阻燃膨脹塗料的防火過程中具體發生了什麽？

阻燃膨脹塗層通過在高溫下的吸熱分解反應過程防止火焰，使材料膨脹並發泡成高度多孔、厚且熱穩定的炭層 [ 90 , 91 ]。由於(yu) 塗層的高空隙率和厚度，它可以作為(wei) 底層基材的絕緣屏障，防止火焰和熱量 [ 92 ]。膨脹塗層可以通過在結構元件上塗漆或噴塗液體(ti) 化合物來應用。在一段時間內(nei) ，這些化合物在空氣中固化形成固體(ti) 膨脹膜 [ 82 , 93]。通常，使用這種方法可實現的最大塗層厚度必須小於(yu) 5 毫米。如果需要更厚的塗層，可以通過使用高溫粘合劑將纖維膨脹墊直接粘合到基材上來應用。

阻燃膨脹型塗料通過三個反應過程提供防火保護

（i）塗層材料分解，

（ii）分解反應產(chan) 生的惰性氣體(ti) 以足夠的速度產(chan) 生以引導熱對流氣流，最重要的是，

（iii ) 塗層膨脹成高度多孔的炭層，對從(cong) 火焰到下麵的複合基材的熱傳(chuan) 導具有很高的抵抗力 。

事實上，膨脹型塗料由多種化合物組成，每種化合物在膨脹過程中都發揮著特定的作用。富碳（含碳）化合物、無機酸或酸鹽、有機胺或酰胺和發泡劑是膨脹型塗料中涉及的四種主要化合物（泡沫）[ 72 ]。為(wei) 了發生膨脹，這些化合物必須幾乎同時以正確的順序經曆一係列分解反應和物理過程[ 93 ]。圖 5描述了這些過程的順序，這些過程有助於(yu) 膨脹的發生。如果兩(liang) 個(ge) 過程之間的時間太長，或者如果它們(men) 沒有按照正確的順序進行，塗層將不會(hui) 膨脹 [ 99 ]。

塗層內的無機酸或酸鹽的分解引發了膨脹過程

酸分解溫度必須足夠高，以使正常的外部加熱（即陽光直射加熱）不會(hui) 導致塗層在沒有火焰的情況下膨脹；因此，它必須低於(yu) 複合基材的熱解溫度 [ 56 , 87 , 100]。此外，為(wei) 了確保含碳化合物的脫水，酸必須在塗層中的任何其他化合物之前分解。線性高分子量聚磷酸銨 (APP)、硼酸鋅、有機酯、三聚氰胺 (MEL) 磷酸鹽以及銨鹽、酰胺鹽或胺鹽是常用的酸性化合物。這些化合物在 100 至 250 °C 的溫度範圍內(nei) 分解，低於(yu) 複合材料中使用的大多數有機樹脂的熱解溫度。有機酰胺或胺的使用可以催化酸分解反應[ 72 ]。

然後通過與(yu) 分解的無機鹽的脫水反應分解碳化物，在該反應中轉化為(wei) 碳質炭。碳化物是一種富含碳的多元化合物，會(hui) 產(chan) 生大量的炭，通常是聚碳酸酯（澱粉或多元醇）或苯酚（苯酚-甲醛）[ 101 ]。然後通過發泡劑的分解使熱的粘性炭膨脹。炭的膨脹取決(jue) 於(yu) 碳化劑和發泡劑的同時分解；否則，塗層將無法完全膨脹 [ 102]。發泡劑通過吸熱反應分解，產(chan) 生大量不可燃氣體(ti) ，導致炭熔體(ti) 膨脹。通常使用的發泡劑是氮化合物，例如尿素、胍、雙氰胺、甘氨酸和 MEL，它們(men) 會(hui) 產(chan) 生氨 (NH 3 )、二氧化碳 (CO 2 ) 和水 (H 2 O) 蒸汽 [ 103 ]。同時，氯化石蠟是另一種可以使用的高效發泡劑，產(chan) 生氯化氫、CO 2和H 2O蒸氣。氣體(ti) 聚集成小氣泡，導致炭起泡和膨脹。塗層最終硬化成厚厚的多細胞材料，減緩了從(cong) 火焰到複合基材的熱傳(chuan) 導。

隨後，當發生膨脹時，膨脹塗層的厚度從(cong) 其原始厚度增加許多倍。優(you) 異的膨脹型塗層可膨脹 50 至 200 倍，形成精細尺度的多細胞網絡，細胞尺寸範圍為(wei) 20 至 50 µm，壁厚範圍為(wei) 6 至 8 µm [ 82 , 93 ]。奧利瓦等人。發現在膨脹型塗層中添加石墨片可以提高阻燃性 [ 104 ]。加熱時，薄片會(hui) 膨脹多達 100 倍，從(cong) 而形成更有效的絕緣層 [ 105 ]。除此之外，添加有助於(yu) 細胞成核的惰性填料可用於(yu) 控製細胞大小 [ 106 ]。填料，例如氧化鈦（TiO 2) 和二氧化矽，通常用於(yu) 減小細胞的平均直徑。事實上，製造商嚴(yan) 格控製商業(ye) 膨脹塗料中使用的化合物的確切化學成分。雖然可用於(yu) 配製膨脹型組合物的化合物範圍很廣，但在實踐中僅(jin) 使用了少數幾種。

除了控製膨脹過程的化合物之外，塗層還可以包含用於(yu) 膨脹以外目的的其他添加劑。例如，塗料可能含有聚結劑、增稠劑、抗氧化劑、研磨纖維和用於(yu) 結構增強的著色顏料 [ 91 , 107 ]。

膨脹型塗料的缺陷與解決

在火焰中，膨脹型塗層是很好的絕熱體(ti) ，可減慢熱傳(chuan) 遞到基材的速度。膨脹型塗料在延緩燃燒、減緩熱量釋放、抑製火焰蔓延和降低複合材料中的煙霧密度方麵非常有效 [ 85 , 108 ]。雖然膨脹型塗層可以保護複合材料免受熱和火焰的影響，但它們(men) 也有幾個(ge) 缺點。許多商業(ye) 塗料產(chan) 品與(yu) 基材的結合力較弱，並且在膨脹過程中經常脫落，將底層複合材料直接暴露在火焰中 [ 109]。因此，當塗層應用於(yu) 垂直（即牆壁）或頭頂（即天花板）結構時，這是常見的情況。因此，為(wei) 確保充分的防火保護，塗層必須與(yu) 基材牢固結合並具有足夠的機械強度 [ 82 ]。膨脹型塗料的其他問題包括與(yu) 某些製造工藝不兼容、美觀性差、耐用性差、快速風化（即紫外線輻射、吸濕）以及耐磨性和侵蝕性低[ 101、110、111 ]。

為(wei) 了克服這些問題，必須對基於(yu) 熱固性環氧-胺體(ti) 係的膨脹型配方進行優(you) 化，並對其熱性能進行表征。例如，無機酸（即硼酸）和 APP 可單獨或組合用作膨脹型製造中的阻燃劑 [ 58 , 112 ]。發現使用不含阻燃劑的配方僅(jin) 提供與(yu) 原始基材相似的性能。如果在配方中單獨加入硼酸或APP，阻燃性能會(hui) 有所提高。然而，炭不能有效地粘附在基材上並脫落，導致基材暴露在外 [ 113]。同時，這兩(liang) 種阻燃添加劑在體(ti) 係中的組合產(chan) 生了較佳性能，並使炭附著在基材上。改進的行為(wei) 部分歸因於(yu) 磷酸鹽（促進基材粘附）和硼酸鹽（產(chan) 生非常硬的炭）的組合，導致硼磷酸鹽的形成。除此之外，在配方中添加硼酸會(hui) 通過形成硬質玻璃（氧化硼）來增加粘度，這種玻璃會(hui) 捕獲氣體(ti) 並產(chan) 生具有高機械阻力的炭[ 114 ]。