成时，体系胶化和固化，脱水成炭(式6)，生成的不饱和主链，再进行环化架桥反应，最后生成致密坚硬的黑色蜂窝状炭化层(式7)。蜂窝状炭化层的厚度要比原有涂层厚度大几十倍，其导热系数接近于空气的导热系数，因此可以有效地隔绝外部热源，保护电缆基材。这其中要求成膜物质、发泡剂、脱水催化剂、成炭剂必须有良好的匹配性，否则就不能够形成理想的炭化层。2膨胀防火涂料成膜剂的选择2．1综合评定测试结果成膜剂对膨胀型防火涂料的性能有重大影响，有时对于涂料体系膨胀与否起决定性作用。与其它组分相配合，既保证了涂层在正常工作条件下具有优异的附着性和正常的理化性能，又能在火焰或高温下使涂层具有难燃性和优异的膨胀效果。膨胀防火涂料可以采用的成膜剂主要有：氨基树脂、丙烯酸树脂、有机硅树脂、醇酸树脂、聚氨酯、氯化聚乙烯、高氯化聚乙烯、过氯乙烯、氯化橡胶、酚醛树脂、氯化橡胶改性环氧树脂、苯丙乳液、纯丙乳液、硅丙乳液，弹性乳液等。但是这些树脂各有其不同的特点，为了选择更合适的防火涂料成膜剂，选择相同的阻燃体系、组分配比、工艺流程、测试方法，对燃烧前后的涂料进行综合评定(见表1)。防火阻燃体系中各组分：成膜剂约占总质量的20％～30％，催化剂聚磷酸铵(聚合度100的)占总质量的25％～30％，成炭剂季戊四醇(单季醇质量分数≥92％)约占10％～15％，发泡剂三聚氰胺(质量分数≥99．8％)约占10％～15％，钛白粉(BA01-01)占2％～7％，溶剂(或水)占10％～25％，有机膨润土、消泡剂和流平剂等少量。2．2结果分析(1)氨基树脂、氯化聚乙烯、过氯乙烯、高氯化聚乙烯、氯化橡胶涂膜附着力较好，发泡很快，发泡不均匀，发泡持续时间较短，泡一层松软较致密，炭化物较多，厚度最高，炭化层硬度差，在强火焰和气流下容易被烧穿或吹落，炭化较彻底，这几种成膜剂制成的防火涂料多为溶剂型涂料，主要适宜对炭化层强度要求不是很高但膨胀倍数要求高的饰面型防火涂料和电缆防火涂料，不适用在钢结构耐火极限大于30min的场合。氨基树脂类防火涂料灼烧后的泡层如图1所示。(2)醇酸树脂、聚氯酯、酚醛树脂涂膜附着力较好，发泡较慢，发泡不均匀，发泡持续时间短，泡层不致密，炭化物较少，厚度最低，炭化层硬度好，炭化不彻底，这几种成膜剂制成的防火涂料由于发泡倍数不够，防火隔热效果较差，不太适合单独傲膨胀防火涂料的成膜剂。醇酸树脂类防火涂料灼烧后的泡层如图2所示。图1氨基树脂类防火涂料灼烧后的泡层图2醇酸树脂类防火涂料灼烧后的泡层表1各种成膜剂在膨胀防火涂料中的性能比较注：表中数值1～5分别代表衡量防火涂料的发泡能力、质量损失、柔软性、致密性、附着力、价格的因子，5代表发泡能力最好、质量损失最少、柔软性最大、致密性最好、附着力最大、价格最低，1则反之;依次类推。(3)苯丙乳液、纯丙乳液、硅丙乳液附着力较差，发泡较慢，发泡不均匀，发泡持续时间短，泡层不致密，炭化物较少，厚度较低，炭化层硬度好，炭化不彻底，这几种成膜剂制成的防火涂料由于发泡倍数不够，防火隔热效果不够理性，只适合做薄型钢结构防火涂料的成膜剂。苯丙树脂类防火涂料灼烧后的泡层如图3所示。图3苯丙树脂类防火涂料灼烧后的泡层图4丙烯酸树脂类防火涂料灼烧后的泡层图5弹性乳液类防火涂料灼烧后的泡层(4)丙烯酸树脂、有机硅树脂、氯化橡胶改性环氧树脂与钢结构的附着力好，尤其是氯化橡胶改性环氧树脂，且与钢结构表面的防锈漆附着较好，发泡较慢，发泡均匀，发泡持续时间长且能够持续发泡，泡层较致密，炭化物较多，厚度较高，炭化层鳞片石墨状且硬度好，炭化不彻底，有较多底层物，这几种成膜剂制成的防火涂料由于发泡倍数好，其密度在0.03～0.05g/cm3，防火隔热效果理想，适合做超薄型钢结构防火涂料的成膜剂。三种成膜剂各有特点，丙烯酸树脂适合做耐候要求高的场合，有机硅树脂适合做耐高温的场合，氯化橡胶改性环氧树脂适合做耐腐蚀的场合，但不适合做室外场合。丙烯酸树脂类防火涂料灼烧后的泡层如图4所示。(5)弹性乳液附着力较好，发泡较慢，发泡均匀，发泡持续时间长且能够持续发泡，泡层较致密，炭化物较多，厚度较高，炭化层硬度好，炭化不彻底，有较多底层物。另外弹性乳液有较低的玻璃化转变温度（Tg≤-20℃），因而漆膜具有良好的延伸性和回弹性;具有较好的耐沾污性，较大的干膜厚度（约450μm，而传统涂料为75μm左右），弹性乳液是水性电缆防火涂料的理性的成膜剂。弹性乳液类防火涂料灼烧后的泡层如图5所示。3结束语防火涂料的发展是随着整个化工行业的进步而前进的，随着涂料树脂新产品的不断出现，为选择合适的膨胀防火涂料成膜剂提供了更为广阔的空间，同时防火涂料所用基础原料合成工艺的改进、产品质量的提高，为提高防火涂料的理化性能、防火性能、装饰性能，降低成本等方面起到积极的推动作用。