铝合金专用无机防火涂料的制备

data-full-width-responsive="true"> 铝合金专用无机防火涂料的制备赵艳红1，魏莉2（1沈阳理工大学应用技术学院，辽宁抚顺113122；2沈阳理工大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110168）引言随着城市轨道交通的迅速发展，对地铁的防火要求越来越高。由于地铁系统的特殊性，使其在遭遇火灾时烟雾不易扩散，一些重大客车火灾事故都造成了很大的人员伤亡[ 1，2]。事后调查表明，在火灾中丧生的人员中，大部分不是直接被烧死，而是被车厢内有机涂层和座椅等燃烧放出的毒烟熏死或熏晕后烧死的[3~5 ]。轨道客车内饰防火涂层是一种集装饰、保护和防火一体的新型涂层，当它涂覆于基材上时，平时可起到一定的装饰、保护作用，一旦火灾发生时，则具有阻止火势蔓延的作用[ 6 ]。目前轨道客车上的防火涂层多采用有机涂料，涂层遇火时能形成良好的具有隔热性能的致密的保护层，能保护基体材料，但这种涂层的保护能力有限，遇着火时间长时仍会燃烧。无机防火涂料与目前广泛应用的有机涂料相比，因其具有优良的耐热性、耐老化性、高表面硬度及无毒、无烟等特性，因此可以在客车内饰的铝合金板上涂覆无机涂料，达到不燃的目的[7- 9 ]。我国的轨道客车企业有大量的国外订单，而目前我国还没有成熟的、价格合理的、能满足大批量生产的制备无机涂料的技术，只能用一些防火油漆、有机涂料代替。因此，研究无机防火涂料刻不容缓。1 实验11 无机溶胶的制备铝合金专用的无机防火涂料主要由溶胶、陶瓷骨料和防火助剂组成。本研究采用磷酸盐溶胶，其特点是：磷酸盐溶胶凝结后可形成具有网状结构的大分子包覆在基体的表面，同时可与铝基体表面发生化学反应，在陶瓷涂层与铝合金界面生成新相，而形成具有较高强度的化学结合的界面，与硅酸盐溶胶相比，其具有耐水性好、固化收缩率小，高温强度大、可在较低温度下固化等优点[10， 11 ]。先将氢氧化铝加适量水溶解，再把浓度为85%的磷酸放在定时恒温磁力搅拌器上加热到60℃左右，根据磷酸氢铝中铝原子与磷原子的比例（Al/P）的不同来调节加入氢氧化铝和磷酸的比例，然后将溶解的氢氧化铝缓慢加入，使磷酸和氢氧化铝充分混合并反应，待温度升到120℃时，加入促凝剂，保温1～2h。自然冷却至室温，得到无色、透明的磷酸氢铝溶胶。12 无机防火涂料的制备涂料由无机溶胶、阻燃剂、骨料及其它用于调整颜色的添加剂组成。按一定比例称取阻燃剂（主要成分为氢氧化铝）、骨料（主要成分为二氧化硅、三氧化二铝等）复合填料、助剂等原料，并进行过筛，除去粗颗粒，以避免喷涂施工时，粗颗粒堵塞管道、喷枪。在KQM- X4 型行星式球磨机上进行高速分散混合充分搅拌，混合均匀。将以上混合物中加入溶胶和分散剂，低速搅拌、混合均匀，得到无机涂料。铝合金经除油喷砂水洗等预处理后，将制备好的无机涂料喷涂于铝合金表面，室温阴干12~24h，在50℃的烘箱中保温1h，再在150～250℃的温度下保温1h，升温速度1~2℃/min。经固化烘干后，可得无机防火涂层。13 涂层性能检测131 涂料微观组织结构用日立S- 3400 扫描电子显微镜观察涂层的微观组织形貌，用PW3040160X 衍射仪分析涂层的物相组成。132 涂层耐燃性检测采用垂直燃烧法确定涂层的耐燃时间[12 ]。将放置测试板用的铁圈固定在铁架台上，铁圈与酒精喷灯口的垂直距离为7cm，待火焰温度达到1000℃时，将测试板置铁圈上，然后开始计时至检测终点。在检测时，涂层出现裂缝或整体剥落，定为耐燃时间（min）。2 结果与讨论21 Al/P 对涂层的影响磷酸二氢铝基料最主要的特征是酸度。文献指出[ 11 ]：基料的主相为AlH3 （ PO4）23H2O，加热时主要产物为[Al（H2PO4）2]，它是磷酸盐基料中附着性最好的成分。图1 是基料中Al/P 比例对涂层的影响。1 实验台2 酒精喷灯3 燃烧支架4 保温板5 热电偶6 试样7 温度采集模块表1 Al/P 比对涂层的影响由表1 可以看出，Al/P 为1∶325 时制得的涂层较好。Al/P 过小，涂层阴干太慢，固化后涂层容易出现鼓泡、剥落现象；Al/P 为1∶325 时，涂层阴干较快，制得的涂层均匀平整，与基体结合良好。22 陶瓷骨料用量与溶胶比例的关系骨料与溶胶比例对涂层的影响如表2 所示。当骨料与溶胶的比例小于05∶1 时，骨料与溶胶混合容易，涂料黏性好，涂覆时涂层均匀，涂层与基体结合良好。但是，涂层在随后的防火测试中，涂层的防火性能和抗热震性明显低于骨料与溶胶的比例等于05∶1 的涂层。当骨料与溶胶的比例大于05∶1，达到07∶1 和1∶时，骨料与溶胶混合困难，加水使其混合均匀，但料浆黏性下降，涂层成型后表面不均匀且有大颗骨料粒子，表面理化性能差。所以本实验骨料与溶胶的比例确定为05∶1。表2 骨料量与溶胶的比例对涂层的影响23 涂层固化温度的确定图2a 是基体喷涂后，直接放入远红外烘干箱中，升温速度为2℃／min。涂层在固化之前含有较多的吸附水，在固化过程中，由于水的蒸发，使得涂层收缩过快，涂层的表面形成缩孔。图2b 是基体喷涂后，室温阴干12～24h。然后放进烘干箱中，升温速度大于3℃／min，尽管涂层在固化之前蒸发了部分水，但涂层在固化过程中升温速度过快，涂层的表面形成了皲裂现象。图2c、2d 是涂层在室温阴干12～24h 后，在烘干箱缓慢加热，升温速度控制在3℃／min 以下，在50℃时保温30min，确保涂层含有较少的吸附水。c 图的最终固化温度为150℃，d图的最终固化温度为200℃。可以看出涂层表面致密。但固化温度为150℃的涂层比固化温度为200℃涂层疏松，而固化温度为200℃时则涂层较较致密。24 涂层微观组织结构分析涂层与基体间的结合直接影响涂层的性能。在陶瓷涂层与金属基体之间一般存在两种互相作用：一是物理作用，其表现方式为范德华力和静电引力等；另一种是化学作用，即共价键，离子键和金属键的作用。采用扫描电子显微镜和X 射线衍射仪分析对所制备的陶瓷涂层的物相、微观结构进行分析。图3为金属基陶瓷涂层的扫描电子显微镜（SEM）照片，图4 为涂层的XRD 结果。从图3、图4 可以看出，涂层与基体界面结合较好，且在界面处有一厚度达几个微米的过渡层，涂层组织已深入到基体组织中，并与基体在界面处形成机械联锁效应，使涂层与基体的结合牢固。而XRD 结果显示，涂层的物相分别为Al321SiO047、Al192Cr08O3、Al2O3、Cr2O3、Al（OH）3、AlPO4。分析表明，Al2O3、Cr2O3、Al （OH）3 是料浆中的原有成分，AlPO4的存在表明料浆中的Al2O3、Al（OH）3 与溶胶中的磷酸发生反应而生成了AlPO4，Al321SiO047 的存在表明，Al3O2 中的部分O 原子被Al 原子和Si 原子取代，形成了Al321SiO047；Al192Cr08O3 的存在表明Al2O3中的部分的Al 原子被Cr 原子取代形成了Al192Cr08O3。这说明在涂层与基体的界面已发生了化学反应，并有新相生成，在涂层与基体之间形成了化学结合。25 涂层的耐燃性检测结果由涂层的耐燃性检测，可知涂层的耐火极限高于30min，涂层不燃，无浓烟，未放出刺激性的气体和浓烟，表层颜色变化不大。图5a、5b 为燃烧检测前后的扫描电镜照片。对比图5a、5b 可以发现，涂层燃烧检测前后微观组织变化不大，尽管出现细小的空洞与裂纹，但涂层与基体结合牢固。实验证明，涂层具有非燃性与一定的防火阻燃作用。3 结论无机阻燃原料为主要成分，添加适当的无机溶胶、助剂等，可制备无机防火涂层，用于地铁内饰的铝合金板上。无机阻燃陶瓷涂层主要由无机溶胶、陶瓷骨料和无机阻燃添加剂等组成。采用酸式磷酸铝作为无机溶胶的主要成分，在Al/P 质量比为1∶325、溶胶的用量为60%、添加剂粒度为1~2m 时，涂层表面均匀、致密、无缩孔。陶瓷涂层的成分及界面结合情况分析表明：涂层与基体材料在界面处有新相生成，且相互扩散形成过渡层，在界面处产生机械联锁效应，使涂层与基体的结合强度得到提高。涂层耐燃实验结果表明，涂层的耐火极限高于30min，不燃，无脱落，无烟，不产生刺激性气体，具有很好的防火阻燃作用。