0 前 言

塑料用阻燃涂料是一种涂覆在塑料表面起阻燃作用的特种涂料。塑料的防火阻燃比木材、钢结构等具有更大的难度,因为塑料本身是易燃材料,氧指数(OI)约为17,而且其软化点低,受热后ABS达93 ℃、PP达140 ℃时就软化流淌,遇火即能燃烧。

通过喷涂该膨胀型阻燃涂料,当受热遇火时,涂料首先膨胀炭化,阻止了热量向内部的传递,延缓了塑料软化时间和燃烧时间,从而有效地解决了阻燃问题涂料在线coatingol.com。某些对塑料强度要求较高,不能添加阻燃剂来阻燃塑料的特殊应用领域,可喷涂该涂料达到氧指数OI≥30的阻燃目的。

1 试验部分

1.1 原料

高氯化聚乙烯(HCPE,CI=65%)、六溴环十二烷、十溴二苯醚、三氧化二锑(S b2O,C W T-I I型)、三氯乙基磷酸酯(TCEP)、甲基膦酸二甲酯(DMMP)、溴氯化石蜡(LBC-610)、十溴联苯醚(ZR-10)、膨胀型阻燃剂(IFR-5)、聚磷酸铵(APP)、芳烃、钛白粉R930、高色素炭黑,以上均为工业品。

1.2 设备仪器

HC-2型氧指数测定仪、SRJX-3-9型电阻炉、热电偶或精密温度计、455型涂膜测厚仪、分析天平、酒精喷灯、小球磨机。

1.3 试验方法

1.3.1 制漆：在装有研磨介质的小球磨机中按配方量投入物料密封,开动球磨研磨分散,检测、调整,合格后出料过滤。

1.3.2 制板：在150 mm×6 mm×3 mm的塑料条上喷涂该阻燃涂料,干燥3 d后再进行检测。

1.3.3 性能测试

氧指数测定：按GB/T2406-93进行；热损失重：用电阻炉、分析天平进行；热传导温度：用酒精喷灯、热电偶进行。

2 结果和讨论

2.1 阻燃剂体系对阻燃性能的影响(见表1)

系列阻燃剂的阻燃情况

由表1可以看出,由普通的阻燃剂制成的阻燃涂料本身阻燃性虽好,尽管氧指数也较高,但与塑料复合后,在遇火受热时,由于隔热性差,温度很快升高到塑料的软化点,塑料软化变形,同时涂膜强度因遇火燃烧而大大降低,这样塑料液就会从涂膜的裂缝处流出并遇火燃烧,如此循环,不会有太高的氧指数,而用膨胀型阻燃剂的却可以达到氧指数30以上。

用膨胀型防火涂料的防火原理可以很好地解释这一问题：涂膜在遇火受热时,其中的酸源与多元醇化合物酯化脱水炭化,生成大量的水蒸气及不燃性气体,使炭化层膨胀发泡,形成均匀致密的膨胀炭化层的厚度是未膨胀前的数十倍(见图1),隔绝空气和火焰并减少热量传递,从而起到保护阻燃的作用。

涂膜膨胀前后的状态示意图

再用热传导方程说明膨胀型防火涂料的隔热效果,使物体保持较低温度,也是很明显的：Q=A λΔT/L,式中：Q,传递热量；A,传热面积；λ,导热系数；ΔT,热源与底材间的温度差；L,传热距离。

涂膜厚度为200 μm的膨胀型涂料,受热膨胀后可形成约15 mm厚的充满了气体的泡沫层,厚度增大约80倍,受热前涂膜的导热系数接近普通的结构紧密固体物质的导热系数,与泡沫层的接近空气的导热系数相比,泡沫层的导热系数约降低了15倍,在传递热量Q与传热面积A基本一致的情况下,热源与涂料保护的底材前后的温度差ΔT可达1 200 ℃以上,由此可见防火涂料受热后形成的泡沫层的显著隔热效果。

涂料膨胀炭化后,在塑料的周围形成一层致密的隔热效果良好的泡沫层,阻止了热量向塑料的传递,延缓了塑料的软化时间,同时,形成的泡沫层隔绝了塑料与氧气的接触,阻止了燃烧,而且,由于基料树脂中含有氯素,遇热分解出的HCl气体和膨胀型涂料酯化时形成的水蒸气,稀释了可燃气体的浓度,从而使得燃烧性减慢或熄灭。膨胀型阻燃剂的阻燃效果依次为：IFR-5/六溴环十二烷,IFR-5/ZR-10＞IFR-5/Sb2O3＞IFR-5＞IFR-5/TCEP＞APP。

2.2 P/B对阻燃性的影响

高氯化聚乙烯树脂可填充大量填料的性能,为膨胀型阻燃涂料的制备提供了有利条件。膨胀型阻燃剂是在膨胀型阻燃涂料中起主要作用的原材料,只有添加到一定的数量时才能够起到应有的作用,表2给出了不同阻燃剂用量的阻燃情况。

P/B对氧指数(OI)的影响

由表2可见,随着P/B的增加,复合后的氧指数OI也随之增大。

2.3 涂膜厚度对氧指数OI的影响

膨胀型涂料,受热后膨胀体积的大小与涂膜的厚度成正比。同样,该阻燃涂料与塑料复合后的氧指数也受底漆涂膜厚度的影响,图2是底漆涂膜厚度与氧指数(OI)的曲线图。

由图2可以看出,当底漆的涂膜厚度L＜30 μm时,氧指数的增长不太明显,而当底漆的涂膜厚度L＞50 μ m时,氧指数几乎是直线上升,当L达到100 μm时,即可使氧指数达到30以上。底漆的涂膜厚度与氧指数成正比。

底漆涂膜厚度与氧指数关系

2.4 涂料的热损失重与温度的关系

以不同温度下涂料的热损失率做出如下的曲线(见图3)。

HCPE、IFR-5、阻燃底漆、面漆的热损失重与温度的关系

2.4.1 HCPE—t曲线

由曲线(1)可以看出,HCPE的热分解与分解温度几乎呈线性增长,以200～250 ℃尤为剧烈,当温度达450 ℃分解完全。

2.4.2 面漆—t曲线

由曲线(4)可知：以150～200 ℃的热失率最高,这主要是由助剂损失引起的,当达到450 ℃时,热解完全,即HCPE分解完全,所以HCPE与面漆尤其在高温段具有相似的热解曲线。这与配方用料上应得的结果相吻合。

2.4.3 IFR-5—t曲线

膨胀型阻燃剂IFR-5在200 ℃开始热分解,以300～400 ℃时的热解最快,直到600 ℃仍未分解完全,在很大的温度范围内都有热分解产生。

2.4.4 底漆—t曲线

在200～250 ℃时损失率最高,这也是由助剂损失引起的,与面漆相比,助剂损失的温度高,是因为IFR-5受热后膨胀炭化,阻止了热量向内部的传递,要使助剂达到分解汽化温度,与面漆比就必须达到更高的温度。与IFR-5相似之处是在600 ℃仍未分解完全,是一条与HCPE、IFR-5具有相似性的曲线,即低温阶段与HCPE相似,高温阶段与IFR-5相似。

2.5 热传导温度—时间曲线

在温度计或热电偶上喷涂底漆、面漆,然后在同一火焰上加热,考察热传递性能,即升温情况,同时做空白试验,做出如下的4条温度—时间曲线。

热传导温度—时间曲线

2.5.1 曲线(1)：空白的温度—时间曲线,可以看出,随着用火焰加热时间的增加,温度上升很快。

2.5.2 曲线(2)：只喷涂面漆的温度—时间曲线,与曲线(1)相比,具有很大的相似性,因为阻燃面漆及HCPE分解后形成的炭化层比玻璃及金属的导热率低,因而达到同样的温度需要较长的时间,具有滞后效应。

2.5.3 曲线(3)：只喷涂底漆的温度—时间曲线；曲线(4)：喷涂底漆后再喷涂面漆的温度—时间曲线。

可以看出,曲线(3)与(4)几乎完全吻合,这表明面漆与底漆配套后,面漆对底漆的阻燃性几乎没有影响。对这两个体系进行氧指数测定,结果也证明：面漆对底漆的阻燃影响甚小。

2.5.4 曲线(3)、(4)与曲线(1)、(2)相比,达到同一温度时,具有明显的滞后时间,而且具有显著的隔热效果,阻止了热量向内部的传递,降低了底材的温度,即底漆及底面漆配套的涂料体系具有优异的隔热效果,对塑料有良好的阻燃性。

3 结 语

通过上述试验,提供了选择阻燃剂体系的依据,给出了阻燃剂体系、P/B、涂膜厚度与氧指数的关系。通过涂料热损失重－温度曲线、热传导温度—时间曲线验证了该阻燃涂料具有明显的阻燃性能。

张世珍,孙春龙,张善贵,郭长青,王 红

(海洋化工研究院,山东青岛 266071)