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納米阻燃劑在飾面型防火涂料中的應用

作者：建筑鋼結構網    
時間：2010-09-01 14:11:57 [收藏]
    提要：納米級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三氧化二銻有了數量級的提高。聚合物/層狀無機物納米復合材料具有比傳...
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        提要：納米級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三氧化二銻有了數量級的提高。聚合物/層狀無機物納米復合材料具有比傳統填充材料優異得多的力學性能、熱性能、阻燃性能、各向異性等。

        來源：中國涂料助劑網

        隨著社會的發展和物質財富的不斷增加，人們的生活和工作條件日益改善，建筑物外部及室內裝飾材料廣泛采用涂飾技術，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。當它涂覆于可燃基材表面時，平時可起到一定的裝飾作用，一旦發生火災則能夠阻止火勢蔓延，達到保護基材，使人們有足夠時間離開火場和組織搶救的目的。但是在飾面型防火涂料的質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值和現實意義。

        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質涂料，配合無機顏料而成的完全不燃性防火涂料，其特點是在發生火災時，不產生煙及分解氣體，耐熱性良好，表面硬度高，耐候性優良，易著色，缺點是難以施工，對底材的附著性、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，起不到應有的防火作用。涂覆處理不到位主要有兩種情況：①應該涂覆的部位未進行涂覆；②涂覆量不足。在對裝修工程驗收時，經常發現許多木質裝修材料未經防火處理，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用太少。與電纜防火、鋼結構防火涂料不同，飾面型防火涂料中的透明防火涂料的應用遠遠不夠，即便是在國外也很少有完全成熟的產品，涂料體系的穩定性較差。目前在市場上還沒有使用壽命超過3年的產品。

        1.2.3防火涂料質量參差不齊，無法保證防火效果。飾面型防火涂料由于其生產工藝簡單，設備要求低，而且有成熟的配方，門檻低、生產廠家比較多。由于企業的規模小，檔次低，真正的質量管理體系大多沒有建立。許多企業缺乏必要的原材料和成品檢驗手段，缺少經過專門培訓的專業檢驗人員，因此防火涂料的質量很不穩定。從國家防火建筑材料質量監督檢驗中心多年來對全國飾面型防火涂料的質量抽查情況來看，合格率基本都在50%~60%，可看出這一問題的嚴重性。

        2?飾面型防火涂料的阻燃機理

        固態物質在空氣中燃燒一般可分為3個階段：①物質受熱分解產生可燃性氣體產物；②可燃氣體在空氣中燃燒；③燃燒產生的部分熱量使固態物質或熔融態物質繼續分解，并使燃燒繼續。阻燃機理的目的就是使上述3個階段中的一個或者數個終止。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。要實現涂層自身的難燃或不燃，可以把阻燃元素連接到有機高聚物分子中去，實現成膜物質的難燃化；或可以添加不燃性添加劑到涂料中去，增強涂料的難燃性；也可以采用不燃性的無機黏合劑作為涂層的成膜物質來實現涂層的不燃性。

        提要：納米級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三氧化二銻有了數量級的提高。聚合物/層狀無機物納米復合材料具有比傳統填充材料優異得多的力學性能、熱性能、阻燃性能、各向異性等。

        2.1非膨脹型防火涂料的阻燃機理

        非膨脹型防火涂料主要通過兩條途徑發揮防火作用：①是涂層自身的難燃性或不燃性；②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)以沖淡空氣中氧氣的濃度，并形成結構致密的不燃性“釉質層”，達到隔絕空氣的目的。此過程是吸熱反應，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物或中空微球材料成膜時形成熱導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，涂層劇烈發泡炭化，形成一個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基材的直接加熱，起到阻燃作用。涂層炭化膨脹時，涂層厚度增大幾十倍甚至上百倍，而涂層的導熱系數卻在下降，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，使基材得以較好的保護。從宏觀上看，炭質層的形成對防火作用有4個方面的貢獻：①隔斷火焰對底材的直接加熱；②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、蒸發和炭化等化學作用將吸收大量的熱量；③隔絕底材和空氣的接觸；④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異。

        3?納米阻燃劑的優點

        研究中發現，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，如果采用納米技術對高分子材料進行阻燃處理，可以實現難燃性和自息性。目前，使用的阻燃劑大多數為無機阻燃劑，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，會引起聚合物的加工工藝及產品性能發生改變，特別是對模塑產品、擠型產品和薄膜產品的表面光潔度影響較大，故需要使所有添加型無機阻燃劑的粒度超細化。像目前使用最多的一種添加型阻燃劑三氧化二銻，其顆粒大小和形態對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，只有當三氧化二銻的粒度處于納米量級時才會使其本身具有較大的比表面積，對織物的滲透性大，黏附力高，具有很強的耐洗牢度，阻燃效果也非常明顯。

        超細化的阻燃劑可以改善材料的力學性能，減少阻燃劑的用量，滿足工藝要求。

        納米級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三氧化二銻有了數量級的提高。尤其重要的是由于納米級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阻燃納米復合材料

        盡管使用超細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，添加阻燃劑后會影響聚合物的機械性能，還會造成一定的環境影響。因此，研究并使用聚合物/層狀無機物納米復合材料將能同時滿足上述要求并具有較好的阻燃性能。納米復合材料實際上是將材料中的一個或多個以納米尺寸或分子水平均勻分散在另一組分的基體中。據國外資料報道，由于這樣處理后的材料存在超細的尺寸，所以其性質比其相應的宏觀或微米級復合材料均有較大的改善。目前在實驗室已經制備出納米級環氧樹脂、聚苯乙烯、聚丙烯、尼龍-6、丙烯酸等復合材料。如尼龍-6/蒙脫土(4.2%)納米復合材料的拉伸強度比純尼龍-6增強50%，玻璃化溫度比純尼龍-6提高約90℃；同時熱釋放效率也比純尼龍-6要低得很多。

        聚合物/層狀無機物納米復合材料具有比傳統填充材料優異得多的力學性能、熱性能、阻燃性能、各向異性等。國外已將聚合物/層狀無機物納米復合材料用于制造汽車發動機的配件，并準備應用于飛機內部材料、燃料艙、電子或電氣部件、護罩內的結構部件、制動器和輪胎制造等。

        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，沉淀經洗滌、熱分解等處理可制得超細產物。選用不同的沉淀劑可得到不同的沉淀產物，常見的沉淀劑為NH3?H2O、NaOH、(NH4)2CO3、NaCO3、(NH4)2C2O4等。如王志強等以工業氯化鎂、氨水為前驅體，在水?乙醇體系下可合成粒度為100nm~200nm氫氧化鎂超細粉體。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(無機鹽或金屬醇鹽)，在某種溶劑中與水發生反應，經過水解與縮聚過程逐漸凝膠化，在經過干燥燒結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式計量混合，加入一定量的可溶性無機堿，如NaOH、KOH、NH3?H2O等作為沉淀劑，將所得沉淀過濾，用去離子水洗滌數次以后，將產物于高溫下煅燒可得到最后產物。如以雙羥基復合金屬鹽氧化物(LDH)為例，稱取一定量的Mg(NO3)2?6H2O和Al(NO3)3?9H2O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液膜成核反應器中迅速混合，劇烈循環攪拌1min，將漿液于一定溫度下晶化6h，過濾、洗滌、干燥得鎂鋁LDH。

        提要：納米級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三氧化二銻有了數量級的提高。聚合物/層狀無機物納米復合材料具有比傳統填充材料優異得多的力學性能、熱性能、阻燃性能、各向異性等。

        5?納米阻燃劑對飾面型防火涂料性能的改進

        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。不同波長的紫外光下納米粒子抗老化機理有所不同，如：StamatakisP.認為納米TiO2衰減長波紫外線時，散射起主要作用：納米TiO2衰減短波紫外線時，吸收起主要作用。而且衰減不同波長的紫外線，納米粒子的最佳顆粒尺寸是不同的。并據文獻報道，利用Laenick，Mitton，Weber公式可計算不同波長下TiO2散射紫外光的最佳粒徑(如表1)。納米粒子對紫外線屏蔽能力的評估方法有多種，如：紫外線透過率、吸收系數、紫外線當量衰減率以及太陽光防護效果的測定等。

        5.2作為涂料的增強材料

        王雪松等利用導靜電納米金屬氧化物顆粒，以水為分散介質，選用不同分散助劑和研磨工藝，制備了納米級導靜電水分散漿料。陳新州利用納米材料作增強劑，用基料、體質顏料、助劑和去離子水研制了一種具有獨特的光催化功能和自潔功能的水性復合型納米涂料。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保型外墻納米涂料。李昌龍發明了一種水溶性環保納米涂料，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，具有超強自潔、防菌、可有效降解室內有害物質等功能。

        5.3對飾面型防火涂料進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中，而且具有長期穩定性，即在長期的貯存過程中不發生二次自聚集現象，科技工作者著手研究納米材料的改性問題。國內外學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其表面進行修飾改性。張超燦等采用水溶性有機硅改性納米SiO2水溶液，在硅烷偶聯劑WD-30上接枝PEG大分子鏈，使親油和親水基團于一體，利用靜電排斥和位阻效應解決了納米SiO2的團聚現象，制成了水性納米外墻涂料，大大提高了其耐玷污能力在納米材料的表面包裹方面的研究中，Ohmori等借助正硅酸乙酯水解在Fe2O3表面均勻包覆了一層SiO2，有效地抑制了納米Fe2O3的團聚。林玉蘭等采用鈦酸酯偶聯劑、硅烷偶聯劑對硅鋁雙層包覆后的亞微米TiO2進行了改性，使TiO2顆粒由親水性變為疏水性。

        6?結論

        綜上所述，飾面型防火涂料在使用過程中存在著性價比、貯存性、耐水性、涂覆處理、透明度和質量方面的問題。對納米材料進行修飾和表面包裹后作增強材料能提高涂料的抗玷污性、韌性、耐老化、防水等性能。
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