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。
(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”的一个方面的含义。
3 膨胀型防火涂料的防火隔热原理
膨胀型防火涂料防火隔热原理是 : 涂覆在被保护基材上的防火涂料在高温或火焰作用下，涂层剧烈膨胀炭化发泡，形成比原涂层厚度大几十倍的不燃的海绵状的炭质层，泡沫内充满不活性的气体，产生隔热效果。这种炭化层是很好的隔热体，断绝火焰对底材的直接加热，有效地阻止热量向底材的传递，并能使被保护的基材在一
定的时间内保持较低的温度；另外涂层的软化、熔融、膨胀等物理变化及聚合物、填料、助剂的分解、蒸发和炭化等化学作用将吸收大量热量，降低燃烧温度和火焰传播速度；另外膨胀发泡体系的磷酸盐和聚磷酸铵阻燃剂等酸源分解出的不燃性气体能冲淡氧气的浓度，形成炭质泡沫隔热层，封闭被保护的基材，阻止其着火燃烧。
一方面磷与氧及碳氢化合物燃烧，生成磷化物、一氧化碳、水蒸气等物质，比炭直接生成二氧化碳的反应热小，所以可减缓燃烧而阻燃；另一方面磷在燃烧时形成焦磷酸至偏磷酸，反应如下：
偏磷酸能聚合成非常稳定的多聚态，成为易燃材料的保护层而将氧气隔绝。另外受热脱水生成焦磷酸、偏磷酸过程，可促使材料表面碳化物的生成而起阻燃作用。
采用热差（ TG ）和差热（ DTA ）研究证实上述膨胀炭质层的阻燃机理，而且通过扫描电镜（ SEM ）、能谱仪（ ESD ）和元素分析等技术，对膨胀炭质层的结构分析发现，在膨胀型防火涂料中加入增强材料及无机添加剂使发泡层的强度得以提高，避免了发泡层被火焰冲破或发泡层脱落等现象 [1] 。其次，这些无机添加剂不仅能使涂料膨胀发泡层很致密，而且它们在受火甚至在持续的火焰作用下，不会分解成为气体化合物而烧失，以他们的稳定性而使膨胀发泡层保持有效的骨架成分，而长时间保持高效的隔热性，使膨胀发泡层经久耐烧，从而使防火涂料具有高效隔热防火性能。 X 射线及元素分析表明，炭质层表面的白色化合物为 TiP 2 O 7 和锐钛型 TiO 2 的混合物，而且含量越高，炭质层的阻燃效果越好。
4 非膨胀型防火涂料的防火隔热原理
非膨胀型的防火涂料防火隔热原理是 : 涂覆在被保护基材上的防火涂料本身的导热系数低，延滞了热量传向被保护基材的速度；另外涂覆在被保护基材上的涂层本身不燃或难燃，对基材起屏障和防止热辐射作用，避免了火焰和高温直接进攻被保护的基材；还有涂料中的有些组分遇火相互反应而生成不燃气体（如蒸汽、氯化氢、
氨气和二氧化碳等）以冲淡空气和氧气的浓度，并形成结构致密的不燃性“釉质层”，达到隔绝空气的目的，此过程是吸热反应，也消耗了大量的热，有利于降低体系的温度。防火涂料中的低密度耐高温的无机物或中空微球材料，成膜时形成热导率低的耐烧隔热涂层，具有高效的防火隔热效果。该类防火涂料涂膜完全不燃烧，也
不发烟。
5 不同类型防火涂料的应用比较
目前国内防火涂料的研究方兴未艾，正向系列化、多品种的趋势发展。防火涂料作为特种涂料 [2] ，它由基料及阻燃添加剂两部分组成，除了要求它具有能防火隔热这个特殊性能之外，还要求它应该能满足一定的使用要求，即要求它满足应具有普通涂料的装饰作用和对基材提供一定的物理保护性能指标。而涂料的理化性能主要
由涂料赖以形成涂膜的基料所决定，因此，研制防火涂料的过程，要根据防火涂料的用途来选择原料，一般是首先确定基料。在基料确定之后，要对组成防火体系的物质及其他添加剂进行选择 [3] ，原料选择的基本条件是根据国内现有材料情况、防火涂料的用途，首先应考虑原料能否与基料和其他成分相互配合，另外还要考虑
经济性、火灾时基本不产生毒气和浓烟以及隔热性、容重、发泡率等性能。在这些主要成分确定之后，最后进行基料、原料、各种添加剂之间的合理配比等方面的研究，最终筛选得到既有高效的防火隔热效果，又有优良理化性能的防火涂料满意的配方。
前已述及，非膨胀型防火涂料受火时涂层基本上不发生体积变化，形成釉状保护层，它能起隔绝氧气的作用，使氧气不能与被保护的易燃基材接触，从而避免或降低燃烧反应。但这类涂料所生成的釉状保护层导热率往往较大，隔热效果差。为了取得一定的防火效果，一般涂层较厚。即使这样，其防火隔热的作用也是很有限的。
膨胀型防火涂料涂层在受火时膨胀发泡，形成泡沫层，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。涂层膨胀发泡产生泡沫层的过程因为体积扩大而呈吸热反应，也消耗大量的热量，有利于降低体系的温度，故其防火隔热效果显著。
由于非膨胀型防火涂料一般比膨胀型防火涂料的涂层厚，因而其单位面积用量大，使用成本高，装饰效果差，并且其防火隔热效果不及膨胀型防火涂料，所以现在饰面性防火涂料和电缆防火涂料和超薄型钢结构防火涂料的研究一般都走“膨胀型”的技术途径。
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