防火助剂对防火涂料性能的影响

防火助剂对防火涂料性能的影响
2007/7/13/08:31 来源：涂料涂装资讯网
顾军渭 1 ，张广成 1 ，唐玉生 1 ，王明明 2
（ 1. 西北工业大学理学院应用化学系，西安， 710072 ； 2. 海军驻兴平地区军事代表室，陕西 713107 ）
摘要：分析讨论了防火助剂对防火涂料性能的影响。

同时通过正交实验和横向比较实验确定了聚磷酸铵（ APP ）、季戊四醇（ PER ）和三聚氰胺（ Mel ）三者之间最佳配比和其在防火涂料中的最佳用量。

关键词：膨胀型防火涂料；基体树脂；正交试验
从阻燃效果、装饰效果及经济成本角度考虑，膨胀型防火涂料应用范围广、防火效果好，因此是防火涂料的发展趋势。

防火涂料的主要组分防火助剂对防火性能的影响很大，合理地确定各种防火助剂的比例对防火涂料的性能有着决定性的影响。

本文着重讨论了 APP 、PER 、 Mel 对防火性能的影响，确定了防火助剂三者之间最佳配比和其在防火涂料中的最佳用量。

1 实验部分
1.1 主要原料
聚磷酸铵（ JLS-APP ）：工业品，杭州捷尔斯公司生产，聚合度 n>1000 ；季戊四醇（ PER ）：化学纯，上海试剂一厂；三聚氰胺（ Mel ）：分析纯，天津市博迪化工有限公司。

1.2 检测装置
对防火涂料的耐火性能测试应该使用国际通用标准方法。

由于条件限制和实际需要，在筛选防火涂料配方时，采用了自己设计的垂直燃烧法作简易评价。

垂直燃烧法虽然不能作为标准方法，但是可以得到定性规律。

由于在设计测试方法时已经考虑到两种方法数值之间的关系，所以用简易方法测得的耐火时间和标准方法基本吻合。

其具体的实验装置如图
1 所示。

2 结果与讨论
2.1 配方的确定和测试结果
图 1 实验装置
通过多次正交实验（采用节约成本的正交回归试验，选择三因子二次回归，设计试验表，因子为成炭剂、 APP 、三聚氰胺）和横向比较实验，筛选和优化了影响膨胀型防火涂料耐火时间的原料和用量，最终确定了防火涂料的配方，并参照 GB12441-1998 《饰面型防火涂料通用技术条件》的规定对防火涂料的理化性能和防火性能进行测试。

检测结果如表 1 、表 2 所示。

表 1 防火涂料性能测试结果
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注：按照标准其测试结果合格。

表 2 理化性能测试结果
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2.2 防火助剂对防火涂料性能的影响
树脂体系也部分参与涂层的发泡膨胀，但是炭化层的形成主要由阻燃体系各组分起主要作用，而炭化层的好坏决定着涂层的阻燃耐火时间的长短。

因此阻燃体系是影响涂料阻燃性能的关键。

2.2.1 聚磷酸铵对防火涂料耐火时间的影响
聚磷酸铵（简称 APP ），在防火涂料中，要求聚磷酸铵的分解温度与成膜树脂体系的软化温度不能相差太远。

实验中所采用的成炭催化剂即 JLS-APP ，其聚合度 n>1000 ，完美的Ⅱ晶型，低水溶性、更好的分散性能和优异的防水性，保证了含有其膨胀防火涂料在膨胀后涂覆表面的良好附着力和炭层稳定性，防止膨胀后防火涂层的脱落，保证了阻燃效果的稳定发挥。

保持涂料配方中其他各种组分的配比不变，按不同量的 APP 的配比配制涂料，将涂料涂覆于木板上，涂层厚度为 0.70mm 左右，放置于模拟大板燃烧装置上进行防火性能测试，聚磷酸铵对防火涂料耐火时间的影响见图 2 。

图 2 JLS-APP 对防火涂料耐火时间的影响
从图 2 可见，随着 APP 加入量的增加，耐火时间呈先增大、后减小的趋势。

这是因为涂层在受热前期发泡炭化形成的炭化层致密均匀，相应的耐火时间很长，但是火焰集中处，炭化层以下的中间部分发泡较大，炭化层与基材连接部分较少，造成炭化层在后期呈现脱落趋势，致使耐火时间相对降低。

当 APP 用量太少时，不能够使基体树脂和成炭 PER 完全脱水催化，不利于形成良好的膨胀隔热炭层；但是如果 APP 用量过多，整个防火涂料中的固含量增加，使涂层与基材的粘结力下降，造成炭化层在
燃烧后期呈现脱落趋势，致使耐火时间相对降低。

适量的聚磷酸铵的分解将形成适量的聚磷酸和氨气，聚磷酸的形成促使发泡剂发泡、炭化层炭化，而生成的氨气与发泡剂 Mel 释放的 NH 3 一起参与涂层的膨胀，有利于形成细小而致密的炭化层泡孔，延长涂层的耐火时间。

当 APP 含量（质量分数，下同）为 32% 时，其防火效果最好，耐火时间最长。

2.2.2 三聚氰胺对防火涂料耐火时间的影响
三聚氰胺含量对膨胀型防火涂料性能的影响亦很大。

在实验过程中，三聚氰胺含量与涂料耐火时间如图 3 所示。

图 3 Mel 对防火涂料耐火时间的影响
从图 3 可以看出，随着 Mel 加入量的增加，耐火时间亦呈先增大后减小的趋势。

这是由于当 Mel 的含量过低时，其分解产生的少许气体无法吹起燃烧过程中形成的炭层，对隔热效果明显不利； Mel 的含量越大，可释放的气体越多、炭化层的膨胀高度越大，有利于延缓火焰灼烧基材的时间；但三聚氰胺也不能过量，否则会使涂层变软，影响炭化层质量。

只有在 Mel 含量合适时，可以促使发泡时间及炭
化层提早形成，对防火性能有利。

当 Mel 的含量为 18% 时，防火涂料的耐火时间最长，故发泡剂Mel 的最佳含量为 18% 。

2.2.3 季戊四醇对防火涂料耐火时间的影响
季戊四醇是形成三维空间结构泡沫炭化层的物质基础，对泡沫起着骨架作用，其含量对防火涂料的耐火性能起着十分重要的作用。

季戊四醇含量对防火涂料耐火性能的影响结果如图 4 所示。

图 4 PER 对防火涂料耐火时间的影响
由图 4 可知，随着 PER 加入量的增加，耐火时间亦呈先增大后减小的趋势。

这是由于当 PER 加入量较少时，整个体系的成炭量少，不利于涂层的防火效果。

随着 PER 含量的增加，能与 APP 和 Mel 匹配发生作用，形成较厚、致密、强度高的炭质层，起到很好的防火效果。

但是季戊四醇的过多加入，很有可能导致其膨胀层的滑移，涂层出现流淌现象，反而影响涂层的防火性能。

季戊四醇用量与脱水成炭催化剂和发泡剂用量有关，当脱水成炭催化剂和发泡剂用量基本确定后，成炭剂季戊四醇的用量范围也已被
基本确定。

当 PER 的质量百分含量为 12% 时，防火涂料的耐火时间最长，约为 47min （涂层厚度为 0.9mm ），所以 PER 的最佳含量为 12% 。

2.2.4 A PP-PER-Mel 配比对防火涂料耐火时间的
树脂体系的组成和用量已经通过最优化的试验确定后，在所得的最佳树脂体系的基础上考察防火体系中各因子对涂料防火性能的影响。

试验中脱水成炭催化剂采用了 JLS-APP ，成炭剂为季戊四醇，发泡剂为三聚氰胺，实验环节同样通过正交实验和横向比较优化实验进行三者之间配比的确定，最后得到最优阻燃体系配方为 APP ∶PER ∶ Mel=8 ∶ 3 ∶ 5 。

对优选防火体系的配方进行了重复性试验，按配方重新配料、研磨后，将其涂料涂覆于木板上，放置于模拟大板燃烧装置上进行耐火时间测试。

2.2.5 防火助剂用量对防火性能的影响
以聚磷酸铵（ APP ）、三聚氰胺（ Mel ）和季戊四醇（ PE ）构成防火阻燃体系的防火涂料，以聚酯树脂和环氧树脂为基料，树脂含量为 25% ～ 35% 时，仅改变防火体系在涂料中的比例，其试验结果见表 3 。

表 3 防火助剂含量对涂层防火性能的影响
从表 3 可以看出，防火助剂在涂层中所占的质量分数在 60% ～70% 时，涂料的防火性能最好。

防火助剂用量太低，不能形成良好的发泡层；用量太高，涂料成膜性差，涂层燃烧时，气体易逸出，同样不能形成良好的发泡层。

另外，其比例太高，则涂膜中成膜基料太少，使涂膜的附着力、柔韧性和抗冲击性均不能满足应用要求。

3 结论
(1) 在考察防火助剂的三因子中，聚磷酸铵对涂料的防火性能影响很大，其次是三聚氰胺，第三是炭化剂。

(2) 实验证明防火助剂在整个防火涂料体系中的最佳含量（质量分数）为 62% ，其中，聚磷酸铵为 32% ，季戊四醇为 12% ，三聚氰胺为 18% 。

(3) 优良的防火性能和良好的理化性能证明该防火涂料是一种综合性能优越的防火涂料。