膨脹型防火涂料作用過(guò)程分析與成膜物質(zhì)的選擇

1、膨脹型防火涂料作用過(guò)程分析與成膜劑物質(zhì)的選擇      摘要：探討了膨脹防火涂料作用原理和作用過(guò)程，并介紹了膨脹防火涂料常用成膜劑優(yōu)缺點(diǎn)，     針對(duì)不同的防火涂料品種選擇合適的成膜物質(zhì)。關(guān)鍵詞：膨脹型防火涂料 ; 成膜劑；炭化層 防火涂料按照其防火原理，可分為膨脹型和非膨脹型兩大類(lèi)。目前防火涂料 90% 左右都是膨脹型的。膨脹型防火涂料成膜后，在常溫下是普通的漆膜 ; 在火焰或高溫作用下，涂層發(fā)生膨脹炭化 ; 形成一個(gè)比原來(lái)厚度大幾十倍甚至上百倍的非易燃的海綿狀的碳質(zhì)層 , 它可以隔斷外界火源對(duì)基材的加熱 ,

2、從而起到阻燃作用。     防火涂料按其應(yīng)用場(chǎng)合和目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的分類(lèi)可分為：飾面型防火涂料、鋼結(jié)構(gòu)防火涂料、電纜防火涂料、混凝土結(jié)構(gòu)及隧道防火涂料。     1 膨脹型防火涂料的機(jī)理分析及作用過(guò)程     1.1 防火機(jī)理     （ 1 ）防火涂料本身具有難燃或不燃性，使之被保護(hù)的可燃性基材不直接與空氣接觸而延緩基材著火燃燒。     （ 2 ）防火涂料遇火受熱分解放出不燃性的惰性氣體，沖淡被保護(hù)基材受熱分解放出的易燃?xì)怏w和空氣中的氧氣，抑制燃

3、燒。     （ 3 ）燃燒被認(rèn)為是游離基引起的連鎖反應(yīng)。而含氮、磷的防火涂料受熱分解放出一些活性自由基團(tuán)，與有機(jī)自由基結(jié)合，中斷連鎖反應(yīng)，降低燃燒速度。     （ 4 ）膨脹防火涂料遇火膨脹發(fā)泡，生成一層泡沫隔熱層，封閉被保護(hù)基材，阻止基材燃燒。     1.2 作用過(guò)程     膨脹防火涂料發(fā)揮作用的過(guò)程，主要是涂料中防火阻燃體系中的發(fā)泡劑三聚氰胺首先熱分解，釋放出非燃性氣體 NH 3 ( 式 1) ，同時(shí)成膜物質(zhì)中部分成分分解產(chǎn)生 NH 3 、 HCl 和水蒸氣等促使

4、第一階段已熔融軟化的成膜物質(zhì)持續(xù)地膨脹發(fā)泡，形成泡沫層，此時(shí)脫水催化劑聚磷酸銨分解放出能酯化多元醇和可作為脫水劑的無(wú)機(jī)酸聚偏磷酸，與多元醇成炭劑季戊四醇、成膜物質(zhì)等含羥基有機(jī)化合物進(jìn)行酯化反應(yīng) ( 式 2 ， 3 ， 4,5) ，生成物是強(qiáng)的吸水性物質(zhì)，在空氣中的吸水率達(dá)到原物質(zhì)量 55% 左右。而體系中的胺則作為酯化反應(yīng)的催化劑，使酯化反應(yīng)加速進(jìn)行。與此同時(shí)多元醇和酯脫水炭化，形成無(wú)機(jī)物及炭化殘余物，且體系進(jìn)一步發(fā)生膨脹發(fā)泡。反應(yīng)接近完成時(shí)，體系膠化和固化，脫水成炭 ( 式 6) ，生成的不飽和主鏈，再進(jìn)行環(huán)化架橋反應(yīng)，最后生成致密堅(jiān)硬的黑色蜂窩狀炭化層 ( 式 7) 。蜂窩狀炭化層的厚度要

5、比原有涂層厚度大幾十倍，其導(dǎo)熱系數(shù)接近于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，因此可以有效地隔絕外部熱源，保護(hù)電纜基材。這其中要求成膜物質(zhì)、發(fā)泡劑、脫水催化劑、成炭劑必須有良好的匹配性，否則就不能夠形成理想的炭化層。         2 膨脹防火涂料成膜劑的選擇     2 1 綜合評(píng)定測(cè)試結(jié)果     成膜劑對(duì)膨脹型防火涂料的性能有重大影響，有時(shí)對(duì)于涂料體系膨脹與否起決定性作用。與其它 組分相配合，既保證了涂層在正常工作條件下具有 優(yōu)異的附著性和正常的理化性能，又能在火焰或高 溫下使涂層具有難燃

6、性和優(yōu)異的膨脹效果。膨脹防火涂料可以采用的成膜劑主要有：氨基樹(shù)脂、丙烯酸樹(shù)脂、有機(jī)硅樹(shù)脂、醇酸樹(shù)脂、聚氨酯、氯化聚乙烯、高氯化聚乙烯、過(guò)氯乙烯、氯化橡膠、酚醛樹(shù)脂、氯化橡膠改性環(huán)氧樹(shù)脂、苯丙乳液、純丙乳液、硅丙乳 液，彈性乳液等。但是這些樹(shù)脂各有其不同的特點(diǎn)，為了選擇更合適的防火涂料成膜劑，選擇相同的阻 燃體系、組分配比、工藝流程、測(cè)試方法，對(duì)燃燒前 后的涂料進(jìn)行綜合評(píng)定 ( 見(jiàn)表 1) 。防火阻燃體系中各組分：成膜劑約占總質(zhì)量的 20 30 ，催化劑聚磷酸銨 ( 聚合度 100 的 ) 占總質(zhì)量的 25 30 ，成炭劑季戊四醇 ( 單季醇質(zhì)量分?jǐn)?shù) 92 ) 約占 10 15 ，發(fā)泡劑三聚氰胺

7、 ( 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 9 9 8 ) 約占 10 15 ，鈦白粉 (BA01- 01) 占 2 7 ，溶劑 ( 或水 ) 占 10 25 ，有機(jī)膨潤(rùn)土、消 泡劑和流平劑等少量。     2 2 結(jié)果分析     (1) 氨基樹(shù)脂、氯化聚乙烯、過(guò)氯乙烯、高氯化聚乙烯、氯化橡膠涂膜附著力較好，發(fā)泡很快，發(fā)泡不均勻，發(fā)泡持續(xù)時(shí)間較短，泡 一 層松軟較致密，炭化物較多，厚度最高，炭化層硬度差，在強(qiáng)火焰和氣流下容易被燒穿或吹落，炭化較徹底，這幾種成膜劑制成的防火涂 料多為溶劑型涂料，主要適宜對(duì)炭化層強(qiáng)度 要求不是很高但膨脹倍數(shù)要求高的飾面型防火涂料和

8、電纜防火涂料，不適用在鋼結(jié)構(gòu)耐火極限大于 30min 的場(chǎng)合。     氨基樹(shù)脂類(lèi)防火涂料灼燒后的泡層如圖 1 所示。 (2) 醇酸樹(shù)脂、聚氯酯、酚醛樹(shù)脂涂膜附著力較好，發(fā)泡較慢，發(fā)泡不均勻，發(fā)泡持續(xù)時(shí)間短，泡層不致密，炭化物較少，厚度最低，炭化層硬度好，炭化不徹底，這幾種成膜劑制成的防火涂料由于發(fā)泡倍數(shù)不夠，防火隔熱效果較差，不太適合單獨(dú)傲膨脹防火涂料的成膜劑。醇酸樹(shù)脂類(lèi)防火涂料灼燒后的泡層如圖 2 所示。 圖 1 氨基樹(shù)脂類(lèi)防火涂料灼燒后的泡層圖 2 醇酸樹(shù)脂類(lèi)防火涂料灼燒后的泡層   &#

9、160; 表 1 各種成膜劑在膨脹防火涂料中的性能比較     注：表中數(shù)值 1 5 分別代表衡量防火涂料的發(fā)泡能力、質(zhì)量損失、柔軟性、致密性、附著力、價(jià)格的因子， 5 代表發(fā)泡能力最好、質(zhì)量損失最少、柔軟性最大、致密性最好、附著力最大、價(jià)格最低， 1 則反之 ; 依次類(lèi)推。   (3) 苯丙乳液、     純丙乳液、硅丙乳液附著力較差，發(fā)泡較 慢，發(fā)泡不均勻，發(fā)泡持續(xù)時(shí)間短，泡層不致密，炭化物較少，厚度較低，炭化層硬度好，炭化不徹底，這幾種成膜劑制成的防火涂料由于發(fā)泡倍數(shù)不夠，防火隔熱效果不夠理性，只適合做薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂

10、料的成膜劑。苯丙樹(shù)脂類(lèi)防火涂料灼燒后的泡層如圖 3 所示。 圖 3 苯丙樹(shù)脂類(lèi)防火涂料灼燒后的泡層   圖 4 丙烯酸樹(shù)脂類(lèi)防火涂料灼燒后的泡層圖 5 彈性乳液類(lèi)防火涂料灼燒后的泡層(4) 丙烯酸樹(shù)脂、有機(jī)硅樹(shù)脂、氯化橡膠改性環(huán)氧樹(shù)脂與鋼結(jié)構(gòu)的附著力好，尤其是氯化橡膠改性環(huán)氧樹(shù)脂，且與鋼結(jié)構(gòu)表面的防銹漆附著較好，發(fā)泡較慢，發(fā)泡均勻，發(fā)泡持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且能夠持續(xù)發(fā)泡，泡層較致密，炭化物較多，厚度較高，炭化層鱗片石墨狀且硬度好，炭化不徹底，有較多底層物，這幾種成膜劑制成的防火涂料由于發(fā)泡倍數(shù)好，其密度在 0.03 0.05g /cm

11、 3 ，防火隔熱效果理想，適合做超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的成膜劑。三種成膜劑各有特點(diǎn)，丙烯酸樹(shù)脂適合做耐候要求高的場(chǎng)合，有機(jī)硅樹(shù)脂適合做耐高溫的場(chǎng)合，氯化橡膠改性環(huán)氧樹(shù)脂適合做耐腐蝕的場(chǎng)合，但不適合做室外場(chǎng)合。丙烯酸樹(shù)脂類(lèi)防火涂料灼燒后的泡層如圖 4 所示。     (5) 彈性乳液附著力較好，發(fā)泡較慢，發(fā)泡均勻，發(fā)泡持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且能夠持續(xù)發(fā)泡，泡層較致密，炭化物較多，厚度較高，炭化層硬度好，炭化不徹底，有較多底層物。另外彈性乳液有較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（ T g -20 ），因而漆膜具有良好的延伸性和回彈性 ; 具有較好的耐沾污性，較大的干膜厚度（約 450 m ，而傳統(tǒng)涂料為 75 m 左右），彈性乳液是水性電纜防火涂料的理性的成膜劑。彈性乳液類(lèi)防火涂料灼燒后的泡層如圖 5 所示。 &