電子產品中防火涂料的研究現狀

龍巖市公安消防支隊 郭志強 孫高穹

電子產品中防火涂料的研究現狀

龍巖市公安消防支隊 郭志強 孫高穹

電子產品在使用過程中不可避免的產生熱量，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風險。在電子產品設計中，風扇、空氣冷凝等降溫處理是常見的技術方法，但對于小巧、集成度高的電子產品、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現狀，重點闡述新型防火涂料的特點及研究現狀。

電子產品；防火涂料；新型防火涂料；納米技術

1.防火涂料現狀

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、顏料、填料、助劑、功能組分、有機溶劑或水組成構成。其中助劑含量一般較少，但作用較為重要，各機構對助劑的研發現已成為研究的熱點，好的助劑對防火涂料的防火能力有著顯著增強效果。除此之外，防火材料中起主要作用的成膜物質及功能組分決定了防火涂層理化性質。成膜物質一般來源于高分子樹脂，在保證涂料涂層附著力、穩定性的同時，也能夠充當膨脹型防火涂料的碳源，起到防火效果。為達到涂料防火的效果，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。因此研發優質、廉價、無毒環保的添加劑來提升防火涂料性能是一個重要研究領域（有機高分子材料）。

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、成炭物質、成炭催化劑、發泡劑、無機顏料填料等。

成膜物質：成膜物質是現行所有涂料類產品的制備基礎，對涂料的基礎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環境下所具有的各種使用性能，也能夠在火災突發時，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，達到阻止火災蔓延、劇烈燃燒的效果。

成碳物質、成炭催化劑：成炭物質來源廣、類型多，較為常見的是高分子化合物，該類物質的特點是含有豐富的羥基基團，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，是反應活性位點，易于參與化學反應形成不易燃的泡沫炭化層三維空間結構，是膨脹型防火材料泡沫炭化層的骨架構成；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的轉變，起到促進、改變反應進程的效果。對成碳物質進行脫水碳化，得到具有阻燃性能的三維結構的碳骨架，使得碳化反應的有害物質（焦油、醛酮化合物）減少，通過改變反應機理使得碳氧反應的程度降低，降低反應熱。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。

發泡劑：膨脹型防火涂料遇到熱源時，涂層表面形成孔狀結構，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，該氣體產物也進一步促進涂層膨脹鼓起，使得涂層比表面積增加，發泡劑的作用越來越明顯。常見的發泡劑有三聚氰胺、雙氰胺、聚磷酸氨、氯化石蠟、磷酸氨鹽、氨基樹脂等。

無機顏料填料：無機顏料填料對膨脹型防火涂料來說充當了助劑作用，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，生成的發泡層致密程度高，強度更大，防火效果更優秀。常用的無機顏料填料有鈦白粉、氧化鋅、鐵黃、鐵紅等。

2.2 防火原理

分析燃燒的必要條件，阻止燃燒的進一步進行，需將可燃物、氧氣、熱源的其中之一分離開來。結合防火涂料的結構、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構較穩定，使得被保護的電子元器件、木材等與空氣隔絕，達到了阻止、延緩的目的；(2)防火涂料中成碳催化劑改變反應途徑，向低能量反應方向進行，有效較少了反應產熱的效果，除此之外，生成的不可燃氣體持續的存在于三維孔狀孔隙內部，起到保護作用；(3)燃燒往往是游離自由基的連鎖反應，而常見的氮、磷防火涂料受熱分解生成的活性自由基團與有機自由基結合，競爭性的中斷連鎖反應，降低燃燒速度；(4)膨脹型防火涂料在熱源作用下膨脹發泡鼓起，生成一層致密的泡沫隔熱層，封閉被保護的基材，阻止基材燃燒。

本研究42例疑似乳腺病變患者相關數據應用SPSS 19.0軟件對比分析，2種檢查靈敏度、特異度、準確性情況行χ2檢驗，采用（n%）表示。以P＜0.05為校驗水準，對本研究結果統計學意義情況予以檢驗。

非膨脹型防火涂料原理：非膨脹型無機涂層的防火作用機理主要得益于涂料涂層自身的結構穩定性、阻燃性以及在高溫環境下形成的類似于致密的陶瓷釉層結構保護層，阻止空氣等可燃氣體的進入，達到隔熱、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，在成膜物質的主導下，在基材表面生產一層均勻的模。在明火或強熱源的作用下，涂層膨脹炭化，形成一個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基材的加熱，從而達到阻燃效果；另一方面，涂層受熱產生一系列的物理化學變化（軟化、熔融、蒸發、膨脹、分解、解聚、化合等），在這些物理和化學的變化過程中，吸收大量的熱能，抵消一部分外界作用于基材的能量，達到了對被保護物體的受熱升溫過程的延滯作用。涂層在高溫下發生脫水炭化反應和熔融覆蓋作用，隔絕了空氣，使有機物轉化為炭化層，從而避免了氧化放熱反應發生。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，從而抑制燃燒反應的進行。

3.電子產品中防火涂料的應用及研究

3.1 防火涂料對線纜產品的隔熱防火應用及評估方法

隨著人們安全意識的提升，對建筑、公共場所、家庭電子電器產品的防火要求不斷提高，對防火設施、能力越來越重視，在相關領域防火材料的應用較為廣泛。

常見的交聯聚乙烯絕緣聚護套電纜的絕緣材料為交聯聚乙烯，是一種以乙烯為基本單體，通過縮聚反應形成的高分子聚合物，具有化學性能穩定、無毒、絕緣性好、使用壽命長等特點，可長期使用溫度可達90℃。綜合價格、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℃，降低了整個電纜產品的耐熱防火性能[1]。因此，為滿足高條件下電纜護套的耐火能力，常將電線電纜裝于金屬保護管或者有防火涂料的PVC保護管。

現行電纜防火涂料的檢測標準僅有GA181-1998《電纜防火涂料通用技術要求》[2]，標準中對電線電纜防火涂料僅規定了涂層厚度指標，沒有對火災情況下電線電纜的耐久性做出明確規定；依據GB/T50016-2006《建筑設計防火規范》[5]的規定，對消防電纜的選型及鋪設不明確，僅注明采取保護措施，沒有具體參考指標。針對上述標準對具體的涂層厚度與電線電纜有效供電時間之間關系的不明確性。利用自主設計的塑料電纜熱輻射試驗爐來模擬標準的火災環境，采用絕緣電阻測試系統，研究防火涂料涂層厚度對電線電纜防火性能的影響及線纜絕緣失效的溫度與時間的關系。指導電線電纜制造工藝中對防火材料的選用及制造工藝控制。

經過一系列的科學實驗，得出電線電纜耐火失效時間與涂層厚度成正相關關系。結合產品成本，施工便利性，涂層厚度應該適當控制。涂層過厚會減少電纜工作時的熱擴散能力，致使電纜溫度升高，加速電纜老化，提升使用風險，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，附著力變弱，因此會出現剝落、開裂等現象?？紤]電線電纜施工、安裝的實際要求，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，易導致涂層厚度不均勻、附著力不強。為改善涂層的均勻性及附著力的理化性質，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。

在有機硅改性丙烯酸樹脂防火涂料的制備工藝中，在傳統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涂料在均一度、附著力上有著明顯增強。通過熱重分析（TGA）分析性能增強的機理，得出膨脹石墨存在的不同價態存在形式，分解溫度分布均勻，形成三維結構平緩，產生的阻燃氣體速率適中，有效延緩了火勢擴大，耐火時間長久[3]。

碳材料表面改性技術在防火涂料的制備上應用廣泛，從分子控制角度來解決涂層的分散性，同時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，將親水性物質結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規定的檢測方法，衡量改性涂料的耐火性能。

試驗結果表明：當改性碳納米管含量從0增加到0.01%時，樣品背面溫度升至250℃所用的時間明顯上升；當含量超過0.01%時，所用時間并無明顯延長。質量分數從0到0.005%時，樣品背面溫度從250℃上升到300℃所用的時間明顯上升，隨后涂料樣品的改性碳納米管含量繼續增加，達到背面設定溫度的時間縮短，甚至質量分數高于0.01%時，相較于未修飾的涂層，達到所需溫度的時間更短。在修飾的碳納米管材料類型中，最優添加量約為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。防火涂料的最優添加量還應考慮膨脹倍率的影響因數。

親水聚合物PVP修飾的碳納米管對防火材料的影響主要有兩方面：(1)成碳物質均勻的分布于成膜物質中，其超高的強度和與基料良好的相容性增加涂膜的強度，降低了涂層材料的黏度，提高涂膜的耐受性能性能，達到提高防火性能的目的；(2)均勻分散的成碳物質在受熱膨脹后形成的炭化層結構致密，強度高，不易坍塌，在火災時的耐受性更好。在工藝優化的研究中，要注意炭化層強度過強，涂料的防火性能更好，但嚴重削弱了膨脹發泡的能力，又會使涂料的防火性能及耐受性降低。因此在現實應用中應該結合實際情況，選擇適中的修飾比例，以充分發揮碳納米管優異的防火性能。

3.3 納米技術在防火涂料的應用

隨著納米技術在上世紀末的提出，該技術逐漸的被應用于電子電器產品的防火涂料的研究中，隨著分子尺寸到達納米級別時，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產生顯著的效果[4]。

研究最熱門的材料TiO2、SiO2、Sb2O3、Al(OH)3、CaCO3、ZnO都是具有優良性質的功能組分，在防火涂料也有廣泛應用。納米TiO2是無色的無機材料，與防火涂料成膜物質有機高分子的極性相差較大，且表面能較高，自身易于聚合，在成膜物質中的分散性較差。為利用二氧化鈦的高穩定性、無毒、廉價等特點，采用表面嫁接有機小分子的策略使之與成膜物質相容。納米TiO2的加入增加了燃燒后孔狀結構中焦磷酸鈦的含量，由于焦磷酸鈦自身具備絕熱性能，可對電子電器產品取到較好的保護；另一方面納米TiO2的高比表面積，提供更多的反應活性位點，在反應進程中充當催化劑活性中心，加速反應的進程，防火隔熱效果迅速。，納米SiO2表面的缺陷態、不飽和雙鍵，不僅具有儲能的作用，而且與基體中的分子間有較強的范德華力作用，這樣燃燒后炭質層與基體結合相對較好，不易脫落，從而使耐火極限延長。

4.存在的問題及改進方法

飾面型防火涂料在制備過程中，為了快速達到表干效果，往往會添加有機溶劑等有毒有害物質，防火涂料在長期使用過程中，內部有害物質殘留會逐漸向外擴散，影響環境空氣。為達到更好的阻燃效果，含Cl、N等元素的阻燃劑也會選用，在燃燒過程中，生成大量的有毒氣體，可對人體健康造成直接威脅。面對嚴峻的環境問題，對環保型防火涂料的研發需求量大。水性防火涂料、液體無溶劑防火涂料、固體防火涂料是現行發展環保型防水涂料的可行途徑，但環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，因此改進制備生產工藝，提升環保型防火涂料的性能是近年來發展的重要方向。

5.結語

制備功能多樣、阻燃性能突出的防火涂料可以對建筑鋼結構、公共場所、家電、智能設備有較好的保護作用。隨著環境健康越來越受重視，環境友好型的防火涂料是未來的主要發展趨勢。防火涂料行業必須加大此領域的科技研發力度，提高自主創新能力，提高核心競爭力，使得生產的產品質優價廉，滿足防火需求及環保要求。

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

[2]GA181-1998,電纜防火涂料通用技術條件[S]．

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

[4]武利民．納米材料在涂料中的應用[J]．材料導報,2001(4)：51-52．

郭志強（1980—），男，福建福安人，福建省龍巖市公安消防支隊防火處9級助理工程師，主要從事火災調查工作。