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熱分析技術(shù)在膨脹型防火涂料研究中的應(yīng)用

時間：2020-05-30 14:30 點擊次數(shù)：212

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作者：陳豹jeep

摘要：通過熱分析技術(shù)對膨脹型防火材料的分析，研究它們的熱分解過程及其相互作用的情況，探討其阻燃機理，以便為阻燃劑配方的合理選擇提供依據(jù)。?

關(guān)鍵詞：熱分析技術(shù)??膨脹型防火材料?阻燃劑?

前言：作為重要的功能涂料，優(yōu)質(zhì)防火涂料的研制是目前涂料科學(xué)界較為熱門的研究課題之一。膨脹型防火涂料的膨脹發(fā)泡與膨脹體系中各組分受熱的變化特性有著及其重要的關(guān)系，為了獲得良好的膨脹發(fā)泡隔熱火層，使用于體系的各有關(guān)組分必須在特定溫度范圍內(nèi)同時發(fā)生反應(yīng)，以達(dá)到各相關(guān)組分在涂層的膨脹發(fā)泡時協(xié)同作用。這是膨脹型防火涂料研究中最重要和最關(guān)鍵的技術(shù)問題。解決這一技術(shù)問題時如果不借助熱分析技術(shù)手段，技術(shù)人員通常需要花費大量的時間進(jìn)行配方、涂刷和耐火試驗，是一個相當(dāng)繁重的工作，需要耗費大量的人力和財力資源。完成一次比較完整和有代表作用的耐火性能試驗需要二十天左右。根據(jù)膨脹防火涂料的防火原理，利用熱分析手段與實際的試驗工作相結(jié)合的辦法開展膨脹型防火涂料的研究工作，可以避免人力物力的浪費，節(jié)約時間，提高工作效率。

1、膨脹型防火涂料的特性概述?

防火涂料屬于涂料中特殊品種，膨脹型防火涂料又是防火涂料中的特殊品種，防火涂料與普通涂料的主要區(qū)別是必須在遇到火災(zāi)時能發(fā)揮隔熱防火的作用，也就是體系中必須含有在遇到火災(zāi)高溫時起到隔熱防火的隔熱防火成分。隔熱型防火涂料體系中含有大量的隔熱防火成分，膨脹型防火涂料的隔熱防火則是通過受到火災(zāi)時體系自身膨脹發(fā)泡形成隔熱防火的炭質(zhì)泡沫層。膨脹型防火涂料通常由基料、防火助劑（包括脫水劑、成炭劑、產(chǎn)氣劑）、膨脹調(diào)節(jié)劑、顏料、助劑、稀釋劑（或稱溶劑）等組成[1]。?

2、膨脹型防火涂料的防火原理?

膨脹型防火涂料屬發(fā)泡型，主要由酸源，炭源和發(fā)泡劑等組成，遇火或高溫時，在上述三種主要成分的協(xié)同作用下，涂層可急速膨脹幾十倍成泡沫狀炭化層，從而有效地阻止底材著火，可用于防火等級高的場所。膨脹型防火涂料主要是凝聚相起作用，在材料受熱時，聚合物阻燃體系形成一層蓬松多孔的炭層，從而起到隔熱、隔氧的作用；減少了聚合物熱降解時揮發(fā)性可燃物的生成量，進(jìn)而達(dá)到阻燃和抑煙的目的。正是由于膨脹炭層的生成克服了聚合物燃燒時的滴落現(xiàn)象，制止了火焰的傳播和蔓延，才賦予了該防火涂料優(yōu)于其它防火涂料的獨特的性質(zhì)。?

3、熱分析技術(shù)的簡介?

3.1熱分析技術(shù)概念?

熱分析技術(shù)：是研究物質(zhì)在加熱或冷卻過程中其性質(zhì)和狀態(tài)的變化，并將這種變化作為溫度或時間的函數(shù)來研究其規(guī)律的一種技術(shù)。（或是在程序控制溫度下（即用固定的速度加熱或冷卻溫度與時間的線性關(guān)系）測量物質(zhì)的物理性質(zhì)與溫度關(guān)系的一類技術(shù)）。

3.2熱分析技術(shù)的分類及工作原理?

熱分析技術(shù)主要應(yīng)用于研究物質(zhì)的各類轉(zhuǎn)變與反應(yīng)（如玻璃化轉(zhuǎn)變、結(jié)晶—熔融、脫水、熱氧化等）。熱分析技術(shù)早已廣泛用于材料的可燃性和阻燃性評價的研究。熱分析法分為熱重法（?TG）、差示掃描量熱法（DSC?）、差熱分析（DTA?）等。?TG是程序控制溫度下，測量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度的關(guān)系。它對被分析物質(zhì)的降解過程加以記錄，得出分析過程中的質(zhì)量變化及失重速度，進(jìn)而對其可燃性和燃燒過程中的穩(wěn)定性作出評估[2]。DSC?是在程序控溫下，測量輸入到物質(zhì)和參比物的功率差與溫度的關(guān)系的技術(shù)。DTA?是指在程序升（降）溫下，由于試樣的吸、放熱效應(yīng)，測量在試樣和參比物之間形成的溫度差。這種熱效應(yīng)是由于試樣在特定溫度轉(zhuǎn)變或反應(yīng)產(chǎn)生的。由于防火涂料的受熱期間幾乎處于不斷變化的動態(tài)體系，因此可利用熱分析技術(shù)研究防火涂料隨溫度的變化，其重量及熱效應(yīng)的變化情況，并聯(lián)合使用紅外光譜分析初步分析阻燃體系的微觀阻燃機理，為評價防火涂料的阻燃性能提供有效的手段和選擇合理配方提供重要的依據(jù)。

3．3熱分析技術(shù)的作用?

目前來說，熱分析技術(shù)主要應(yīng)用于以下領(lǐng)域：?

（1）?在材料性能、結(jié)構(gòu)的研究中以及產(chǎn)品生產(chǎn)與質(zhì)量控制過程中提供檢驗方式。?

（2）?為生物材料以及分子生物學(xué)研究提供提理論分析工具。?

（3）?為各種學(xué)科的動力學(xué)研究與熱力學(xué)研究提供快速、便捷的研究手段，應(yīng)用范圍廣、樣品用量比較少。?

（4）?進(jìn)一步豐富研究內(nèi)容，為分析化學(xué)與熱化學(xué)提供新的研究方法。?

（5）?通過建立各種物質(zhì)的熱分析曲線圖，為物質(zhì)鑒定提供重要的依據(jù)。

4、熱分析技術(shù)在膨脹型防火涂料熱相關(guān)原材料的熱特性分析?

4.1?XKJ復(fù)合飾面型防火涂料的熱重分析?

圖1是XKJ復(fù)合飾面型防火涂料的熱重曲線圖(TG)和微商熱重曲線圖（DTG）[3]，圖中有兩個熱失重峰，在150~250℃之間，失重較快，失重率約為16.96％；340~450℃時，失重最迅速，失重率約為38％左右；在450℃以后，失重很緩慢，出現(xiàn)平臺。在溫度為204℃處為第一個吸收峰，可認(rèn)為它的出現(xiàn)是防火涂料的基料（苯丙乳液）的某些基團(tuán)放出小分子（如CH4等）和多聚磷酸銨分解，放出少量的H2O和NH3的結(jié)果；在溫度為397℃處為第二個吸收峰，根據(jù)這個吸收峰，可以推測出：各種阻燃劑發(fā)生了物理化學(xué)反應(yīng)，多聚磷酸銨分解放出大量的氨和水，生成磷酸和偏磷酸，促進(jìn)季戊四醇和有機物脫水碳化，同時三聚氰胺分解產(chǎn)生氨氣。

4.2差示掃描量熱法（DSC）對膨脹型防火涂料的熱分析?

取市售的LF溶劑型鋼結(jié)構(gòu)膨脹防火涂料進(jìn)行熱分析[4]。LF溶劑型鋼結(jié)構(gòu)膨脹防火涂料是防火性能較好的一種膨脹型防火涂料，其中阻火劑為聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇。

由圖2知，季戊四醇在186℃、241℃、345℃有三個吸熱峰，第一個吸熱峰為脫水峰，第二個吸熱峰為熔融峰，第三個吸熱峰為分解峰。這種呈梯度分解吸熱的特性，用于涂料的防火體系是有積極意義的。

從圖3可看出，聚磷酸銨在123℃、185℃有兩個吸熱峰，在290℃左右開始了一個持續(xù)的吸熱階段?。第一個吸熱峰是脫水造成，第二個吸熱峰是熔融峰，持續(xù)的吸熱階段為多聚磷酸銨的分解階段，即從290左右聚磷酸按開始分解并起催化作用。?

圖4表明，三聚氰只在360℃時有一個吸熱峰，此峰表示三聚氰按在360℃時升華的同時分解釋放氨氣。

圖5為LF的D?SC曲線。綜合圖2、圖3、圖4可知，上述三種物質(zhì)的作用溫度分別為345℃、290℃、360℃。從圖5中可以看出，在這幾個溫度時分別出現(xiàn)了這幾種物質(zhì)的吸熱峰，說明混合后，這幾種物質(zhì)的熱性能并未發(fā)生大的變化。說明在該阻燃體系中，阻燃組分間熱分解相互影響小，同時發(fā)現(xiàn)，膨脹型阻燃劑中成炭劑、發(fā)泡劑、成炭催化劑的分解溫度相匹配與否對防火涂料的防火性能有重要影響。

5、結(jié)語?

熱分析技術(shù)應(yīng)用于防火涂料研究，為評價防火涂料的阻燃性能提供了有效的手段[5]。通過測試熱分解特性數(shù)據(jù)，建立膨脹型防火涂料常用的原材料熱特性數(shù)據(jù)集，對膨脹型防火涂料新產(chǎn)品開發(fā)研究具有積極作用，能為配方篩選研究提供非常積極的技術(shù)支持，使研究工作在開始時就能根據(jù)查取熱特性數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確選擇膨脹體系的配方原材料，接下來的工作就是進(jìn)行配比篩選試驗、生產(chǎn)工藝研究、涂刷試驗、理化性能試驗等。

6、參考文獻(xiàn)

[1]陽世群、彭波.熱分析技術(shù)在膨脹型防火涂料配方研究中的應(yīng)用[J].膨脹型防火涂料的研究，2010（2）.?

[2]胡源、李純、時虎等.熱分析技術(shù)在阻燃材料研究中的應(yīng)用[J].火災(zāi)科學(xué)，1999,8（1）:74-77.?[3]葛嶺梅、曲建林等.熱分析技術(shù)在防火涂料中的應(yīng)用[J].西安科技學(xué)院學(xué)報，2002,22(1):12-14.?

[3]葛嶺梅、曲建林等.熱分析技術(shù)在防火涂料中的應(yīng)用[J].西安科技學(xué)院學(xué)報，2002,22(1):12-14.

[4]楊守生、潘璐.膨脹型防火涂料防火組分熱分析[J].現(xiàn)代消防與產(chǎn)品研究，2003（3）.?[5]蔡益豐、黃超能.熱分析技術(shù)在高分子材料中的應(yīng)用[J].科技風(fēng)，2014（2）.?

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