水性聚氨酯阻燃涂料燃烧试验研究

２００９年１月第１２卷第１期现代涂科与涿装

ＭｏｄｅｍＰａｉｎｔ＆Ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ

Ｊａｎ．２００９

Ｖ０１．１２Ｎｏ．１

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水性聚氨酯阻燃涂料燃烧试验研究孙家琛，殷锦捷（辽宁工程技术大学材料系，辽宁阜新１２３０００）

摘要：对水性聚氨酯涂料的阻燃性能进行了研究。选用不同的阻燃体系对水性聚氨酯涂料进行改性，得到不同类型的水性聚氨酯阻燃涂料，使其防火隔热的效果大大增强，对不同阻燃体系的性能进行比较分析，得出最佳的体系和最好的配比。关键词：水性涂料；阻燃涂料；聚氨酯涂料

中图分类号：ＴＱ６３７．８文献标识码：Ａ文章编号：１００７—９５４８（２００９）０１—０００１—０３

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１引言阻燃涂料有膨胀型和非膨胀型２种：非膨胀型阻燃涂料的作用机理是涂层本身不燃或难燃，在高温下释放出不可燃气体，以冲淡氧气或可燃气体，高温下形成致密的釉膜层，能有效地隔绝氧气，并在一定的时间内有一定的隔热作用…；膨胀型阻燃涂料的作用机理主要是在火焰或高温下［２１，体系中的酸源、碳源和气源与熔体相互作用膨胀而形成具有隔热、隔质作用的多孔状碳阻挡层，能有效地阻止火焰的传播，从而使基材免于进一步降解或燃烧，获得良好的阻燃效果口】。本文主要是对水性聚氨酯涂料的阻燃体系进行研究，主要研究膨胀型和非膨胀型阻燃体系的性能差别。试验中膨胀型体系选择ＡＰＰ（聚磷酸铵）一ＰＥＲ（季戊四醇）一ＭＥＬ（三聚氰胺）复合膨胀阻燃体系‘４１，该体系具有较好的性能，已被广泛应用，但该体系也有不足，在耐候性、耐热氧化性方面有待改进；非膨胀型体系选用Ｍｇ（ＯＨ）：／ＡＩ（ＯＨ），，其中Ｍｇ（ＯＨ）：具有高耐燃性、抑烟性等特点。２试验部分２．１原材料原材料：水性聚氨酯乳液（ＷＰＵ），广东茂名石化有限公司；流平剂、消泡剂，沈阳迪高；ＡＰＰ、ＰＥＲ、ＭＥＬ，上海旭森非卤消烟阻燃剂有限公司；Ｍｇ（ＯＨ）：，天津市北方天医化学试剂厂；ＡＩ（ＯＨ），，沈阳试剂二厂；二氧化钛，沈阳试剂二厂。２．２制备方法（１）膨胀型水性聚氨酯阻燃涂料的制备在恒温水浴锅中，先将蒸馏水加入烧杯中预热，然后在低速搅拌下依次加入ＰＥＲ、ＡＰＰ、ＭＥＬ及ＴｉＯｚ等原料，加完后提高搅拌速率，使各个组分均匀分散。加入部分水性聚氨酯乳液，调浆。最后用锥形磨研磨至细度小于７０¨ｍ，加入剩余的乳液及０．０５％的消泡剂和０．１％的流平剂，继续高速搅拌分散均匀，用蒸馏水调固体含量为５０％，制备成膨胀型水性聚氨酯阻燃涂料。（２）非膨胀型水性聚氨酯阻燃涂料的制备在６０℃的恒温水浴锅中，先将蒸馏水预热，然后加入Ｍｇ（ＯＨ）：、ＡＩ（ＯＨ），及其它助剂进行搅拌，使其均匀分散，加入水性聚氨酯乳液，高速搅拌，分散均匀后出料，制得非膨胀型水性聚氨酯阻燃涂料。２．３测试方法正交试验：以３０ｍＬ水性聚氨酯为基料，加入占

基料量５０％的ＡＰＰ、ＭＥＬ、ＰＥＲ混合物，根据数理统计中的１，９（３３）正交试验表，设定因素水平（见表１），依此

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建立正交试验方案（见表２）。表１因素水平

表２膨胀型阻燃体系各配比的试验结果

阻燃性测试：参考ＧＢ１５４４２．２一１９９５中的大板燃烧法，使用酒精灯对涂覆过阻燃涂料的木板（１０ｃｍｘ

１０ｃｍ）进行灼烧。灼烧时，以酒精灯火焰外焰接触涂料板为标准。用秒表来记录胶合板烧穿的时间。３结果与讨论３．１膨胀体系的燃烧试验分析按预定的研究方案对ＡＰＰ—ＰＥＲ—ＭＥＬ膨胀阻燃体系进行正交试验，并通过大板燃烧法测定碳化时间，测试结果见表２，ＡＰＰ、ＰＥＲ、ＭＥＬ各组分对膨胀阻燃体系效果的影响见图１—３。

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１．４１．６１．８２．０２．２２．４２．６２．８３．０３．２ＰＥＲ／ｇ

图１ＰＥＲ含量对阻燃效果的影响

由图１可以看出，当ＰＥＲ的含量从１．５０ｇ增加到２．２５ｇ时，碳化时间由３９８

ｓ增加到了４２９ｓ，并且涂层的发泡效果也越来越明显，但是随着ＰＥＲ含量的继续增加碳化时间下降到了４１１ｓ，涂层的膨胀效果也变得不理想。ＰＥＲ作为成碳剂加入到阻燃体系中，在脱水２剂的催化作用下发生分解，形成具有三维空间结构的不易燃烧的泡沫状碳化层，并对泡沫状碳化层起骨架支撑作用¨】。当加入量为１．５０ｇ时，不能形成完整的碳泡沫层，阻燃效果不好；当加入量达到２．２５ｇ时，由于加入的量过多，抑制了碳泡沫层的膨胀高度，使碳层结构致密，降低了它的阻隔效率；所以本次试验选择ＰＥＲ含量为２．２５ｇ作为最佳的添加量，因为由正交试验可以看出，ＰＥＲ含量为２．２５ｇ时，膨胀效果最为完善，阻燃效果也是最好的。｛厘苫篁柩｛厘翟曾穆４．４４．６４．８５．０５．２５．４５．６５．８６．０６．２ＭＥＬ／ｇ图２ＭＥＬ含量对阻燃效果的影响ＡＰＰ／ｇ图３ＡＰＰ含量对阻燃效果的影响从表２和图２可知，发泡剂ＭＥＬ的加入量由４．５０ｇ增加到５．２５ｇ时，涂刷试样的碳化时间由４５１ｓ下降到了３９６ｓ，发泡剂从５．２５ｇ增加到６．００ｇ时，碳化时间从３９６ｓ减少到了３８１８，这是因为发泡剂受热发生分解，产生不燃气体，如ＮＨ，、Ｈ：Ｏ等，隔绝了空气中的氧气，阻止了火焰燃烧的必要条件，并使涂层膨胀发泡，形成泡沫状碳层，降低热量传递。但是发泡剂必须与成碳剂、脱水剂按一定比例添加使用才能发挥最大的阻燃效果１５“】，否则，将降低阻燃性能，所以发泡剂的最佳使用量为４．５０ｇ。从表２和图３可以看出，当膨胀体系中ＡＰＰ的含

量由９．００ｇ下降到７．５０ｇ时，试样碳化时间由４１３ｓ

增加到了４１７ｓ，随着ＡＰＰ继续由７．５０ｇ降到６．００

ｇ

时，碳化时间却由４１７ｓ降到４０７ｓ，阻燃效果下降了。

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这是因为ＡＰＰ在膨胀体系中起催化脱水剂作用，在比成碳剂低的温度下分解，生成聚磷酸强脱水剂，促使有机物表面脱水生成碳化物，并且生成非挥发性磷的氧化物及聚磷酸对基材表面进行覆盖，聚磷酸铵由于同时含有氮、氢等元素，受热时释放出ＣＯ：、Ｎ２、ＮＨ，等气体，从而隔绝氧气，实现了协同阻燃增效的目的，同时氮的增效和协同作用使该膨胀阻燃体系具有良好的抑烟效果ｎ１。虽然ＡＰＰ有优良的阻燃性能，但是也必须与ＰＥＲ及ＭＥＬ配合，才能发挥其最大的功效。由图３可以看出，当ＡＰＰ含量为９．００ｇ时，由于其含量过高，分

解时生成的酸和气体过多，使碳的泡沫层不能建立完善，并破坏泡沫层，所以当添加量减小时阻燃效果变好；含量过少时，由于ＡＰＰ分解的酸不足以使碳化剂ＰＥＲ完全碳化而形成支撑骨架，所以当ＡＰＰ由７．５０ｇ降到６．００ｇ时，阻燃效果下降了。所以在膨胀型阻燃体系中ＡＰＰ的添加量确定为７．５０ｇ。由上面的分析获得，ＡＰＰ—ＭＥＬ—ＰＥＲ膨胀型阻燃体系的各组分的添加量如下：ＰＥＲ为２．２５ｇ、ＭＥＬ为４．５０ｇ、ＡＰＰ为７．５０ｇ，即正交试验中的ＡｚＢｔＣ：，在这种配比下膨胀阻燃体系中的各组分能充分发挥协同作用，发挥最好的阻燃性能。３．２非膨胀型阻燃体系燃烧试验分析按照研究的方案对非膨胀型阻燃体系的配方进行试验，采用大板燃烧法测试碳化时间，检测结果见表３，Ｍｇ（ＯＨ）：／Ａ１（ＯＨ），阻燃剂的加入量对阻燃性能的影响见图４。当阻燃剂的含量从６．００ｇ增加到７．５０ｇ时，碳化时间由１０２ｓ增加到了１２３ｓ，抑烟效果也明显变好，而阻燃剂从７．５０ｇ增加到９．００ｇ时，碳化时间只从１２３ｓ增加到１２９ｓ，增加的量少，虽然阻燃效果还是有所增加但是变得不明显了。这是由Ｍｇ（ＯＨ）ｚ／Ａ１（ＯＨ），阻燃剂的阻燃机理造成的，Ｍｇ（ＯＨ）：／ＡＩ（ＯＨ），受热分解放出的水气吸收大量热量，从而降低材料的表面温度，减缓聚合物的分解速率，并且分解后的ＭｇＯ和ＡＩｚＯ，在材料的表面形成碳化保护层，阻止氧气和热量的进入，从而起到保护基材的作用ｔｓ】。当阻燃剂从６．００ｇ增加到７．５０ｇ时，碳化保护层大量增加并基本完善，所以当继续增加阻燃剂时，阻燃效果变得不明显。表３非膨胀型水性聚氨酯阻燃涂料试验结果｛厘鲁篁崔阻燃剂含量／ｇ图４阻燃剂含量对碳化时间的影响４结语（１）在ＡＰＰ—ＭＥＬ—ＰＥＲ膨胀型阻燃体系中，ＡＰＰ、ＭＥＬ、ＰＥＲ三者存在最佳的配比，通过Ｌ（３３）正交试验，得出阻燃性能最好的配比为：水性聚氨酯为１２５份，ＡＰＰ为３０份，ＭＥＬ为１８份，ＰＥＲ为９份。（２）ＡＰＰ—ＭＥＬ—ＰＥＲ膨胀型阻燃体系比Ｍｇ（ＯＨ）ｚ／ＡＩ（ＯＨ），非膨胀型阻燃体系对水性聚氨酯涂料的阻燃效果要好。ＡＰＰ—ＭＥＬ—ＰＥＲ膨胀型阻燃体系添加量为５０％时碳化时间为２６３ｓ，而同样添加量的Ｍｇ（ＯＨ）ｚ／

ＡＩ（ＯＨ），体系仅为１２３ｓ，前者比后者的碳化时间几乎提高了１倍。

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