丙烯酸類膨脹型防火涂料的制備及其阻燃抑煙性能研究.pdf

1、膨脹型水性防火涂料因兼有水性涂料環(huán)境友好和膨脹型防火涂料阻燃效果顯著的兩大優(yōu)點，一直受到業(yè)界的青睞，目前廣泛應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)等許多領(lǐng)域。但傳統(tǒng)的膨脹型水性防火涂料具有固含量較高、形成的泡沫狀碳層強(qiáng)度較差等缺點，導(dǎo)致使用效果受到了限制。為了解決此問題，需要尋找更高阻燃效率的協(xié)效阻燃劑。
　　近年來，學(xué)術(shù)界在此領(lǐng)域的研究取得了一些進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)某些功能性納米粒子和金屬化合物阻燃效率較高，或具有阻燃和抑煙同步增效的作用，并相應(yīng)提出了

2、新的阻燃和抑煙機(jī)理。但上述協(xié)效劑和很多相關(guān)理論主要涉及塑料、橡膠等聚合物材料，而尚未在水性防火涂料上獲得驗證。此外，由于目前國內(nèi)對防火涂料生煙方面缺乏限制標(biāo)準(zhǔn)，抑煙技術(shù)方面的相關(guān)研究也較少，導(dǎo)致了防火涂料行業(yè)發(fā)展嚴(yán)重落后于西方國家。
　　本研究以水性丙烯酸乳液為成膜物質(zhì)，以目前已獲得成熟應(yīng)用的聚磷酸銨(APP)、三聚氰胺(MEL)、季戊四醇(PER)膨脹阻燃體系(Intumescent Flame Resistant，IFR)為基

3、礎(chǔ)，分別加入二氧化鈦、鉬酸銨等金屬化合物和氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）納米粒子作為協(xié)效阻燃劑或抑煙劑制備膨脹型防火涂料，并著重討論阻燃和抑煙性能、涂料膨脹過程以及炭層內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)三者之間的關(guān)系，對協(xié)效阻燃抑煙劑的作用機(jī)理做重點探索。此外，本研究討論了此類膨脹型防火涂料燃燒過程數(shù)學(xué)模擬的路徑選擇，并結(jié)合已得出的阻燃機(jī)理與燃燒溫度場條件的關(guān)系，在充分了解其優(yōu)勢和短板的基礎(chǔ)上優(yōu)化出一系列實用、高效、阻燃抑煙性能平衡的水性膨

4、脹型防火涂料。
　　本研究分為以下四部分。
　　第一部分首先將金紅石型和銳鈦型兩種常作為顏料的二氧化鈦分別加入含有APP-PER-MEL體系的乳液中配制膨脹型防火涂料，對其阻燃、抑煙效果和熱穩(wěn)定性分別采用大板燃燒法、煙密度測試法和熱重分析法(TGA)進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加了30phr金紅石型二氧化鈦的試樣的耐燃時間(73 min.)遠(yuǎn)大于添加了30phr銳鈦型二氧化鈦(34min.)的試樣，但煙密度和熱穩(wěn)定性表現(xiàn)明顯較差。

5、隨后，利用掃描電子顯微鏡(SEM)、X-射線衍射(XRD)和紅外光譜(FTIR)對試樣炭層的結(jié)構(gòu)和形態(tài)進(jìn)行了對比研究，發(fā)現(xiàn)兩類試樣表面均出現(xiàn)白色物質(zhì)形成的保護(hù)層。此外，研究發(fā)現(xiàn)炭層膨脹過程與涂料熔體流動速率(MFR)有密切關(guān)系，當(dāng)MFR大小與膨脹過程相匹配時成炭效果最佳，可獲得良好的阻燃抑煙性能。
　　第二部分分別應(yīng)用三氧化二銻、氧化錫、三氧化二鐵、鉬酸銨配制膨脹型防火涂料，并對其阻燃和抑煙效果和熱穩(wěn)定性分別采用大板燃燒法、煙密度

6、測試法和熱重分析法(TGA)進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)三氧化二銻、氧化錫、三氧化二鐵可以提高阻燃涂料的耐燃時間并降低煙密度，但添加量較大，阻燃抑煙效率較低。而鉬酸銨添加量僅為2phr時，防火涂料的殘?zhí)苛扛哌_(dá)23％，耐燃時間增加79.1％，煙密度等級僅為21.3。通過掃描電鏡等手段分析發(fā)現(xiàn)，鉬酸銨具有獨特的阻燃機(jī)理，可以顯著提高防火涂料的成炭率并改善炭層質(zhì)量，是一種高效阻燃抑煙劑。但鉬酸銨在水性涂料中易破乳，限制了它的應(yīng)用。
　　第三部分

7、將少量GO加入涂料中以提高成炭量和熱穩(wěn)定性，并對其阻燃和抑煙效果采用大板燃燒法、錐形量熱法和煙密度測試法進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，GO能非常有效地降低涂料試樣的峰值熱釋放速率(pHRR)和生煙速率(pSPR)，當(dāng)添加量為0.025phr時pHRR從132.32 kW/m2降至39.10 kW/m2，當(dāng)添加量為0.125phr時pSPR從0.024m2/s降至0.013m2/s。結(jié)合掃描電鏡(SEM)、X-射線衍射(XRD)、差熱分析(DTA

8、)和紅外光譜(FTIR)等手段對試樣炭層的結(jié)構(gòu)形貌進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，具有片狀結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯在涂料受熱膨脹過程中會使自身和聚合物分子鏈取向，進(jìn)而在聚合物炭化過程中形成骨架結(jié)構(gòu)增加炭層強(qiáng)度，達(dá)到阻燃和抑煙的目的。
　　第四部分在總結(jié)了許多膨脹阻燃聚合物燃燒過程模擬技術(shù)的基礎(chǔ)上引入一個較為先進(jìn)的膨脹型防火涂料專用數(shù)學(xué)模型，定量討論了本研究提到的各種阻燃機(jī)理在模型中的體現(xiàn)以及溫度場對阻燃效果的影響。在此基礎(chǔ)上較好地解釋了二氧化鈦向表面遷移