【化工知识】浅谈防火涂料的防火隔热原理

摘　要：

介绍了防火涂料的防火隔热原理及膨胀型防火涂料的膨胀发泡原理，并简单介绍了不同类型防火涂料的应用比较。关键词：防火涂料；防火隔热；阻燃剂；膨胀发泡

1防火涂料的防火隔热原理

防火涂料的防火隔热原理是在防火涂料的配方中加入不同物质，以阻止燃烧的进行，主要有以下几类：

(1)加入各种无机填料。由于无机填料本身是不燃的，其导热系数低，可以延滞热量传向被保护的基材的速度。

(2)添加吸热后可分解的阻燃剂，如铝的氧化物等。由于这种添加剂具有吸热后分解的特点，能有效地使体系的温度降低等。

氢氧化铝脱水过程吸收一部分燃烧热，将使体系的温度降低。再则脱出的水在燃烧温度下变成水蒸气也需吸收热量。另外反应产生的Al 2 O 3是无机耐火材料，与燃烧形成的其他碳化物，在材料周围形成惰性屏障，起到减缓燃烧速度和控制火势迅速蔓延发展的作用。

(3)加入在热的作用下能释放出活性气体化合物的阻燃剂如卤化合物。这些活性化合物通常能对影响火焰形成或增长的自由基产生作用。一般说来，在燃烧时，链自由基OH •以及H •是引起火焰增长的主要因素，若能将其传递步骤加以抑制，主要是对燃烧中自由基的结合和终止起催化作用，即只要能控制自由基OH •以及H •的生成或终止掉产生的自由基OH •以及H •，就可控制住火焰的增长，这样使燃烧过程及火焰传播速度降低，连锁反应中断，达到阻燃的目的。燃烧中的氧化反应是一种自由基链型反应，例如氧气消耗步骤主要为下述的反应：

H • + O 2→O H • + O •

放热量最大的氧化反应，则是由OH •（SbCl 3或SbBr 3），在火焰中形成氧化物：

SbX 3 + H •→S b X 2 • + H X

S b X 2 • + H •→S b X + H X

S b X + H •→S b • + H X

Sb • +H •→SbO

SbX 3除了可以将H •自由基消耗掉，最后会形成Sb 2 O 3的氧化物粒子，可催化自由基的结合而进一步抑制燃烧：

SbO+H •→SbOH •

S b O H • + H •→S b O + H 2

所以卤化锑具有双重的阻燃活性，卤化锑消耗H •时，形成H X可再进一步消耗H •及O H •自由基：

H • + H X→H 2 + X •

O H • + H X→H 2 O + X •

其次，形成的SbO可加速火焰中自由基的结合。

这样使体系的燃烧过程及火焰传播速度降低，连锁反应中断，达到阻燃的目的。

(4)选择加入分解时能释放出大量隋性气体的添加剂[1]。大量惰性气体的存在可冲淡氧气成分，产生气体屏蔽作用，使氧气难以助燃，有效提高阻燃效果。

(5)加入受热后并不发生化学变化而只释放出重质蒸气的添加剂。这种蒸气可覆盖住体系分解出来的可燃气体，影响它与空气和氧气的正常交换，避免产生火焰及延燃，进而起阻燃作用，从而控制火势迅速蔓延。

(6)有的涂料中还加入了膨胀防火体系的阻燃剂。它们在火灾中可膨胀并形成均匀而致密的蜂窝状或海绵状的碳质泡沫层，泡沫层不仅隔绝了氧气，而且因为其质地疏松而具有良好的隔热性能，可延滞热量传向被保护基材的速率，同时避免了火焰和高温直接进攻被保护基材，起到高效的防火隔热保护作用。(文章来源环球聚氨酯网)

(7)有的涂料中还加入了一些低熔点的不会燃烧的材料，如玻璃粉末等，它们会在火焰热量烧烤下被融化，在着火的物体上流淌开来，形成一层隔热的防火层，能阻止火势蔓延。

2膨胀型防火涂料的膨胀发泡原理

膨胀型防火涂料遇火时能膨胀发泡形成蜂窝状的炭化层，其膨胀防火体系主要由酸源、碳源、发泡剂等组成。

因而通常制备膨胀型防火涂料需要以下4种基本成分：

(1)形成涂层的成膜剂或粘结剂，如脲醛树脂类，三聚氰胺—甲醛树脂类，聚乙烯醇，聚醋酸乙烯类以及聚丙烯酸酯类等；

(2)酸源。一般为自由酸或加热时能在一定温度下放出无机酸的盐类物质，它是成炭发泡层形成的催化剂或阻燃剂，如磷酸、磷酸盐和聚磷酸铵等；

(3)发泡剂。一般为含氮的化合物，如脲、三聚氰胺和双氰胺等，这类物质在一定温度下分解产生的N 2、NH

3、NO x等气体起发泡剂的作用；

(4)碳源——碳化剂。一般为羟基的富碳化合物，它在酸的催化作用下，失90d水而炭化，为发泡层提供炭质骨架，使发泡层形成疏松的结构，如季戊四醇、丙三醇、糊精和淀粉等。

拼成膨胀防火体系的酸源、碳源和发泡剂三者是缺一不可的，它们在膨胀发泡和阻火隔热过程中起着“协合”效应。其膨胀发泡过程的原理是：涂层在受火时软化和熔融，发泡剂分解放出气体，气体的逸出使变软的涂层鼓泡膨胀，体积增大而产生的厚厚的炭化发泡层成绝热隔热层。以氯化石蜡和双氰胺为发泡剂时，其分解过程如下：

C n +H 2n +2Cl n→HCl

C 2 H 4 N 4→C + N H 3 + N 2

与此同时，酸源物质也发生分解而放出游离酸类并与多元醇的碳化材料反应，使多元醇脱水而酯化。随此过程的进行，膨胀发泡层逐渐转化为炭化物质的隔热层，例如磷酸氢二铵产生磷酸，磷酸和碳源（以异戊四醇为例）反应生成磷酸酯：

C 5 H 5（OH) 4 +H 3 PO 4→C 5 H 5（O H 4）• H 3 P O 4

此磷酸酯分解成磷酸、水和炭化层：

C 5 H 5（O H ) 4 • H 3 P O 4→H 2 O + H 3 P O 4 + C

显然，膨胀发泡层中绝大部分的碳是由所含的炭化材料经酸作用脱水而获得的。应当指出，要使膨胀防火涂料遇火时膨胀发泡形成高效的防火隔热膨胀层，需要其配方中的膨胀防火体系在受热后以适当的秩序发生一系列的化学物理反应，在整个过程中，要求发泡剂分解产生气体、酸源分解放出酸类物质、碳源材料脱水炭化三个步骤在变化的温度、时间、速度方面要基本协调一致，才能形成细小的多孔海绵状炭化层。这就是前面讲到的“协合”的