雅致專業防火涂料

3·膨脹型涂料的阻燃體系及應用

     在膨脹型涂料中所使用的阻燃劑一般稱為阻燃體系,隨著防火涂料的研究從非膨脹型向膨脹型過渡,相應的阻燃劑也從非膨脹型向膨脹型防火阻燃體系過渡,并進入穩步發展階段。在膨脹型防火涂料的研究及應用方面,基本上形成了P—C—N阻燃體系,該體系根據其機能包括脫水催化劑、炭化劑和發泡劑三部分,分述如下。

     3·1脫水催化劑

     作為膨脹型防火涂料的關鍵組分,脫水催化劑的主要功用是促進和改進涂層的熱分解進程,促進形成不易燃的三維炭質層結構,減少熱分解產生的可燃性焦油、醛、酮的量;促進產生不燃性氣體反應的發生。以前曾經采用磷酸氫二銨和磷酸二氫銨作為脫水催化劑,但由于它們具有較高的水溶性和較低的熱穩定性,在70年代后期被淘汰。現在普遍采用聚磷酸銨(APP)、磷酸銨鎂和磷酸三聚氰胺(MP),這些物質受熱分解產生磷酸而對多元醇進行脫水。APP是一種優良的脫水劑,分子式為(NH4)n+2PnO3n+1,經紅外光譜、31P核磁共振等分析,已證明其結構為一個沒有支鏈的鏈狀聚合物大分子,結構簡式為:

結構簡式

    其中,n為聚合度,20<N

    實驗證明,磷酸、聚磷酸等的鹽、酯、酰胺類物質,只要它在100~250℃下能夠分解產生相應的酸,都可以作為脫水催化劑。幾種磷酸鹽(酯)的物化性質如表1所示。 

                                         表1

    在防火涂料的研究和工業生產中,應綜合考慮其水溶性、熱穩定性、磷含量和原材料價格等因素,然后決定采用何種脫水催化劑。

3·2炭化劑

     當涂層遇到火焰或高溫作用時,在催化劑的作用下,炭化劑脫水炭化形成炭質層。炭化劑的有效性,主要決定于它的炭含量和羥基的數目。炭化劑中炭含量決定其炭化速度,而羥基含量決定其脫水和成泡速度。幾種炭化劑及其物性如表2所示。

表2

      由表2可見,采用高炭含量、低反應速度的物質作炭化劑較為適宜。當采用APP作為脫水催化劑時,就應該采用熱穩定性較高的季戊四醇(PE)或二季戊四醇(DPE)與之配用,否則不能形成理想的膨脹炭質層;如選用淀粉作為炭化劑,則在APP熱分解之前,淀粉早已分解并產生大量的焦油,故不能形成理想的膨脹體。事實上,由于PE的價格比DPE低,所以PE廣泛用作炭化劑。

    3·3發泡劑

    這類物質遇火受熱分解放出不燃性氣體(如HCl、NH3、H2O等),使涂層膨脹形成海綿狀炭質層。常用的發泡劑有:三聚氰胺、雙氰胺、氯化石蠟等,防火涂料中采用兩種或多種發泡劑拼用,效果較好。例如,采用含氯與含磷化合物拼用,不僅可以從固相到氣相廣泛抑制燃燒的進行,而且由于氯、磷兩元素間會產生協同效應,燃燒時生成PCl3、POCl3等化合物,它們在高溫下成為氣體,其密度比空氣大,可附著在底材表面而形成較均勻的覆蓋層,將空氣與可燃物隔開,從而達到抑制或阻止燃燒的目的。部分發泡劑分解溫度如表3所示。

表3

      一般選取三聚氰胺(MEL)為主發泡劑,而作為增塑劑的氯化石蠟(CP)以及作為脫水催化劑的聚磷酸銨(APP),也可以起部分發泡作用。

      總之,構成膨脹阻燃體系的脫水催化劑、炭化劑和發泡劑三者缺一不可,當涂層遇火時首先軟化和熔融,然后發泡劑分解放出氣體,使軟化的涂層鼓泡膨脹,體積增大。與此同時,脫水催化劑分解放出游離的酸(如磷酸等),使多元醇(如季戊四醇PE)脫水炭化,形成炭化層。此過程要求發泡劑分解產生氣體,脫水催化劑分解放出磷酸等物質,炭化劑脫水炭化這三個步驟在發生變化的溫度方面基本上協調一致,這樣它們才能在膨脹發泡和防火隔熱過程中產生“協同”作用。

      國外的膨脹型防火涂料中一般采用聚磷酸銨(APP)、磷酸三聚氰胺(MP)以及它們的拼合物來作為阻燃劑,其水溶性和熱穩定性等對防火涂料的膨脹阻燃起重要作用,阻燃性能的差別主要與粒徑分布、晶形結構、水溶性以及組成上的微小差異等因素有關。美國及歐洲產的MP,其主要差別在磷含量、熱穩定性、水溶性、粒徑分布等方面。通過比較MP與APP的水溶性,發現APP最終水解成正磷酸銨(AOP),其水溶性很低。

      如果該涂料需要較好的耐候性,那么MP將會比APP更合適。以MP作為阻燃劑的防火涂料通常用于裸露鋼的底漆,并且采用一次涂覆;在海底設施的應用方面,MP顯示出更大的優越性,為了獲得較高性能的涂層,一般先用環氧防火涂料進行多次涂覆,然后在表層上涂以雙組分聚氨酯涂料。已經發現,APP與MP的混合物在以高含量ATH為填充劑的膨脹型環氧防火涂料中也顯示出一定的協同阻燃效應。