阻燃涂料又稱防火涂料，是指涂覆于可燃性基材表面，能降低被涂材料表面的可燃性以阻止火災(zāi)迅速蔓延，或是涂覆于結(jié)構(gòu)材料表面以用于提高結(jié)構(gòu)耐火極限的一類物質(zhì)。

      隨著水性聚氨酯乳液在涂料行業(yè)的廣泛應(yīng)用，人們更多地關(guān)注一些高性能或環(huán)保安全型產(chǎn)品的研究及開發(fā)。近年來，水性膨脹型阻燃涂料研究較多，尤其是水性聚氨酯膨脹型阻燃涂料。

1 水性聚氨酯阻燃涂料概述

1.1 涂料的分類

      根據(jù)阻燃涂料的燃燒特性，可以將其分為膨脹型阻燃涂料和非膨脹型阻燃涂料。非膨脹型阻燃涂料，又叫防火隔熱涂料，多為蛭石水泥系、礦纖維水泥系、氫氧化鎂水泥系等無機(jī)體系，涂層厚度一般為 8～50 mm，耐火極限可達(dá) 30～180 min。膨脹型阻燃涂料一般由基料(成膜物質(zhì))、發(fā)泡劑、成炭劑、脫水劑及助劑組成。膨脹型阻燃涂料具有燃燒時(shí)產(chǎn)煙少、無毒、阻燃效果好等優(yōu)點(diǎn)，且涂層薄、裝飾性能優(yōu)良，故具有更高的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。APP(聚磷酸銨)-PER(季戊四醇)-MEL(三聚氰胺)復(fù)合體系是常用的一種膨脹阻燃體系，在水性聚氨酯涂料中得到廣泛的應(yīng)用。

1.2 阻燃涂料的作用機(jī)理

1.2.1 非膨脹型阻燃涂料的作用機(jī)理

      涂層本身不燃或難燃，在高溫下釋放出不可燃?xì)怏w，以沖淡氧氣或可燃?xì)怏w，高溫下形成致密的釉膜層，能有效地隔絕氧氣，并在一定時(shí)間內(nèi)有一定的隔熱作用。

1.2.2 膨脹型阻燃涂料的作用機(jī)理

       膨脹型阻燃涂料出現(xiàn)于 20 世紀(jì) 30 年代，一般分為化學(xué)膨脹型和物理膨脹型兩種。涂層在受熱達(dá)到一定溫度后，涂料表面的薄膜熔融，并起泡隆起，形成海綿狀隔熱層，可有效地阻擋火焰對(duì)基材的熱傳導(dǎo)和熱輻射。涂料在起泡隆起的同時(shí)釋放并在海綿狀發(fā)泡體的空隙中充滿惰性或阻燃性氣體，可有效抑制火焰燃燒。它是目前應(yīng)用比較廣泛的無鹵阻燃涂料。

(1) 物理膨脹型機(jī)理

      該阻燃體系是由酸源、炭源、氣源三個(gè)基本組分構(gòu)成。其阻燃機(jī)理為：在受熱或火焰作用下，酸源、炭源和氣源發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，酸源使炭源脫水成酯，酯分解、交聯(lián)形成熔體，氣源與熔體作用膨脹生成具有隔熱、隔氧功能的多孔狀炭阻擋層，或者可阻止火焰的傳播，使基材免于進(jìn)一步降解、燃燒，從而獲得良好的阻燃效果。與傳統(tǒng)膨脹型阻燃體系相比，化學(xué)膨脹型阻燃體系具有阻燃效率高、無熔融滴落物、低煙、無毒、無腐蝕氣體釋放等優(yōu)點(diǎn)，符合環(huán)境友好阻燃體系的要求，是當(dāng)今無鹵阻燃材料的發(fā)展方向之一。

(2) 化學(xué)膨脹型機(jī)理

      在加熱或火焰的作用下，通過阻燃劑自身的物理膨脹(而不是組分間的化學(xué)作用)在材料表面形成具有隔熱、隔氧作用的膨脹層，一方面可以減少輻射到被阻燃基材的熱量，降低表面溫度，抑制或組織基材的進(jìn)一步降解或燃燒，另一方面可以減少熱降解產(chǎn)生的可燃性產(chǎn)物與氧氣在氣固相的擴(kuò)散，抑制或阻止火焰的進(jìn)一步傳播。

1.3 水性聚氨酯阻燃涂料的制備方法

      阻燃涂料的關(guān)鍵是阻燃劑，根據(jù)阻燃劑在水性聚氨酯乳液中不同的存在方式，可以將水性聚氨酯阻燃涂料的合成方法分為共混復(fù)配法和軟硬段改性法。共混復(fù)配法主要是以水性聚氨酯為基料，通過加入相關(guān)的阻燃劑、改性劑等輔料，使水性聚氨酯乳膠粒對(duì)阻燃成分進(jìn)行吸附和包裹合成膨脹型阻燃水性聚氨酯乳液，從而得到所需性能的水性聚氨酯涂料。制備了環(huán)保型高性能阻燃聚氨酯合成革，以水性聚氨酯為原料，磷化物耐久可塑劑為阻燃劑，配以改性劑、分散劑等輔料組成，其阻燃值大大優(yōu)于 EN71-2 垂直燃燒指標(biāo)要求。采用阻燃水性聚氨酯涂層膠HT-11系列、滲透劑 JFC、三聚氰胺樹脂等對(duì)厚重牛津帳篷布后整理，獲得了良好的防水、阻燃、耐洗等性能。軟硬段改性法是指分別對(duì)水性聚氨酯的軟段和硬段進(jìn)行阻燃改性，將阻燃元素作為反應(yīng)單體，最后成為水性聚氨酯結(jié)構(gòu)單元的一部分。例如在 WPU 分子中引入含鹵素、N、P 等的基團(tuán)可提高 WPU 的阻燃性，還可以通過添加有機(jī)硅低聚物改性 WPU 使其熱穩(wěn)定性有較大的提高。軟段阻燃改性通常是先將反應(yīng)型阻燃劑與其他試劑合成出帶有阻燃元素的大分子聚醚多元醇或聚酯多元醇，再與異氰酸酯反應(yīng)，最終得到阻燃水性聚氨酯乳液。用含磷、鹵素阻燃聚醚多元醇代替部分 PPG，與 IPDI 反應(yīng)，再用亞硫酸氫鈉對(duì) NCO 基團(tuán)封端，得到封端型的水性聚氨酯，然后對(duì)純棉織物和滌綸織物進(jìn)行阻燃整理，整理劑用量為 60g/L 時(shí)，皂洗前可達(dá)到 GB/T 5455—1997《紡織品 燃燒性能試驗(yàn) 垂直》中 B1 標(biāo)準(zhǔn)。硬段阻燃改性是將阻燃劑作為擴(kuò)鏈劑或固化劑引入到水性聚氨酯中，即阻燃成分直接以小分子的形式嵌到聚氨酯中。利用擴(kuò)鏈反應(yīng)，將阻燃劑雙(4-胺基苯)苯氧化磷(BAPPO)引入帶水性聚氨酯分子中，BAPPO 含有兩個(gè)氨基，可用來替代 EDA 進(jìn)行擴(kuò)鏈。無 BAPPO 的水性聚氨酯膜的氧指數(shù)為 24%，而加入BAPPO 的水性聚氨酯膜的氧指數(shù)為 27%，因此阻燃性能較好。

2 水性聚氨酯膨脹型阻燃涂料

2.1 水性聚氨酯膨脹型阻燃涂料的組成

      該種涂料由基料樹脂、催化脫水劑、成炭劑、發(fā)泡劑以及填料和助劑等組成，影響性能的主要是基料及阻燃添加劑。其中基料樹脂為改性或未改性的水性聚氨酯，其他主要組分及其作用見表 1。

2.2 各組分的選擇準(zhǔn)則及其對(duì)阻燃性能的影響

      為了使阻燃體系與基料相作用達(dá)到優(yōu)良的阻燃效果，各組分需要滿足一定的條件。(1) 為了具有實(shí)用性，酸源必須能夠使含碳多元醇脫水。而在火災(zāi)發(fā)生前，不希望脫水反應(yīng)發(fā)生，所以常用的酸源都是鹽或酯，酸源釋放酸必須在較低的溫度進(jìn)行，尤其應(yīng)低于多元醇的分解溫度。(2)炭源的有效性與碳含量和活性羥基的數(shù)量有關(guān)。炭源應(yīng)在其本身或集體分解前的較低溫度下與催化劑反應(yīng)。例如，纖維素可用作膨脹炭源，但它不能用于保護(hù)纖維素基體，因?yàn)閮烧叩姆纸鉁囟认嘟?3) 氣源必須在適當(dāng)?shù)臏囟确纸?，并釋放出大量氣體。發(fā)泡應(yīng)在熔化后和固化前發(fā)生。適當(dāng)?shù)臏囟扰c體系有關(guān)。反應(yīng)發(fā)生的溫度也很重要，例如磷酸鐵和聚磷酸銨很相似，但磷酸鐵的分解溫度低，可使淀粉脫水，而聚磷酸銨適合與季戊四醇反應(yīng)發(fā)生脫水反應(yīng)。不同組分物質(zhì)所構(gòu)成的阻燃體系的阻燃性能存在著較大的差異。一直以來，有關(guān)膨脹型阻燃劑的研究很多，其中阻燃效果的研究是個(gè)熱點(diǎn)。以下主要結(jié)合近年來相關(guān)的研究文獻(xiàn)，探討一下不同組分對(duì)阻燃性能的影響。通常使用的成炭劑的炭化效果差，成炭量少，炭層質(zhì)量差，影響阻燃體系的阻燃效果，為此可以合成新型成炭劑以提高阻燃性能。合成了一種新型成炭劑，將其和聚磷酸銨(APP)復(fù)配構(gòu)成膨脹型阻燃體系，應(yīng)用到聚氨酯涂料中，所得防火阻燃體系具有良好的阻燃、抑煙性能。以磷酸脒基脲(GUP)-聚磷酸銨(APP)-季戊四醇(PER)-三聚氰胺(MEL)為膨脹阻燃體系，制得膨脹型水性氨基樹脂阻燃涂料，經(jīng)錐形量熱儀和熱重分析證明，所得阻燃涂料成炭性好，阻燃效果明顯，點(diǎn)燃時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 7 min，超過市售膨脹型阻燃涂料的 2.5 倍，抑制紅熱燃燒效果顯著，且抑煙效果明顯。

      發(fā)泡層越厚，發(fā)揮的防火作用越大，阻燃劑氫氧化鋁與膨脹型阻燃體系復(fù)配，使所形成的涂膜具有較厚的厚度，以使在遇火受熱時(shí)有更厚的發(fā)泡層，阻燃效果更好。用炭化劑季戊四醇、催化劑磷酸二氫銨、發(fā)泡劑雙氰胺按 2.8∶1.0∶6.2 的質(zhì)量比混合，加入液體石蠟溶解，再?gòu)?fù)配氫氧化鋁無機(jī)阻燃劑，并使之混溶于防水涂料中，得到木材膨脹阻燃涂料，當(dāng)膜厚為 2 mm 可達(dá)到較好的阻燃效果。

      阻燃協(xié)效劑具有增強(qiáng)阻燃性能的作用，將其與膨脹型阻燃體系協(xié)同作用，阻燃效果更加顯著。以多聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇為膨脹阻燃劑，埃洛石納米管(HNTs)為阻燃協(xié)效劑，制備了水性超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，結(jié)果表明：HNTs 對(duì)防火涂料的耐火性能影響顯著，當(dāng)阻燃體系中 HNTs 含量為 10.86%時(shí)，HNTs 與膨脹型阻燃劑之間有阻燃增效作用，耐火性能優(yōu)異。除此之外，集酸源、炭源和氣源于一身的“三位一體”的單體膨脹型阻燃劑，因可避免配比誤差引起的阻燃效果下降問題，且具有無鹵、高效、低煙等優(yōu)點(diǎn)，已成為近年來無鹵阻燃劑研究的熱點(diǎn)，尤其是磷氮膨脹型阻燃劑。以新戊二醇、三氯氧磷及咪唑衍生物等為原料，合成了新型單組分磷氮膨脹阻燃劑，熱分析表明，目標(biāo)產(chǎn)物具有較高的熱穩(wěn)定性和良好的成炭性，對(duì)控制火焰?zhèn)鞑シ浅Ｓ欣?br />

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