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热分析技术在膨胀型防火涂料研究中的应用
时间:2020-05-30 14:30 点击次数:

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作者:陈豹jeep

摘要:通过热分析技术对膨胀型防火材料的分析,研究它们的热分解过程及其相互作用的情况,探讨其阻燃机理,以便为阻燃剂配方的合理选择提供依据。 
关键词:热分析技术  膨胀型防火材料 阻燃剂 
前言:作为重要的功能涂料,优质防火涂料的研制是目前涂料科学界较为热门的研究课题之一。膨胀型防火涂料的膨胀发泡与膨胀体系中各组分受热的变化特性有着及其重要的关系,为了获得良好的膨胀发泡隔热火层,使用于体系的各有关组分必须在特定温度范围内同时发生反应,以达到各相关组分在涂层的膨胀发泡时协同作用。这是膨胀型防火涂料研究中最重要和最关键的技术问题。解决这一技术问题时如果不借助热分析技术手段,技术人员通常需要花费大量的时间进行配方、涂刷和耐火试验,是一个相当繁重的工作,需要耗费大量的人力和财力资源。完成一次比较完整和有代表作用的耐火性能试验需要二十天左右。根据膨胀防火涂料的防火原理,利用热分析手段与实际的试验工作相结合的办法开展膨胀型防火涂料的研究工作,可以避免人力物力的浪费,节约时间,提高工作效率。

1、膨胀型防火涂料的特性概述 

防火涂料属于涂料中特殊品种,膨胀型防火涂料又是防火涂料中的特殊品种,防火涂料与普通涂料的主要区别是必须在遇到火灾时能发挥隔热防火的作用,也就是体系中必须含有在遇到火灾高温时起到隔热防火的隔热防火成分。隔热型防火涂料体系中含有大量的隔热防火成分,膨胀型防火涂料的隔热防火则是通过受到火灾时体系自身膨胀发泡形成隔热防火的炭质泡沫层。膨胀型防火涂料通常由基料、防火助剂(包括脱水剂、成炭剂、产气剂)、膨胀调节剂、颜料、助剂、稀释剂(或称溶剂)等组成[1]。 

2、膨胀型防火涂料的防火原理

膨胀型防火涂料属发泡型,主要由酸源,炭源和发泡剂等组成,遇火或高温时,在上述三种主要成分的协同作用下,涂层可急速膨胀几十倍成泡沫状炭化层,从而有效地阻止底材着火,可用于防火等级高的场所。膨胀型防火涂料主要是凝聚相起作用,在材料受热时,聚合物阻燃体系形成一层蓬松多孔的炭层,从而起到隔热、隔氧的作用;减少了聚合物热降解时挥发性可燃物的生成量,进而达到阻燃和抑烟的目的。正是由于膨胀炭层的生成克服了聚合物燃烧时的滴落现象,制止了火焰的传播和蔓延,才赋予了该防火涂料优于其它防火涂料的独特的性质。 

3、热分析技术的简介

3.1热分析技术概念 

热分析技术:是研究物质在加热或冷却过程中其性质和状态的变化,并将这种变化作为温度或时间的函数来研究其规律的一种技术。(或是在程序控制温度下(即用固定的速度加热或冷却温度与时间的线性关系)测量物质的物理性质与温度关系的一类技术)。

3。2热分析技术的分类及工作原理 

热分析技术主要应用于研究物质的各类转变与反应(如玻璃化转变、结晶—熔融、脱水、热氧化等)。热分析技术早已广泛用于材料的可燃性和阻燃性评价的研究。热分析法分为热重法( TG)、差示扫描量热法(DSC )、差热分析(DTA )等。 TG是程序控制温度下,测量物质的质量与温度的关系。它对被分析物质的降解过程加以记录,得出分析过程中的质量变化及失重速度,进而对其可燃性和燃烧过程中的稳定性作出评估[2]。DSC 是在程序控温下,测量输入到物质和参比物的功率差与温度的关系的技术。DTA 是指在程序升(降)温下,由于试样的吸、放热效应,测量在试样和参比物之间形成的温度差。这种热效应是由于试样在特定温度转变或反应产生的。由于防火涂料的受热期间几乎处于不断变化的动态体系,因此可利用热分析技术研究防火涂料随温度的变化,其重量及热效应的变化情况,并联合使用红外光谱分析初步分析阻燃体系的微观阻燃机理,为评价防火涂料的阻燃性能提供有效的手段和选择合理配方提供重要的依据。

3.3热分析技术的作用 

目前来说,热分析技术主要应用于以下领域: 
(1) 在材料性能、结构的研究中以及产品生产与质量控制过程中提供检验方式。 
(2) 为生物材料以及分子生物学研究提供提理论分析工具。 
(3) 为各种学科的动力学研究与热力学研究提供快速、便捷的研究手段,应用范围广、样品用量比较少。 
(4) 进一步丰富研究内容,为分析化学与热化学提供新的研究方法。 
(5) 通过建立各种物质的热分析曲线图,为物质鉴定提供重要的依据。

4、热分析技术在膨胀型防火涂料热相关原材料的热特性分析

4.1 XKJ复合饰面型防火涂料的热重分析 

图1是XKJ复合饰面型防火涂料的热重曲线图(TG)和微商热重曲线图(DTG)[3],图中有两个热失重峰,在150~250℃之间,失重较快,失重率约为16.96%;340~450℃时,失重最迅速,失重率约为38%左右;在450℃以后,失重很缓慢,出现平台。在温度为204℃处为第一个吸收峰,可认为它的出现是防火涂料的基料(苯丙乳液)的某些基团放出小分子(如CH4等)和多聚磷酸铵分解,放出少量的H2O和NH3的结果;在温度为397℃处为第二个吸收峰,根据这个吸收峰,可以推测出:各种阻燃剂发生了物理化学反应,多聚磷酸铵分解放出大量的氨和水,生成磷酸和偏磷酸,促进季戊四醇和有机物脱水碳化,同时三聚氰胺分解产生氨气。

4。2差示扫描量热法(DSC)对膨胀型防火涂料的热分析 

取市售的LF溶剂型钢结构膨胀防火涂料进行热分析[4]。LF溶剂型钢结构膨胀防火涂料是防火性能较好的一种膨胀型防火涂料,其中阻火剂为聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇。
由图2知,季戊四醇在186℃、241℃、345℃有三个吸热峰,第一个吸热峰为脱水峰,第二个吸热峰为熔融峰,第三个吸热峰为分解峰。这种呈梯度分解吸热的特性,用于涂料的防火体系是有积极意义的。
从图3可看出,聚磷酸铵在123℃、185℃有两个吸热峰,在290℃左右开始了一个持续的吸热阶段 。第一个吸热峰是脱水造成,第二个吸热峰是熔融峰,持续的吸热阶段为多聚磷酸铵的分解阶段,即从290左右聚磷酸按开始分解并起催化作用。
图4表明,三聚氰只在360℃时有一个吸热峰,此峰表示三聚氰按在360℃时升华的同时分解释放氨气。
图5为LF的D SC曲线。综合图2、图3、图4可知,上述三种物质的作用温度分别为345℃、290℃、360℃。从图5中可以看出,在这几个温度时分别出现了这几种物质的吸热峰,说明混合后,这几种物质的热性能并未发生大的变化。说明在该阻燃体系中,阻燃组分间热分解相互影响小,同时发现,膨胀型阻燃剂中成炭剂、发泡剂、成炭催化剂的分解温度相匹配与否对防火涂料的防火性能有重要影响。

5、结语

热分析技术应用于防火涂料研究,为评价防火涂料的阻燃性能提供了有效的手段[5]。通过测试热分解特性数据,建立膨胀型防火涂料常用的原材料热特性数据集,对膨胀型防火涂料新产品开发研究具有积极作用,能为配方筛选研究提供非常积极的技术支持,使研究工作在开始时就能根据查取热特性数据比较准确选择膨胀体系的配方原材料,接下来的工作就是进行配比筛选试验、生产工艺研究、涂刷试验、理化性能试验等。

6、参考文献

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[1]阳世群、彭波.热分析技术在膨胀型防火涂料配方研究中的应用[J].膨胀型防火涂料的研究,2010(2). 

[2]胡源、李纯、时虎等.热分析技术在阻燃材料研究中的应用[J].火灾科学,1999,8(1):74-77. [3]葛岭梅、曲建林等.热分析技术在防火涂料中的应用[J].西安科技学院学报,2002,22(1):12-14. 

[3]葛岭梅、曲建林等。热分析技术在防火涂料中的应用[J]。西安科技学院学报,2002,22(1):12-14。

[4]杨守生、潘璐.膨胀型防火涂料防火组分热分析[J].现代消防与产品研究,2003(3). [5]蔡益丰、黄超能.热分析技术在高分子材料中的应用[J].科技风,2014(2). 

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作者:陈豹jeep


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