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新型阻燃体系对木塑防火涂层阻燃性能的影响

文档作者：方露李大纲施迎春王玉梅林东亮文档来源： 1．南京林业大学木材工业学院 2．湖州美典新材料有限公司 3．惠东美新塑木型材制品有限公司		点击数：	更新时间： 2022年12月08日
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第39卷第11期
2011年11月
塑料工业
CHINA PLASTICS INDUSTRY ·75·
新型阻燃体系对木塑防火涂层阻燃性能的影响冰
方露 ，李大纲 “．，施迎春 ，王玉梅 ，林东亮
(1．南京林业大学木材工业学院，江苏南京210037；2．湖州美典新材料有限公司，浙江湖州313000；
3．惠东美新塑木型材制品有限公司，广东惠州518102)
摘要：采用隔热性能试验、热失重分析(TG)、傅里叶红外光谱分析(FTIR)以及显微分析等方法，研究了两种
改性材料膨胀石墨(EG)和云母对膨胀防火涂层防火性能和热降解行为的影响。结果表明：EG与云母加入后不会改
变涂层的基本阻燃进程，且会提高膨胀炭质层的热稳定性，涂层的阻燃效果显著改善。
关键词：关键词：可膨胀石墨；云母；防火性能；热稳定性
中图分类号：TQ314．24 8 文献标识码：B 文章编号：1005-5770(2011)11-0075—04
Influence of New Fire Retardant System on Fire Resistance of Fire Retardation
Coating for W PC
FANG Lu ， U Da。gang ，SHI Ying—chun ，WANG Yu’mei ，LIN Dong‘liang
(1．Wood Industry College，Nanjing Forest University，Nanjing 210037，China；
2．Huzhou Meidian New Material Co．，Ltd．，Huzhou 313000，China；
3．Huidong Meixin Manufacturing Co．，Ltd．，Guangdong 518102，China)
Abstract： e heat insulation property and thermal degradation of the intumescent fire resistant coating
modified by EG and mica were studied by using insulation perform ance test，TG，FTIR and microscopic anal—
ysis． Result showed that the basic process of intumescent fire resistant coating was not change when EG and
mica were added into the system，which greatly improved the thermal stability of char layer and SO did the fire
retardant perform ance of the coating layer．
Keywords：Expansible Graphite； Mica；Fire Resistance；Thermal Stability
木塑复合材料(WPC)具有优良的耐水和耐腐
蚀性能以及可循环使用等优点，然而WPC的耐火性
能很差，受热极易软化而丧失机械性能，因此不经阻
燃处理不能达到建筑内部装修设计防火规范要求 J。
在众多的保护措施中，膨胀型防火涂层是最具潜力的
一种方式。
以膨胀型阻燃剂聚磷酸铵一季戊四醇一三聚氰胺
(APP—PER—MEL)作为阻燃体系的膨胀型防火涂层
(IFRC)，主要依靠体系之间发生的一系列化学变化
而生成导热系数较小的膨胀炭质层，延缓热量向基材
的蔓延，从而为灭火赢得宝贵的时间。但是单一的
APP-PER-MEL防火体系形成的炭层结构形如蛋糕状，
结构疏松，耐高温性差，很容易被火穿透，因此近年
来一些热稳定性或隔热性优异的协效剂如可膨胀石
墨、纳米二氧化硅、云母、玻纤及4A分子筛等 叫
常被引入到APP—PER—MEL体系中以促进致密炭层的
形成，从而提高涂层的阻燃效果。可膨胀石墨和云
母l5-8]是两种常用的协效剂，不但可以促成致密炭
层的形成，其本身也具有成炭的作用，本文研究了它
们同时充当成炭的剂协效剂的可行性。
1 实验部分
1．1 实验材料 、
回收尿不湿边角料／木粉复合材料(WPC)：南
京聚锋新材料有限公司；丙烯酸树脂：上海齐硕实业
有限公司；聚磷酸铵(APP)：工业级，星星阻燃剂
厂；三聚氰胺(MEL)：工业级，国药集团化学试剂
有限公司；季戊四醇(PER)：工业级，上海凌峰化
学试剂有限公司；可膨胀石墨(EG)：工业级，山东
淄博利伟石墨有限公司；云母：工业级，灵寿县祥云
矿产品加工厂；其他相关原料、助剂均为市售。
} 江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)；江苏省苏北技术创新引导资金(BN2008054)
料联系人njfuldg@163．eom
作者简介：方露，女，1986年生，硕士研究生，研究方向为木塑复合材料。fangluyang@126．com
塑料工业
1．2 实验方法
按照配方比例称取阻燃剂在球磨机中研磨，达到
一定细度后加入丙烯酸树脂基体以及相关的助剂，在
磁力搅拌机中充分混合均匀，直至胶体形成；将制得
的防火涂料涂覆于尺寸为70 mm×70 mm×5 min，表
面经打磨、砂光处理后的回收尿不湿边角料／木粉复
合材料上。为了研究新型阻燃体系对材料阻燃效果的
影响，本文保持IFRC体系中成炭剂的总添加量不
变，通过控制成炭剂的组分及各组分的比例，研究了
新型阻燃剂替代季戊四醇同时充当成炭剂与阻燃协效
剂的可行性。试验中制备的五组防火涂层如表1。
表1 新型防火涂层中的成炭剂的组成及比例
Tab 1 The Components and ratio of char agent in the new IFRC
1．3 测试研究方法
1．3．1 耐燃时间的测定
将表面涂覆防火涂层的WPC固定在铁架上，然
后采用自行设计的实验装置，对其进行灼烧，用红外
测温仪实时记录WPC的背面温度。当木塑板的背面
温度达到220℃时停止燃烧，取下木塑板，记录所用
的时间即为耐燃时间(s)。
1．3．2 热失重分析(TGA)
用刀片刮下防火涂层，研磨成粉末状，然后用
TGA Q5oo热分析仪(美国TA仪器公司)对其进行
热分析，温度范围为lO5～800 oC，升温速率15℃／
min，气流量为40 mL／min，N 2氛围，样品质量10 mg
左右。
1．3．3 傅里叶红外光谱仪分析(FFIR)
利用Nicolet IS10 Smart iTR傅立叶红外光谱仪，
分析防火涂层及其燃烧后炭层基团的变化情况。分辨
率为8 em～，扫描次数为16次。
2 结果与讨论
2．1 可膨胀石墨与云母的特征
图1为可膨胀石墨与云母的微观形貌。由图1可
以看出，可膨胀石墨与云母都为片状结构，可以穿插
于燃烧过程中形成的蜂窝状炭质层中，具有增强膨胀
炭质层强度的可行性。
2．2 不同防火涂层的阻燃效果分析
图2为不同防火涂层保护下木塑复合材料的耐燃
时间． 由图2可以看出，与基材相比，经各涂层保护
的木塑复合材料耐燃时间均显著延长了。但与传统的
APP-MEL—PER阻燃体系构成的防火涂层A相比，B、
c涂层的阻燃效果明显减弱，D、E的阻燃效果显著
提高。这说明EG和云母具有单独充当成炭剂的可行
性，但当其部分替代PER同时充当成炭剂与阻燃协
效剂时，涂层的防火性能更加优异。
a一可膨胀石墨 b一云母
图1 石墨与云母的微观结构
Fig 1 Microstructure of expansible graphite and mica
叠
盔
饕
{譬
图2 不同防火涂层保护下木塑复合材料的耐燃时间
Fig 2 Fire’resistant time of WPC coated with
different coatings
2．3 不同IFRC燃烧后的炭层形貌分析
2．3．1 EG与云母单独做成炭剂时的炭层形貌分析
涂层B与C阻燃效果差的原因可以通过燃烧后
形成的膨胀炭层形貌来分析(图3)。图3a中，APP—
MEL-EG阻燃体系构成的防火涂层在燃烧过程中并没
有形成完整的炭质层，大部分脱离了WPC的表面。
这主要是由于在急剧的热气流作用下，以EG作为成
炭剂的阻燃体系产生了“爆米花效应”，使得涂层在
受热过程中形成的膨胀炭质层过于疏松，从而产生了
热及氧气向基材的传递的通道，不仅加速了炭层的氧
化还会造成炭层与基体相分离；由图3c可以发现，
APP—MEL—EG防火涂层形成的炭层极为疏松，因此在
高温下很容易被气体穿透而降低阻燃效果。APP—
MEL一云母体系防火涂层燃烧后的炭层形貌及微观结
构如图4b、d。由图4b、d可以看出，其炭质层薄且

· 78· 塑料工业 2011正
2．4．1 EG和云母的热失重分析
如图5可知，可膨胀石墨主要在180～250 oC之
间发生热解，即可膨胀石墨在此温度范围内发生物理
性膨胀生成“蠕虫”状炭体，与APP。MEL。PER体系
燃烧过程中产生的膨胀炭质层交联，起到一种交联纤
维的作用，可以形成致密的炭层，提高炭层的强度，
大大改善炭层的开裂现象。而云母在整个热解过程中
质量几乎没有变化，其热稳定性好，可以推测其在混
合体系中可能充当填料的作用，利用其特殊的片状结
构增强炭质的致密性，从而延缓热量的传递。
葺
蒸
卷
图5 可膨胀石墨与云母的TG曲线
Fig 5 TG curves of expansible~ phite and mica
2．4．2 添加EG或云母的防火涂层的热失重分析
200 300枷500 60 700 800 900
疆鹿『℃
图6 不同防火涂层的热失重曲线
Fig 6 TG curves of diferent coatings
由图6可以看出，EG或云母加入APP。MEL PER
体系后，并没有对IFRC体系的化学膨胀过程造成负
作用，混合型防火涂层A、D、E的阻燃历程基本相
似。所不同的是500 oC以后混合型防火涂层D与E
形成的膨胀炭层氧化分解程度较前者变缓，且800 oC
时体系的残炭率明显提高。这说明可膨胀石墨和云母
的加人明显提高了体系的抗氧化能力和炭质层的稳定
性，从而改善了防火性能。
2．5 不同防火涂层的红外分析
图7为三种防火涂层在燃烧之前的红外光谱图。
由图中可以看出，与传统的APP MEL-PER阻燃体系
相比，APP·MEL—PER—EG阻燃体系的主体官能团特
征峰基本没有变化，这说明可膨胀石墨的加入并没有
与基体树脂以及其他组分发生交联反应，混合型防火
涂层的基本有机官能团没有改变； APP’MEL。PER。云
母阻燃体系的基本官能团也基本与APP—MEL—PER体
系保持一致，只是在1 800 cm 左右的吸收峰变弱
了，可能是有新物质生成，但是并没有改变防火涂层
的整体性能。
渡IlVam"
图7 不同防火涂层的红外光谱图
Fig 7 FTIR of different fire‘retardant unburned coatings
3 结论
1)EG与云母均为片状结构，这种结构可以对
膨胀的炭质层起到增强作用。
2)EG与云母都可以单独充当成炭剂，但是单
独成炭时阻燃效果不是很理想。这主要是由于EG单
独作为成炭剂使用时会产生“爆米花效应”，很容易
与基材脱离；而云母做成炭剂时，形成的炭层结构如
鸡蛋壳状，薄而脆，很容易被穿透。
3)EG与云母的热稳定性都很好，用其替代季
戊四醇形成的混合型防火涂层，其耐燃时间显著增
大。这是由于片状结构的EG与云母均可增强燃烧过
程中形成的膨胀炭质层的致密性，提高炭骨架的强
度，从而延缓了燃烧中后期炭化层的热失重。
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