塑料用阻燃涂料及影响阻燃性因素的研究

data-full-width-responsive="true"> 塑料用阻燃涂料及影响阻燃性因素的研究□ 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)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。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OI30的阻燃目的。1 试验部分11 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。12 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。13 试验方法131 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。132 制板：在150 mm6 mm3 mm的塑料条上喷涂该阻燃涂料,干燥3 d后再进行检测。133 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21 阻燃剂体系对阻燃性能的影响(见表1)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。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 T/L,式中：Q,传递热量；A,传热面积；,导热系数；T,热源与底材间的温度差；L,传热距离。涂膜厚度为200 m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T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。22 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。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。23 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 m时,氧指数的增长不太明显,而当底漆的涂膜厚度L＞50 m时,氧指数几乎是直线上升,当L达到100 m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。24 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)。241 HCPEt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。242 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。243 IFR-5t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。244 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。25 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。251 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。252 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。253 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。254 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。