鐵系／鉬系抑煙劑對環(huán)氧膨脹型防火涂料生煙特性影響

陳鵬飛 張峰，＊ 王華進

（1.青島科技大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，山東 青島，266042；2.海洋涂料國家重點實驗室，山東 青島，266071）

膨脹型阻燃劑以其優(yōu)良的阻燃、隔熱性能及無鹵、低煙、低毒等特點得到越來越廣泛的研究與應(yīng)用。而環(huán)氧樹脂（EP）則憑借其良好的耐化學(xué)腐蝕性、耐熱性、耐酸堿性、耐候性及絕緣性等，被廣泛用作膨脹型防火涂料的成膜物［1－2］。據(jù)火災(zāi)統(tǒng)計結(jié)果顯示，火災(zāi)死亡人數(shù)中70%～80%死于煙氣中毒。因此，有必要對涂料的生煙特性進行深入研究。

含銻阻燃劑因其良好的阻燃效果而得到廣泛使用，然而三氧化二銻（Sb2O3）在阻燃應(yīng)用時常常作為協(xié)效劑與含鹵素阻燃劑并用，而且單獨使用Sb2O3時，往往會使聚合物釋煙量增加［3］。為克服這些缺點，下面將探究Sb2O3在無鹵膨脹阻燃涂料中的阻燃效果，并通過向涂料中添加二茂鐵（Fc）、三氧化鉬（MoO3）及鉬酸銨（AM），探討這幾種抑煙劑對涂料生煙特性的影響。

1 試驗部分

1.1 主要原料

聚磷酸銨（APP），優(yōu)級純，青島市海大化工有限公司；三聚氰胺（MEL），分析純，上海埃彼化學(xué)試劑有限公司；季戊四醇（PER），分析純，天津市光復(fù)精細化工研究所；二甲苯，分析純，萊陽經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)精細化工廠；EP，E－44，中國石化巴陵石化分公司；聚酰胺（PA），低分子650，鎮(zhèn)江丹寶樹脂有限公司；膨脹石墨（EG），分析純，青島東凱石墨有限公司；Sb2O3，分析純，青島大洋涂料廠；MoO3，F(xiàn)c，AM，分析純，天津巴斯夫化工有限公司。

1.2 主要儀器

錐形磨，QZM，天津市精科材料試驗機廠；錐形量熱儀，標(biāo)準(zhǔn)型，英國FFT公司；塑料煙密度儀，JQSYM－2，東莞市劍喬儀器有限公司。

1.3 配方與工藝

樣品配方如表1所示。

表1 配方 g

膨脹阻燃體系由APP，PER，MEL按5∶3∶2質(zhì)量比混合而成，EG，Sb2O3，AM和Fc質(zhì)量各占阻燃體系的10%；成膜物由EP和PA樹脂按3∶2質(zhì)量比交聯(lián)固化形成，其與膨脹阻燃體系質(zhì)量比為1∶1。

1.4 測試方法

煙密度測試：將規(guī)格為75mm×75mm×2mm的樣品分別在輻射功率為50kW／m2有焰、無焰條件下進行試驗，當(dāng)透過率出現(xiàn)最小值或未出現(xiàn)最小值而試驗已進行到10min時，均再進行2min試驗。

錐形量熱儀測試：將規(guī)格為100mm×100mm×2mm的樣品分別在35和50kW／m22種輻射功率下進行錐形量熱儀測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 Sb2O3對涂料燃燒特性影響

在50kW／m2輻射功率下，對只含EG的樣品及添加Sb2O3的樣品進行錐形量熱儀試驗，通過對比兩者的熱釋放速率（HRR）及總熱釋放速率（THR），探究含Sb2O3涂料的阻燃效果（見圖1）。

由圖1可以發(fā)現(xiàn)，添加Sb2O3的涂料達到峰值HRR的時間（約150s）明顯比只添加EG的涂料達到峰值HRR所用時間（約60s）推遲很多，且兩者HRR峰值相差不大。通過對比二者的點燃時間還可以發(fā)現(xiàn)，添加Sb2O3涂料的點燃時間（77s）比只添加EG涂料的點燃時間（27s）延遲很多。另外，在整個燃燒過程中，只添加EG的涂料總比添加Sb2O3涂料的THR大。由此可見，涂料中添加Sb2O3，可以十分有效地改善涂料的總體阻燃效果。

圖1 2種涂料的HRR及THR

2.2 抑煙劑對涂料靜態(tài)生煙特性影響

通過向含Sb2O3的涂料中繼續(xù)添加抑煙劑，改善涂料的生煙特性。在50kW／m2輻射功率無焰、有焰條件下，對含AM，F(xiàn)c，MoO33種抑煙劑的樣品進行煙密度儀測試，結(jié)果見圖2。

圖2 涂料在不同燃燒條件下的比光密度變化

由圖2可以看出，含F(xiàn)c涂料的比光密度均較小，抑煙效果較為明顯。而含鉬系的2種涂料，在涂料生煙前期（約100s之前），其表現(xiàn)出的抑煙效果均不佳，但當(dāng)涂料比光密度曲線趨于平穩(wěn)后，含鉬系的2種涂料的比光密度均比不含抑煙劑涂料的比光密度小。尤其是含MoO3的涂料，在涂料生煙約150s后，其比光密度曲線有較大下降趨勢。

2.3 抑煙劑對涂料動態(tài)生煙特性影響

在錐形量熱儀測試中，50kW／m2輻射功率條件下，通過分析添加AM，F(xiàn)c及MoO33種抑煙劑樣品的煙釋放速率（SPR）及生煙總量（TSR），探究抑煙劑對涂料動態(tài)生煙特性的影響（見圖3）。

由圖3可知，含MoO3的涂料，其生煙過程主要集中在燃燒前期，在燃燒50s左右即可達到SPR峰值，同時該涂料的生煙時間明顯比其他3種涂料短，且涂料最終的TSR僅為另外3種涂料的50%左右。而含F(xiàn)c的涂料，其在燃燒前期表現(xiàn)的抑煙效果較為明顯，在涂料燃燒后約110s內(nèi)，其SPR較其他3種涂料都要低；然而在燃燒后期，其SPR和TSR均比其他3種涂料大。而含AM的涂料，只在燃燒的后期才表現(xiàn)出其抑煙效果。

圖3 涂料的動態(tài)生煙情況

3 結(jié)論

a） Sb2O3在膨脹阻燃涂料中有效推遲達到峰值HRR的時間，同時降低燃燒過程中的THR。

b） MoO3有效縮短涂料生煙時間，減少涂料的TSR，很好地控制了涂料的后期生煙過程。

c） 無論是靜態(tài)生煙過程還是動態(tài)生煙過程，含F(xiàn)c的涂料在燃燒前期均呈較低的生煙水平。因此，F(xiàn)c能有效抑制涂料的前期生煙。

d） AM對燃燒后期的生煙過程有較好的抑制作用。

［1］ Qian L J，Ye L J，Qiu Y，et al.Thermal degradation behavior of the compound containing phosphaphenanthrene and phosphazene groups and its flame retardant mechanism on epoxy resin［J］.Polymer，2011，52：5486－5493.

［2］ Morgan A B，Gilman J W.An overview of flame retardancy of polymeric materials：application，technology，and future directions［J］.Fire and Materials，2013，37：259－279.

［3］ 張軍，紀(jì)奎江，夏延致.聚合物燃燒與阻燃技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：72－73.