龍巖市公安消防支隊(duì) 郭志強(qiáng) 孫高穹

電子產(chǎn)品中防火涂料的研究現(xiàn)狀

龍巖市公安消防支隊(duì) 郭志強(qiáng) 孫高穹

電子產(chǎn)品在使用過程中不可避免的產(chǎn)生熱量，在熱量過大或者散熱效果不明顯，使得電子元器件存在潛在的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，風(fēng)扇、空氣冷凝等降溫處理是常見的技術(shù)方法，但對(duì)于小巧、集成度高的電子產(chǎn)品、集成線圈一般采用帶有絕緣性能的防火涂料。本論文從防火涂料的研發(fā)現(xiàn)狀，重點(diǎn)闡述新型防火涂料的特點(diǎn)及研究現(xiàn)狀。

電子產(chǎn)品；防火涂料；新型防火涂料；納米技術(shù)

1.防火涂料現(xiàn)狀

2.防火涂料成分及防火原理

2.1 主要成分及作用

防火涂料主要由成膜物質(zhì)、顏料、填料、助劑、功能組分、有機(jī)溶劑或水組成構(gòu)成。其中助劑含量一般較少，但作用較為重要，各機(jī)構(gòu)對(duì)助劑的研發(fā)現(xiàn)已成為研究的熱點(diǎn)，好的助劑對(duì)防火涂料的防火能力有著顯著增強(qiáng)效果。除此之外，防火材料中起主要作用的成膜物質(zhì)及功能組分決定了防火涂層理化性質(zhì)。成膜物質(zhì)一般來源于高分子樹脂，在保證涂料涂層附著力、穩(wěn)定性的同時(shí)，也能夠充當(dāng)膨脹型防火涂料的碳源，起到防火效果。為達(dá)到涂料防火的效果，在膨脹型防火涂料的制備過程中往往添加多種助劑、功能組分，如阻燃劑、分散劑等，而添加量與普通涂料、油漆的填料含量相比有著明顯的提升，含量最高可達(dá)70%左右，隨之帶來的問題就是防火涂料的分散性較差、粘稠度較高、涂料涂層附著力明顯下降。因此研發(fā)優(yōu)質(zhì)、廉價(jià)、無毒環(huán)保的添加劑來提升防火涂料性能是一個(gè)重要研究領(lǐng)域（有機(jī)高分子材料）。

以常見的膨脹型防火涂料為例，一般情況下含有的組分可能有成膜物質(zhì)、成炭物質(zhì)、成炭催化劑、發(fā)泡劑、無機(jī)顏料填料等。

成膜物質(zhì)：成膜物質(zhì)是現(xiàn)行所有涂料類產(chǎn)品的制備基礎(chǔ)，對(duì)涂料的基礎(chǔ)理化性能取決定性作用，輔予合適的助劑修飾，在保證了涂層正常規(guī)環(huán)境下所具有的各種使用性能，也能夠在火災(zāi)突發(fā)時(shí)，在火焰或者高溫的作用下，使得涂層具有難于燃燒和明顯的體積膨脹變化，達(dá)到阻止火災(zāi)蔓延、劇烈燃燒的效果。

成碳物質(zhì)、成炭催化劑：成炭物質(zhì)來源廣、類型多，較為常見的是高分子化合物，該類物質(zhì)的特點(diǎn)是含有豐富的羥基基團(tuán)，如淀粉、多糖、季戊四醇、二季戊四醇、三季戊四醇、多羥基樹脂等。該組分由于存在豐富的羥基，是反應(yīng)活性位點(diǎn)，易于參與化學(xué)反應(yīng)形成不易燃的泡沫炭化層三維空間結(jié)構(gòu)，是膨脹型防火材料泡沫炭化層的骨架構(gòu)成；成炭催化劑主要由羧酸根和堿化合物組成，在受熱條件下加速成碳物質(zhì)的轉(zhuǎn)變，起到促進(jìn)、改變反應(yīng)進(jìn)程的效果。對(duì)成碳物質(zhì)進(jìn)行脫水碳化，得到具有阻燃性能的三維結(jié)構(gòu)的碳骨架，使得碳化反應(yīng)的有害物質(zhì)（焦油、醛酮化合物）減少，通過改變反應(yīng)機(jī)理使得碳氧反應(yīng)的程度降低，降低反應(yīng)熱。常見的成碳催化劑有聚磷酸按、多聚磷酸氨、磷酸氫氨、磷酸二氫氨等。

發(fā)泡劑：膨脹型防火涂料遇到熱源時(shí)，涂層表面形成孔狀結(jié)構(gòu)，在成碳催化劑的作用下，生成不支持燃燒的二氧化碳、氯化氫、水蒸汽、氨等，該氣體產(chǎn)物也進(jìn)一步促進(jìn)涂層膨脹鼓起，使得涂層比表面積增加，發(fā)泡劑的作用越來越明顯。常見的發(fā)泡劑有三聚氰胺、雙氰胺、聚磷酸氨、氯化石蠟、磷酸氨鹽、氨基樹脂等。

無機(jī)顏料填料：無機(jī)顏料填料對(duì)膨脹型防火涂料來說充當(dāng)了助劑作用，具有用量少，能夠起到特殊作用的效果，在保證阻燃、隔熱的同時(shí)，生成的發(fā)泡層致密程度高，強(qiáng)度更大，防火效果更優(yōu)秀。常用的無機(jī)顏料填料有鈦白粉、氧化鋅、鐵黃、鐵紅等。

2.2 防火原理

分析燃燒的必要條件，阻止燃燒的進(jìn)一步進(jìn)行，需將可燃物、氧氣、熱源的其中之一分離開來。結(jié)合防火涂料的結(jié)構(gòu)、熱分解原理，防火涂料起到防火作用主要來源于以下方面：

(1)防火涂料本身由高分子材料組成，可燃性一般較差而且結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，使得被保護(hù)的電子元器件、木材等與空氣隔絕，達(dá)到了阻止、延緩的目的；(2)防火涂料中成碳催化劑改變反應(yīng)途徑，向低能量反應(yīng)方向進(jìn)行，有效較少了反應(yīng)產(chǎn)熱的效果，除此之外，生成的不可燃?xì)怏w持續(xù)的存在于三維孔狀孔隙內(nèi)部，起到保護(hù)作用；(3)燃燒往往是游離自由基的連鎖反應(yīng)，而常見的氮、磷防火涂料受熱分解生成的活性自由基團(tuán)與有機(jī)自由基結(jié)合，競爭性的中斷連鎖反應(yīng)，降低燃燒速度；(4)膨脹型防火涂料在熱源作用下膨脹發(fā)泡鼓起，生成一層致密的泡沫隔熱層，封閉被保護(hù)的基材，阻止基材燃燒。

本研究42例疑似乳腺病變患者相關(guān)數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS 19.0軟件對(duì)比分析，2種檢查靈敏度、特異度、準(zhǔn)確性情況行χ2檢驗(yàn)，采用（n%）表示。以P＜0.05為校驗(yàn)水準(zhǔn)，對(duì)本研究結(jié)果統(tǒng)計(jì)學(xué)意義情況予以檢驗(yàn)。

非膨脹型防火涂料原理：非膨脹型無機(jī)涂層的防火作用機(jī)理主要得益于涂料涂層自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、阻燃性以及在高溫環(huán)境下形成的類似于致密的陶瓷釉層結(jié)構(gòu)保護(hù)層，阻止空氣等可燃?xì)怏w的進(jìn)入，達(dá)到隔熱、阻燃效果。

膨脹型防火涂料防火原理：膨脹型防火涂料在涂布后，在成膜物質(zhì)的主導(dǎo)下，在基材表面生產(chǎn)一層均勻的模。在明火或強(qiáng)熱源的作用下，涂層膨脹炭化，形成一個(gè)比原來厚度大幾十倍甚至幾百倍的阻燃蜂窩泡沫狀炭化層，它可以割斷外界火源對(duì)基材的加熱，從而達(dá)到阻燃效果；另一方面，涂層受熱產(chǎn)生一系列的物理化學(xué)變化（軟化、熔融、蒸發(fā)、膨脹、分解、解聚、化合等），在這些物理和化學(xué)的變化過程中，吸收大量的熱能，抵消一部分外界作用于基材的能量，達(dá)到了對(duì)被保護(hù)物體的受熱升溫過程的延滯作用。涂層在高溫下發(fā)生脫水炭化反應(yīng)和熔融覆蓋作用，隔絕了空氣，使有機(jī)物轉(zhuǎn)化為炭化層，從而避免了氧化放熱反應(yīng)發(fā)生。另外由于涂層在高溫下分解出不燃性氣體，如氨、水等，稀釋氧氣氧濃度，從而抑制燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。

3.電子產(chǎn)品中防火涂料的應(yīng)用及研究

3.1 防火涂料對(duì)線纜產(chǎn)品的隔熱防火應(yīng)用及評(píng)估方法

隨著人們安全意識(shí)的提升，對(duì)建筑、公共場所、家庭電子電器產(chǎn)品的防火要求不斷提高，對(duì)防火設(shè)施、能力越來越重視，在相關(guān)領(lǐng)域防火材料的應(yīng)用較為廣泛。

常見的交聯(lián)聚乙烯絕緣聚護(hù)套電纜的絕緣材料為交聯(lián)聚乙烯，是一種以乙烯為基本單體，通過縮聚反應(yīng)形成的高分子聚合物，具有化學(xué)性能穩(wěn)定、無毒、絕緣性好、使用壽命長等特點(diǎn)，可長期使用溫度可達(dá)90℃。綜合價(jià)格、成本等問題，制造商往往采用聚氯乙烯(PVC)，其長期使用溫度僅為60℃，降低了整個(gè)電纜產(chǎn)品的耐熱防火性能[1]。因此，為滿足高條件下電纜護(hù)套的耐火能力，常將電線電纜裝于金屬保護(hù)管或者有防火涂料的PVC保護(hù)管。

現(xiàn)行電纜防火涂料的檢測標(biāo)準(zhǔn)僅有GA181-1998《電纜防火涂料通用技術(shù)要求》[2]，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)電線電纜防火涂料僅規(guī)定了涂層厚度指標(biāo)，沒有對(duì)火災(zāi)情況下電線電纜的耐久性做出明確規(guī)定；依據(jù)GB/T50016-2006《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[5]的規(guī)定，對(duì)消防電纜的選型及鋪設(shè)不明確，僅注明采取保護(hù)措施，沒有具體參考指標(biāo)。針對(duì)上述標(biāo)準(zhǔn)對(duì)具體的涂層厚度與電線電纜有效供電時(shí)間之間關(guān)系的不明確性。利用自主設(shè)計(jì)的塑料電纜熱輻射試驗(yàn)爐來模擬標(biāo)準(zhǔn)的火災(zāi)環(huán)境，采用絕緣電阻測試系統(tǒng)，研究防火涂料涂層厚度對(duì)電線電纜防火性能的影響及線纜絕緣失效的溫度與時(shí)間的關(guān)系。指導(dǎo)電線電纜制造工藝中對(duì)防火材料的選用及制造工藝控制。

經(jīng)過一系列的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，得出電線電纜耐火失效時(shí)間與涂層厚度成正相關(guān)關(guān)系。結(jié)合產(chǎn)品成本，施工便利性，涂層厚度應(yīng)該適當(dāng)控制。涂層過厚會(huì)減少電纜工作時(shí)的熱擴(kuò)散能力，致使電纜溫度升高，加速電纜老化，提升使用風(fēng)險(xiǎn)，縮短壽命周期；此外，過厚的防火涂層在表干后，彎折性能下降，附著力變?nèi)?，因此?huì)出現(xiàn)剝落、開裂等現(xiàn)象。考慮電線電纜施工、安裝的實(shí)際要求，涂層厚度控制在1mm左右比較合理。

3.2 防火涂料改性研究

防火涂料的添加成分濃度大、粘性高，易導(dǎo)致涂層厚度不均勻、附著力不強(qiáng)。為改善涂層的均勻性及附著力的理化性質(zhì)，采用膨化度高的石墨基料或表面性能改性，制備出耐火涂層黏度低、附著力好。

在有機(jī)硅改性丙烯酸樹脂防火涂料的制備工藝中，在傳統(tǒng)制備攪拌工藝處理中，添加適量的膨脹石墨及其他成分。制備出來的改性防火涂料比傳統(tǒng)涂料在均一度、附著力上有著明顯增強(qiáng)。通過熱重分析（TGA）分析性能增強(qiáng)的機(jī)理，得出膨脹石墨存在的不同價(jià)態(tài)存在形式，分解溫度分布均勻，形成三維結(jié)構(gòu)平緩，產(chǎn)生的阻燃?xì)怏w速率適中，有效延緩了火勢擴(kuò)大，耐火時(shí)間長久[3]。

碳材料表面改性技術(shù)在防火涂料的制備上應(yīng)用廣泛，從分子控制角度來解決涂層的分散性，同時(shí)也是水溶性防火涂料的研究手段。將一定量純化的碳納米管與兩親性聚合物PVP的水溶液通過超聲吸附自組裝的手段，將親水性物質(zhì)結(jié)合在碳納米管表面獲得改性的碳納米管。以此為基料分散于成膜物質(zhì)中，制備出水溶性碳納米管防火涂料。借助熱重分析手段，以GB14907-2002規(guī)定的檢測方法，衡量改性涂料的耐火性能。

試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)改性碳納米管含量從0增加到0.01%時(shí)，樣品背面溫度升至250℃所用的時(shí)間明顯上升；當(dāng)含量超過0.01%時(shí)，所用時(shí)間并無明顯延長。質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0到0.005%時(shí)，樣品背面溫度從250℃上升到300℃所用的時(shí)間明顯上升，隨后涂料樣品的改性碳納米管含量繼續(xù)增加，達(dá)到背面設(shè)定溫度的時(shí)間縮短，甚至質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.01%時(shí)，相較于未修飾的涂層，達(dá)到所需溫度的時(shí)間更短。在修飾的碳納米管材料類型中，最優(yōu)添加量約為0.005%，可最大限度的延緩溫度升高的速率，提高涂料的防火性能。防火涂料的最優(yōu)添加量還應(yīng)考慮膨脹倍率的影響因數(shù)。

親水聚合物PVP修飾的碳納米管對(duì)防火材料的影響主要有兩方面：(1)成碳物質(zhì)均勻的分布于成膜物質(zhì)中，其超高的強(qiáng)度和與基料良好的相容性增加涂膜的強(qiáng)度，降低了涂層材料的黏度，提高涂膜的耐受性能性能，達(dá)到提高防火性能的目的；(2)均勻分散的成碳物質(zhì)在受熱膨脹后形成的炭化層結(jié)構(gòu)致密，強(qiáng)度高，不易坍塌，在火災(zāi)時(shí)的耐受性更好。在工藝優(yōu)化的研究中，要注意炭化層強(qiáng)度過強(qiáng)，涂料的防火性能更好，但嚴(yán)重削弱了膨脹發(fā)泡的能力，又會(huì)使涂料的防火性能及耐受性降低。因此在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況，選擇適中的修飾比例，以充分發(fā)揮碳納米管優(yōu)異的防火性能。

3.3 納米技術(shù)在防火涂料的應(yīng)用

隨著納米技術(shù)在上世紀(jì)末的提出，該技術(shù)逐漸的被應(yīng)用于電子電器產(chǎn)品的防火涂料的研究中，隨著分子尺寸到達(dá)納米級(jí)別時(shí)，表面性能改變明顯，表面活化能升高、比表面積增加，用于提升涂料面層材料的耐火極限、耐火性能及附著力將會(huì)產(chǎn)生顯著的效果[4]。

研究最熱門的材料TiO2、SiO2、Sb2O3、Al(OH)3、CaCO3、ZnO都是具有優(yōu)良性質(zhì)的功能組分，在防火涂料也有廣泛應(yīng)用。納米TiO2是無色的無機(jī)材料，與防火涂料成膜物質(zhì)有機(jī)高分子的極性相差較大，且表面能較高，自身易于聚合，在成膜物質(zhì)中的分散性較差。為利用二氧化鈦的高穩(wěn)定性、無毒、廉價(jià)等特點(diǎn)，采用表面嫁接有機(jī)小分子的策略使之與成膜物質(zhì)相容。納米TiO2的加入增加了燃燒后孔狀結(jié)構(gòu)中焦磷酸鈦的含量，由于焦磷酸鈦?zhàn)陨砭邆浣^熱性能，可對(duì)電子電器產(chǎn)品取到較好的保護(hù)；另一方面納米TiO2的高比表面積，提供更多的反應(yīng)活性位點(diǎn)，在反應(yīng)進(jìn)程中充當(dāng)催化劑活性中心，加速反應(yīng)的進(jìn)程，防火隔熱效果迅速。，納米SiO2表面的缺陷態(tài)、不飽和雙鍵，不僅具有儲(chǔ)能的作用，而且與基體中的分子間有較強(qiáng)的范德華力作用，這樣燃燒后炭質(zhì)層與基體結(jié)合相對(duì)較好，不易脫落，從而使耐火極限延長。

4.存在的問題及改進(jìn)方法

飾面型防火涂料在制備過程中，為了快速達(dá)到表干效果，往往會(huì)添加有機(jī)溶劑等有毒有害物質(zhì)，防火涂料在長期使用過程中，內(nèi)部有害物質(zhì)殘留會(huì)逐漸向外擴(kuò)散，影響環(huán)境空氣。為達(dá)到更好的阻燃效果，含Cl、N等元素的阻燃劑也會(huì)選用，在燃燒過程中，生成大量的有毒氣體，可對(duì)人體健康造成直接威脅。面對(duì)嚴(yán)峻的環(huán)境問題，對(duì)環(huán)保型防火涂料的研發(fā)需求量大。水性防火涂料、液體無溶劑防火涂料、固體防火涂料是現(xiàn)行發(fā)展環(huán)保型防水涂料的可行途徑，但環(huán)保型防火涂料在涂層的附著力、耐火性能、耐久性等方面存在天然的不足，因此改進(jìn)制備生產(chǎn)工藝，提升環(huán)保型防火涂料的性能是近年來發(fā)展的重要方向。

5.結(jié)語

制備功能多樣、阻燃性能突出的防火涂料可以對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)、公共場所、家電、智能設(shè)備有較好的保護(hù)作用。隨著環(huán)境健康越來越受重視，環(huán)境友好型的防火涂料是未來的主要發(fā)展趨勢。防火涂料行業(yè)必須加大此領(lǐng)域的科技研發(fā)力度，提高自主創(chuàng)新能力，提高核心競爭力，使得生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，滿足防火需求及環(huán)保要求。

[1]陳向榮,徐陽,徐杰．等．交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣中電樹枝測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．絕緣材料,2010,43(2)：61-64．

[2]GA181-1998,電纜防火涂料通用技術(shù)條件[S]．

[3]任京城,沈萬慈,楊贊中,等．膨脹石墨-一種新型環(huán)境材料[J]．中國非金屬礦業(yè)導(dǎo)刊,1999(3)：25-26．

[4]武利民．納米材料在涂料中的應(yīng)用[J]．材料導(dǎo)報(bào),2001(4)：51-52．

郭志強(qiáng)（1980—），男，福建福安人，福建省龍巖市公安消防支隊(duì)防火處9級(jí)助理工程師，主要從事火災(zāi)調(diào)查工作。