铝酸锌对水性膨胀型防火涂料的阻燃消烟实验研究

吴亚楠， 鲁宁

（重庆科技学院安全工程学院，重庆401331）

水性膨胀型防火涂料是以水作为分散介质，成本低、低毒、不污染环境、常温干燥、不仅具有高效的防火功能，也有具备很好的装饰功能[1].涂层在常温状况下为普通涂膜，遇火或高温状况下，膨胀发泡形成海绵状或蜂窝状多孔、致密、导热系数低、阻隔氧气和热量的碳质层，将火源和空气与可燃基材有效隔离，同时产生CO2、NH3等不燃性气体，从而减缓温度向基材的传导和火焰的蔓延[2-3].目前国内防火涂料烟气危害还未引起足够重视，主要集中于研究单一化合物的抑烟性能，对防火涂料一类的混合型材料研究得非常之少.在防火涂料膨胀成碳过程中，膨胀型防火涂料受热释放出大量烟气和有毒气体，在火灾环境下死亡人员85%以上是由于吸入烟气致死[4].因此，加强抑烟剂对涂料防火性能、抑烟性能的研究有利于减缓火灾中的人员伤亡和财产损失.文中采用铝酸锌作为阻燃抑烟剂，研究其对膨胀型防火涂料的阻燃性能及消烟作用.

1 实 验

1.1 实验原料及仪器

三聚氰胺，CP化学纯，成都市科龙化工试剂厂；季戊四醇，CP化学纯，成都市科龙化工试剂厂；聚磷酸铵，GR优级纯，上海源叶生物科技有限公司；助剂，宜兴市可信的化工有限公司；聚丙烯酸乳液（弹性），工业级，成都市科龙化工试剂厂；阻燃抑烟剂（铝酸锌），济南上善精细化工有限公司.

电热鼓风干燥箱，型号BZF-30，上号齐欣科学仪器有限公司；电子天平，YP30001，上海佑科仪器仪表有限公司；电动搅拌器，D2010W，上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司；锥形量热仪，FTT 0007，英国FTT公司.

1.2 样品制备及实验过程

将防火组份充分研磨后分别用200目筛过筛，将粉末状原料混合用搅拌机低速搅拌均匀，再添加不同添量的阻燃抑烟剂、成膜助剂、乳液、其他助剂及适量水，高速搅拌40～50 min，再将搅拌器调制低速搅拌30～40 min进行消泡后出料[5].将添加了不同阻燃抑烟剂的涂料倒至100×100 mm的铝箔纸中，统一称重30 g.加上基础涂料共7组样品，每组式样制备2块作为样板.将样品放置于温度（23±2）℃，相对湿度为（50±5）%的环境下调节至质量恒定后进行各项性能测试[6].实验样品具体参数见表1.

本实验应用英国FTT公司生产的型号为FTT 0007标准型锥形量热仪进行涂层防火及烟气测试，具体操作按照ISO 5660标准[6]进行.将100×100×2 mm的样品水平放置在采用石棉网进行底部处理的不锈钢样品架上，采用辐射热为25 kW/h对添加了不同加量铝酸锌的膨胀型防火涂料的7组样品进行加热，使热电弧作用于涂层表面，每隔5 s采集一次热释放速率、烟气释放量等防火抑烟指标.最后将仪器所采集的数据使用origin 9.0进行整理，获取样品阻燃抑烟性能参数.

表1 实验样品参数

2 结果与分析

不同加量铝酸锌防火涂料的7组样品在辐射热为25 kW/h条件下进行阻燃抑烟性能试验，部分测试结果如表2所示.

表2 不同加量铝酸锌样品测试结果

根据表2中的实验结果，AL-3样品的总释热量远小于未添加阻燃抑烟剂铝酸锌前的涂层释热总量.仅AL-4的总释热量超过基础涂料，说明铝酸锌的适量添加不会降低涂层的防火性能.未添加铝酸锌阻燃抑烟剂的基础样品AL-0总生烟量为68.4 m2/m2，其中AL-1所产生的烟气最少、AL-2、AL-3次之，除AL-6外加入其他添量铝酸锌后的样品经测试总生烟速率均不同程度的减少，说明铝酸锌的适量添加对膨胀型防火涂料会起到一定的抑烟作用.

2.1 热释放速率及总释热量（HRR、THR）

热释放速率（HRR）表示单位面积样品释放热量的速率，总释热量（THR）是指材料在高温辐射条件始至完全停止实验所释放出的热量总和，将HRR和THR联合分析，可以较为客观全面的反映涂层的防火性能[7-8].基础涂层及不同添量铝酸锌涂层的HHR曲线如图1所示.

图1 添加铝酸锌前后热释放速率曲线

图1 （a）是未添加铝酸锌的基础涂层AL-0在辐射热为25 kW/h下的热释放速率曲线，涂层在30～70 s之间开始逐渐释放热量，开始产生烟气，高温辐射至575 s时达到最大热释放速率5.75 kW/m2.图 1（b）是 AL-1、AL-2、AL-3 样品涂层的 HRR 曲线，图 1（c）是 AL-4、AL-5、AL-6 涂层的 HRR 曲线，变化趋势大致相同.AL-3的涂层在505 s时达到最大热释放速率2.90 kW/m2，较AL-0涂层达到最大热释放速率时间延缓138 s，最大热释放速率较AL-0减少31.4%.通过对比分析得出铝酸锌当添量为6%是对膨胀型防火涂料的阻燃性能影响最小，在一定程度上还提高了涂层阻燃效果.因研究其烟气释放，未将涂料涂刷至木板上，不会出现热释放猛然增加的阶段，所有HRR呈现出不稳定释放.同时对比燃烧后的残炭如图2所示，添加铝酸锌后的涂层碳质层更为致密，是由于铝酸锌作为阻燃抑烟剂在固相中融化，形成玻璃体的覆盖层，封闭在产物表面，减少了热释放速率.

图2 添加铝酸锌前后膨胀炭层宏观形貌

图3 是添加硼酸锌前后膨胀型防火涂层总释放热量曲线，600 s时AL-0释放出的总热量为1.6336 kW，AL-1至AL-6样品涂层中，AL-3的总释放热量最小为0.53882 kW，AL-6涂层总释放热量最大为2.12796 kW.除AL-4外其他的热释放总量均小于AL-0涂层，说明铝酸锌的适量加入有效阻止了热量的向外传递，降低了热释放量，结合HRR分析得出铝酸锌的适量添加未降低基础涂料的防火性能.

图3 添量铝酸锌前后总释热速率曲线

2.2 烟释放速率及总生烟量（SPR、TSR）

烟气是火灾中最先产生也是最容易致死的影响因素，烟释放速率可以反映烟气释放及涂层生烟情况[9].图4是未添加铝酸锌样品的烟气释放速率及添量铝酸锌后膨胀型防火涂料在高温辐射下烟释放速率影响曲线.通过对比RSR曲线可以看出，添加铝酸锌之前和添加铝酸锌之后的烟释放速率的大致趋势一致，AL-0在148 s生烟速率达到峰值，较添加铝酸锌样组达到生烟速率峰值时间长，AL-1、AL-3的SPR值明显降低，其他添量铝酸锌除AL-4涂层外的RSR也有一定程度的减少，从图中观察得到添加量为6%时生烟速率峰值最小，达到峰值的时间相对较短.分析其生烟速率下降的主要是因为铝酸锌加入到防火组分中，加速了炭层的形成，在固相中促进了膨胀体系成碳，减少了烟气尘的生成.

图4 添加铝酸锌前后烟释放速率曲线

图4 是未添加铝酸锌样品的烟气总释放量及添量铝酸锌后膨胀型防火涂料在高温辐射下烟释总释放量曲线.对比添加铝酸锌前后烟气总释放量曲线，当把铝酸锌引入膨胀型阻燃体系中时，烟释放量明显减少.AL-1的烟气释放量减少还程度最大，AL-3、AL-4次之，较AL-0最大减少44.4%的烟气总释放量.加入铝酸锌后的涂料生烟时间推迟，相比未添加样品，最大推迟时间为42 s.铝酸锌的加入对膨胀阻燃体系有显著的抑烟作用，铝酸锌的加入增加了炭层的致密程度，吸收热量降低了阴燃区域的温度，减缓了内部基材的分解，降低了生烟量[10-11].

图5 铝酸锌添加前后烟气总释放量曲线

2.3 CO平均释放量

图6 铝酸锌添加前后CO平均释放量曲线

高温燃烧时，燃烧物所产生的CO是衡量烟气毒性的重要参数之一[12].加入铝酸锌前后不同阶段CO释放情况如图6所示.由图6可知，AL-1防火涂层每个阶段释放出的CO平均含量均大于其他样组，AL-3防火涂层释放出的CO平均含量较AL-1降低25%，相比基础样品AL-0防火涂层CO平均含量降低15.06%.基础涂层AL-0的阶段性CO释放峰值为0.076 kg/kg，AL-1至AL-6的阶段性 CO峰值分别为 0.091 kg/kg、0.072 kg/kg、0.068 kg/kg、0.073 kg/kg、0.079 kg/kg、0.071 kg/kg，AL-3阶段性的CO释放量最小.

涂层在60～180 s初期受热阶段CO的平均量随着时间增加逐渐增多，在180 s后CO含量较180 s之前少，是由于在初期受热阶段表面物质温度逐渐上升，还未达到完全燃烧状态.在涂层表面温度上升至一定程度，阻燃体系及乳液反应较为充分，导致CO释放量减小.AL-3迅速吸热达到CO释放峰值，且峰值仅为0.068 kg/kg，随后CO释放量降低，说明涂层在燃烧初期CO释放可维持在较低的水平，有效降低了初期火灾烟气毒性的危险性.

3 结 论

1）铝酸锌的加入可有效降低膨胀型防火涂层烟气释放量，且添加铝酸锌用量为6%时涂层综合抑烟效果最佳，烟气总释放量为0.7 m2，较基础涂层降低41.6%；添加6%铝酸锌的涂热释放速率及总释热量为0.5 kW，未降低膨胀型防火涂料防火性能.

2）铝酸锌的加入可以延缓并减少CO释放量，添加铝酸锌用量为6%时的涂层前60 s一氧化碳平均释放量为0.065 kg/kg,60～120 s一氧化碳平均释放量为0.068 kg/kg，300～360 s一氧化碳平均释放量为0.062 kg/kg，有效降低初期涂层受热CO释放量.

3）铝酸锌提高了膨胀碳子层致密程度，使分解产物更多地保留于固相中，由此抑制了膨胀阻燃体系的燃烧产烟量.

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