納米阻燃劑在飾面型防火涂料中的應(yīng)用

1、納米阻燃劑在飾面型防火涂料中的應(yīng)用作者：吳亞平 烏蘭察布市公安消防支隊(duì) 摘要：文章針對(duì)當(dāng)前飾面型防火涂料在使用中存在的問題，分析了飾面型防火涂料的阻燃機(jī)理，提出了可利用納米阻燃劑提高飾面型防火涂料的性能的觀點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：納米阻燃劑；飾面型防火涂料；阻燃材料中圖分類號(hào)：TB383 文章編號(hào)：10076921(2010)01008503 隨著社會(huì)的發(fā)展和物質(zhì)財(cái)富的不斷增加，人們的生活和工作條件日益改善，建筑物外部及室內(nèi)裝飾材料廣泛采用涂飾技術(shù)，飾面型防火涂料是一種集裝飾和防火為一體的新型涂料品種。當(dāng)它涂覆于可燃基材表面時(shí)，平時(shí)可起到一定的裝飾作用，一旦發(fā)生火災(zāi)則能夠阻止火勢(shì)蔓延，達(dá)到保護(hù)基材，使人

2、們有足夠時(shí)間離開火場(chǎng)和組織搶救的目的。但是在飾面型防火涂料的質(zhì)量方面還存在著一些問題，利用納米阻燃劑提高飾面型防火涂料的性能具有非常重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。 1飾面型防火涂料的分類及在使用中存在的問題 1.1飾面型防火涂料的分類 飾面防火涂料按其防火作用特點(diǎn)及組成可分為非膨脹型防火涂料和膨脹型防火涂料兩大類。非膨脹型防火涂料又分為兩類，即難燃性防火涂料和不燃性防火涂料。難燃性防火涂料即自身難燃，包括乳液性難燃涂料及含阻燃劑的防火涂料。不燃性防火涂料為無機(jī)質(zhì)涂料，配合無機(jī)顏料而成的完全不燃性防火涂料，其特點(diǎn)是在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，不產(chǎn)生煙及分解氣體，耐熱性良好，表面硬度高，耐候性優(yōu)良，易著色，缺點(diǎn)是難

3、以施工，對(duì)底材的附著性、柔韌性差。非膨脹防火涂料主要使用三氧化二銻、硼酸鹽、改性偏硼酸鋇、硅石等阻燃劑。 1.2飾面型防火涂料在使用中存在的問題 1.2.1涂覆處理不到位，起不到應(yīng)有的防火作用。涂覆處理不到位主要有兩種情況：應(yīng)該涂覆的部位未進(jìn)行涂覆；涂覆量不足。在對(duì)裝修工程驗(yàn)收時(shí)，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)許多木質(zhì)裝修材料未經(jīng)防火處理，或者只是表面薄薄地涂覆了一層防火涂料，有些甚至連基材的顏色都未能完全覆蓋。 1.2.2飾面型防火涂料中的透明防火涂料的應(yīng)用太少。與電纜防火、鋼結(jié)構(gòu)防火涂料不同，飾面型防火涂料中的透明防火涂料的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，即便是在國(guó)外也很少有完全成熟的產(chǎn)品，涂料體系的穩(wěn)定性較差。目前在市場(chǎng)上還沒

4、有使用壽命超過3年的產(chǎn)品。 1.2.3防火涂料質(zhì)量參差不齊，無法保證防火效果。飾面型防火涂料由于其生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備要求低，而且有成熟的配方，門檻低、生產(chǎn)廠家比較多。由于企業(yè)的規(guī)模小，檔次低，真正的質(zhì)量管理體系大多沒有建立。許多企業(yè)缺乏必要的原材料和成品檢驗(yàn)手段，缺少經(jīng)過專門培訓(xùn)的專業(yè)檢驗(yàn)人員，因此防火涂料的質(zhì)量很不穩(wěn)定。從國(guó)家防火建筑材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心多年來對(duì)全國(guó)飾面型防火涂料的質(zhì)量抽查情況來看，合格率基本都在50%60%，可看出這一問題的嚴(yán)重性。 2飾面型防火涂料的阻燃機(jī)理 固態(tài)物質(zhì)在空氣中燃燒一般可分為3個(gè)階段：物質(zhì)受熱分解產(chǎn)生可燃性氣體產(chǎn)物；可燃?xì)怏w在空氣中燃燒；燃燒產(chǎn)生的部分熱量使

5、固態(tài)物質(zhì)或熔融態(tài)物質(zhì)繼續(xù)分解，并使燃燒繼續(xù)。阻燃機(jī)理的目的就是使上述3個(gè)階段中的一個(gè)或者數(shù)個(gè)終止。例如用難燃或不燃的涂料將可燃物表面封閉起來，避免基材與空氣接觸，就可使可燃物表面變成難燃或不燃的表面。要實(shí)現(xiàn)涂層自身的難燃或不燃，可以把阻燃元素連接到有機(jī)高聚物分子中去，實(shí)現(xiàn)成膜物質(zhì)的難燃化；或可以添加不燃性添加劑到涂料中去，增強(qiáng)涂料的難燃性；也可以采用不燃性的無機(jī)黏合劑作為涂層的成膜物質(zhì)來實(shí)現(xiàn)涂層的不燃性。 2.1非膨脹型防火涂料的阻燃機(jī)理 非膨脹型防火涂料主要通過兩條途徑發(fā)揮防火作用：是涂層自身的難燃性或不燃性；在火焰或高溫作用下分解釋放出不可燃性氣體(如水蒸氣、氨氣、氯化氫、二氧化碳等)以沖

6、淡空氣中氧氣的濃度，并形成結(jié)構(gòu)致密的不燃性“釉質(zhì)層”，達(dá)到隔絕空氣的目的。此過程是吸熱反應(yīng)，能消耗大量的熱，有利于降低體系的溫度。防火涂料中低密度耐高溫的無機(jī)物或中空微球材料成膜時(shí)形成熱導(dǎo)率低的隔熱阻燃涂層，起到良好的防火隔熱效果。 2.2膨脹型防火涂料的阻燃機(jī)理 膨脹型防火涂料成膜后，常溫下與普通漆膜無異。但在火焰或高溫下，涂層劇烈發(fā)泡炭化，形成一個(gè)比原涂膜厚幾十倍甚至幾百倍的難燃的泡沫碳化層。它可以隔絕外界火源對(duì)基材的直接加熱，起到阻燃作用。涂層炭化膨脹時(shí)，涂層厚度增大幾十倍甚至上百倍，而涂層的導(dǎo)熱系數(shù)卻在下降，最后通過膨脹炭層傳遞到基材的熱量只有原涂層的幾十分之一甚至幾百分之一，使基材得

7、以較好的保護(hù)。從宏觀上看，炭質(zhì)層的形成對(duì)防火作用有4個(gè)方面的貢獻(xiàn)：隔斷火焰對(duì)底材的直接加熱；涂層的軟化、熔融、膨脹等物理變化及聚合物、填料、助劑的分解、蒸發(fā)和炭化等化學(xué)作用將吸收大量的熱量；隔絕底材和空氣的接觸；分解出的不燃性氣體能沖淡空氣中氧氣的濃度。在防火涂料中，通常膨脹型防火涂料的防火性能比非膨脹型防火性能優(yōu)異。 3納米阻燃劑的優(yōu)點(diǎn) 研究中發(fā)現(xiàn)，有些納米材料具有阻止燃燒的功能，如果將它們作為阻燃劑添加到可燃材料中，可以改變這些可燃材料的燃燒性能，使其成為難燃燒材料。 3.1納米超細(xì)粉阻燃材料 阻燃劑在高分子材料加工過程中的重要助劑之一，如果采用納米技術(shù)對(duì)高分子材料進(jìn)行阻燃處理，可以實(shí)現(xiàn)難

8、燃性和自息性。目前，使用的阻燃劑大多數(shù)為無機(jī)阻燃劑，它們包括銻系阻燃劑、鋁系阻燃劑、磷系阻燃劑和硼系阻燃劑等。由于這些阻燃劑添加到聚合物中，會(huì)引起聚合物的加工工藝及產(chǎn)品性能發(fā)生改變，特別是對(duì)模塑產(chǎn)品、擠型產(chǎn)品和薄膜產(chǎn)品的表面光潔度影響較大，故需要使所有添加型無機(jī)阻燃劑的粒度超細(xì)化。像目前使用最多的一種添加型阻燃劑三氧化二銻，其顆粒大小和形態(tài)對(duì)塑料制品和紡織織物的性能和阻燃效果影響非常大。粒度是三氧化二銻的重要指標(biāo)，只有當(dāng)三氧化二銻的粒度處于納米量級(jí)時(shí)才會(huì)使其本身具有較大的比表面積，對(duì)織物的滲透性大，黏附力高，具有很強(qiáng)的耐洗牢度，阻燃效果也非常明顯。 超細(xì)化的阻燃劑可以改善材料的力學(xué)性能，減少阻

9、燃劑的用量，滿足工藝要求。 納米級(jí)三氧化二銻阻燃材料由于其粒度的變小具有特殊的延展性能，在阻燃性能方面比微米級(jí)三氧化二銻有了數(shù)量級(jí)的提高。尤其重要的是由于納米級(jí)三氧化二銻粒子直徑小于化纖纖維的直徑，有可能加入到化纖原料母粒中，這樣紡絲后在化纖中均勻分布阻燃材料，從而使得纖維本身具有高效阻燃性。 3.2阻燃納米復(fù)合材料 盡管使用超細(xì)阻燃劑能有效地提高聚合物的阻燃性能，但也存在一些問題，如不能有效控制有毒氣體的釋放及大量煙霧的生成，添加阻燃劑后會(huì)影響聚合物的機(jī)械性能，還會(huì)造成一定的環(huán)境影響。因此，研究并使用聚合物/層狀無機(jī)物納米復(fù)合材料將能同時(shí)滿足上述要求并具有較好的阻燃性能。納米復(fù)合材料實(shí)際上是

10、將材料中的一個(gè)或多個(gè)以納米尺寸或分子水平均勻分散在另一組分的基體中。據(jù)國(guó)外資料報(bào)道，由于這樣處理后的材料存在超細(xì)的尺寸，所以其性質(zhì)比其相應(yīng)的宏觀或微米級(jí)復(fù)合材料均有較大的改善。目前在實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)制備出納米級(jí)環(huán)氧樹脂、聚苯乙烯、聚丙烯、尼龍-6、丙烯酸等復(fù)合材料。如尼龍-6/蒙脫土(4.2%)納米復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度比純尼龍-6增強(qiáng)50%，玻璃化溫度比純尼龍-6提高約90；同時(shí)熱釋放效率也比純尼龍-6要低得很多。 聚合物/層狀無機(jī)物納米復(fù)合材料具有比傳統(tǒng)填充材料優(yōu)異得多的力學(xué)性能、熱性能、阻燃性能、各向異性等。國(guó)外已將聚合物/層狀無機(jī)物納米復(fù)合材料用于制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的配件，并準(zhǔn)備應(yīng)用于飛機(jī)內(nèi)部材料、

11、燃料艙、電子或電氣部件、護(hù)罩內(nèi)的結(jié)構(gòu)部件、制動(dòng)器和輪胎制造等。 4納米阻燃劑的制備 納米阻燃劑多是氧化物(CuO、ZnO、Fe2O3等)和復(fù)合化合物，其制備的方法多采用制備納米粒子的液相法。通常的液相法有：直接沉淀法、溶膠凝膠法、共沉淀法。此外，還有微波合成法、電弧法等。 4.1直接沉淀法 在金屬鹽溶液中加入沉淀劑，在一定條件下生成沉淀析出，將陰離子除去，沉淀經(jīng)洗滌、熱分解等處理可制得超細(xì)產(chǎn)物。選用不同的沉淀劑可得到不同的沉淀產(chǎn)物，常見的沉淀劑為NH3H2O、NaOH、(NH4)2CO3、NaCO3、(NH4)2C2O4等。如王志強(qiáng)等以工業(yè)氯化鎂、氨水為前驅(qū)體，在水乙醇體系下可合成粒度為100

12、nm200nm氫氧化鎂超細(xì)粉體。用氨水從氯化鎂溶液中沉淀出Mg(OH)2，可得到高分散氫氧化鎂。 4.2溶膠凝膠法 易于水解的金屬化合物(無機(jī)鹽或金屬醇鹽)，在某種溶劑中與水發(fā)生反應(yīng)，經(jīng)過水解與縮聚過程逐漸凝膠化，在經(jīng)過干燥燒結(jié)后處理得到所需材料。如尹荔松等將SbCl3粉晶溶于無水乙醇中，磁力攪拌充分溶解后，往溶液中緩慢滴入去離子水，并不斷攪拌即得乳膠狀白色沉淀，然后用水多次傾析，并經(jīng)過濾洗滌，干燥后即得Sb2O3粉末。 4.3共沉淀法 將兩種金屬鹽溶液按化學(xué)式計(jì)量混合，加入一定量的可溶性無機(jī)堿，如NaOH、KOH、NH3H2O等作為沉淀劑，將所得沉淀過濾，用去離子水洗滌數(shù)次以后，將產(chǎn)物于高溫

13、下煅燒可得到最后產(chǎn)物。如以雙羥基復(fù)合金屬鹽氧化物(LDH)為例，稱取一定量的Mg(NO3)26H2O和Al(NO3)39H2O溶于一定量的去離子水中配成混合鹽溶液，另稱取一定量的NaOH和Na3CO3溶于一定量的去離子水中配成混合堿溶液。將兩種溶液在全返混旋轉(zhuǎn)液膜成核反應(yīng)器中迅速混合，劇烈循環(huán)攪拌1min，將漿液于一定溫度下晶化6h，過濾、洗滌、干燥得鎂鋁LDH。 5納米阻燃劑對(duì)飾面型防火涂料性能的改進(jìn) 5.1提高涂料的抗老化性能 納米TiO2、SiO2、ZnO、Fe2O3等粒子添加到涂層中，能明顯提高涂料的抗老化性能。不同波長(zhǎng)的紫外光下納米粒子抗老化機(jī)理有所不同，如：StamatakisP.

14、認(rèn)為納米TiO2衰減長(zhǎng)波紫外線時(shí)，散射起主要作用：納米TiO2衰減短波紫外線時(shí)，吸收起主要作用。而且衰減不同波長(zhǎng)的紫外線，納米粒子的最佳顆粒尺寸是不同的。并據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，利用Laenick，Mitton，Weber公式可計(jì)算不同波長(zhǎng)下TiO2散射紫外光的最佳粒徑(如表1)。納米粒子對(duì)紫外線屏蔽能力的評(píng)估方法有多種，如：紫外線透過率、吸收系數(shù)、紫外線當(dāng)量衰減率以及太陽(yáng)光防護(hù)效果的測(cè)定等。 5.2作為涂料的增強(qiáng)材料 王雪松等利用導(dǎo)靜電納米金屬氧化物顆粒，以水為分散介質(zhì)，選用不同分散助劑和研磨工藝，制備了納米級(jí)導(dǎo)靜電水分散漿料。陳新州利用納米材料作增強(qiáng)劑，用基料、體質(zhì)顏料、助劑和去離子水研制了一種具有

15、獨(dú)特的光催化功能和自潔功能的水性復(fù)合型納米涂料。李錫凱等選用D-M純丙乳液，在外墻涂料加入納米級(jí)TiO2、SiO2等粒子，提高了涂料的抗玷污能力。黃桂平在涂料中加入納米級(jí)材料及成膜助劑等，通過高速攪拌，制得了一種韌性、耐老化、防水等性能均有提高的環(huán)保型外墻納米涂料。李昌龍發(fā)明了一種水溶性環(huán)保納米涂料，原材料主要采用了納米材料，由納米填料，納米殺菌劑，納米顏料配制而成，具有超強(qiáng)自潔、防菌、可有效降解室內(nèi)有害物質(zhì)等功能。 5.3對(duì)飾面型防火涂料進(jìn)行修飾和表面包裹改性為了使納米材料能很好地分散在水性介質(zhì)中，而且具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性，即在長(zhǎng)期的貯存過程中不發(fā)生二次自聚集現(xiàn)象，科技工作者著手研究納米材料的改性問題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在納米材料改性方面做了大量的工作，主要是加入分散劑和表面包裹劑對(duì)其表面進(jìn)行修飾改性。張超燦等采用水溶性有機(jī)硅改性納米SiO2水溶液，在硅烷偶聯(lián)劑WD-30上接枝PEG大分子鏈，使親油和親水基團(tuán)于一體，利用靜電排斥和位阻效應(yīng)解決了納米SiO2的團(tuán)聚現(xiàn)象，制成了水性