电子产品中防火涂料的研究现状

龙岩市公安消防支队 郭志强 孙高穹

电子产品中防火涂料的研究现状

龙岩市公安消防支队 郭志强 孙高穹

电子产品在使用过程中不可避免的产生热量，在热量过大或者散热效果不明显，使得电子元器件存在潜在的火灾风险。在电子产品设计中，风扇、空气冷凝等降温处理是常见的技术方法，但对于小巧、集成度高的电子产品、集成线圈一般采用带有绝缘性能的防火涂料。本论文从防火涂料的研发现状，重点阐述新型防火涂料的特点及研究现状。

电子产品；防火涂料；新型防火涂料；纳米技术

1.防火涂料现状

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质、颜料、填料、助剂、功能组分、有机溶剂或水组成构成。其中助剂含量一般较少，但作用较为重要，各机构对助剂的研发现已成为研究的热点，好的助剂对防火涂料的防火能力有着显著增强效果。除此之外，防火材料中起主要作用的成膜物质及功能组分决定了防火涂层理化性质。成膜物质一般来源于高分子树脂，在保证涂料涂层附着力、稳定性的同时，也能够充当膨胀型防火涂料的碳源，起到防火效果。为达到涂料防火的效果，在膨胀型防火涂料的制备过程中往往添加多种助剂、功能组分，如阻燃剂、分散剂等，而添加量与普通涂料、油漆的填料含量相比有着明显的提升，含量最高可达70%左右，随之带来的问题就是防火涂料的分散性较差、粘稠度较高、涂料涂层附着力明显下降。因此研发优质、廉价、无毒环保的添加剂来提升防火涂料性能是一个重要研究领域（有机高分子材料）。

以常见的膨胀型防火涂料为例，一般情况下含有的组分可能有成膜物质、成炭物质、成炭催化剂、发泡剂、无机颜料填料等。

成膜物质：成膜物质是现行所有涂料类产品的制备基础，对涂料的基础理化性能取决定性作用，辅予合适的助剂修饰，在保证了涂层正常规环境下所具有的各种使用性能，也能够在火灾突发时，在火焰或者高温的作用下，使得涂层具有难于燃烧和明显的体积膨胀变化，达到阻止火灾蔓延、剧烈燃烧的效果。

成碳物质、成炭催化剂：成炭物质来源广、类型多，较为常见的是高分子化合物，该类物质的特点是含有丰富的羟基基团，如淀粉、多糖、季戊四醇、二季戊四醇、三季戊四醇、多羟基树脂等。该组分由于存在丰富的羟基，是反应活性位点，易于参与化学反应形成不易燃的泡沫炭化层三维空间结构，是膨胀型防火材料泡沫炭化层的骨架构成；成炭催化剂主要由羧酸根和碱化合物组成，在受热条件下加速成碳物质的转变，起到促进、改变反应进程的效果。对成碳物质进行脱水碳化，得到具有阻燃性能的三维结构的碳骨架，使得碳化反应的有害物质（焦油、醛酮化合物）减少，通过改变反应机理使得碳氧反应的程度降低，降低反应热。常见的成碳催化剂有聚磷酸按、多聚磷酸氨、磷酸氢氨、磷酸二氢氨等。

发泡剂：膨胀型防火涂料遇到热源时，涂层表面形成孔状结构，在成碳催化剂的作用下，生成不支持燃烧的二氧化碳、氯化氢、水蒸汽、氨等，该气体产物也进一步促进涂层膨胀鼓起，使得涂层比表面积增加，发泡剂的作用越来越明显。常见的发泡剂有三聚氰胺、双氰胺、聚磷酸氨、氯化石蜡、磷酸氨盐、氨基树脂等。

无机颜料填料：无机颜料填料对膨胀型防火涂料来说充当了助剂作用，具有用量少，能够起到特殊作用的效果，在保证阻燃、隔热的同时，生成的发泡层致密程度高，强度更大，防火效果更优秀。常用的无机颜料填料有钛白粉、氧化锌、铁黄、铁红等。

2.2 防火原理

分析燃烧的必要条件，阻止燃烧的进一步进行，需将可燃物、氧气、热源的其中之一分离开来。结合防火涂料的结构、热分解原理，防火涂料起到防火作用主要来源于以下方面：

(1)防火涂料本身由高分子材料组成，可燃性一般较差而且结构较稳定，使得被保护的电子元器件、木材等与空气隔绝，达到了阻止、延缓的目的；(2)防火涂料中成碳催化剂改变反应途径，向低能量反应方向进行，有效较少了反应产热的效果，除此之外，生成的不可燃气体持续的存在于三维孔状孔隙内部，起到保护作用；(3)燃烧往往是游离自由基的连锁反应，而常见的氮、磷防火涂料受热分解生成的活性自由基团与有机自由基结合，竞争性的中断连锁反应，降低燃烧速度；(4)膨胀型防火涂料在热源作用下膨胀发泡鼓起，生成一层致密的泡沫隔热层，封闭被保护的基材，阻止基材燃烧。

本研究42例疑似乳腺病变患者相关数据应用SPSS 19.0软件对比分析，2种检查灵敏度、特异度、准确性情况行χ2检验，采用（n%）表示。以P＜0.05为校验水准，对本研究结果统计学意义情况予以检验。

非膨胀型防火涂料原理：非膨胀型无机涂层的防火作用机理主要得益于涂料涂层自身的结构稳定性、阻燃性以及在高温环境下形成的类似于致密的陶瓷釉层结构保护层，阻止空气等可燃气体的进入，达到隔热、阻燃效果。

膨胀型防火涂料防火原理：膨胀型防火涂料在涂布后，在成膜物质的主导下，在基材表面生产一层均匀的模。在明火或强热源的作用下，涂层膨胀炭化，形成一个比原来厚度大几十倍甚至几百倍的阻燃蜂窝泡沫状炭化层，它可以割断外界火源对基材的加热，从而达到阻燃效果；另一方面，涂层受热产生一系列的物理化学变化（软化、熔融、蒸发、膨胀、分解、解聚、化合等），在这些物理和化学的变化过程中，吸收大量的热能，抵消一部分外界作用于基材的能量，达到了对被保护物体的受热升温过程的延滞作用。涂层在高温下发生脱水炭化反应和熔融覆盖作用，隔绝了空气，使有机物转化为炭化层，从而避免了氧化放热反应发生。另外由于涂层在高温下分解出不燃性气体，如氨、水等，稀释氧气氧浓度，从而抑制燃烧反应的进行。

3.电子产品中防火涂料的应用及研究

3.1 防火涂料对线缆产品的隔热防火应用及评估方法

随着人们安全意识的提升，对建筑、公共场所、家庭电子电器产品的防火要求不断提高，对防火设施、能力越来越重视，在相关领域防火材料的应用较为广泛。

常见的交联聚乙烯绝缘聚护套电缆的绝缘材料为交联聚乙烯，是一种以乙烯为基本单体，通过缩聚反应形成的高分子聚合物，具有化学性能稳定、无毒、绝缘性好、使用寿命长等特点，可长期使用温度可达90℃。综合价格、成本等问题，制造商往往采用聚氯乙烯(PVC)，其长期使用温度仅为60℃，降低了整个电缆产品的耐热防火性能[1]。因此，为满足高条件下电缆护套的耐火能力，常将电线电缆装于金属保护管或者有防火涂料的PVC保护管。

现行电缆防火涂料的检测标准仅有GA181-1998《电缆防火涂料通用技术要求》[2]，标准中对电线电缆防火涂料仅规定了涂层厚度指标，没有对火灾情况下电线电缆的耐久性做出明确规定；依据GB/T50016-2006《建筑设计防火规范》[5]的规定，对消防电缆的选型及铺设不明确，仅注明采取保护措施，没有具体参考指标。针对上述标准对具体的涂层厚度与电线电缆有效供电时间之间关系的不明确性。利用自主设计的塑料电缆热辐射试验炉来模拟标准的火灾环境，采用绝缘电阻测试系统，研究防火涂料涂层厚度对电线电缆防火性能的影响及线缆绝缘失效的温度与时间的关系。指导电线电缆制造工艺中对防火材料的选用及制造工艺控制。

经过一系列的科学实验，得出电线电缆耐火失效时间与涂层厚度成正相关关系。结合产品成本，施工便利性，涂层厚度应该适当控制。涂层过厚会减少电缆工作时的热扩散能力，致使电缆温度升高，加速电缆老化，提升使用风险，缩短寿命周期；此外，过厚的防火涂层在表干后，弯折性能下降，附着力变弱，因此会出现剥落、开裂等现象。考虑电线电缆施工、安装的实际要求，涂层厚度控制在1mm左右比较合理。

3.2 防火涂料改性研究

防火涂料的添加成分浓度大、粘性高，易导致涂层厚度不均匀、附着力不强。为改善涂层的均匀性及附着力的理化性质，采用膨化度高的石墨基料或表面性能改性，制备出耐火涂层黏度低、附着力好。

在有机硅改性丙烯酸树脂防火涂料的制备工艺中，在传统制备搅拌工艺处理中，添加适量的膨胀石墨及其他成分。制备出来的改性防火涂料比传统涂料在均一度、附着力上有着明显增强。通过热重分析（TGA）分析性能增强的机理，得出膨胀石墨存在的不同价态存在形式，分解温度分布均匀，形成三维结构平缓，产生的阻燃气体速率适中，有效延缓了火势扩大，耐火时间长久[3]。

碳材料表面改性技术在防火涂料的制备上应用广泛，从分子控制角度来解决涂层的分散性，同时也是水溶性防火涂料的研究手段。将一定量纯化的碳纳米管与两亲性聚合物PVP的水溶液通过超声吸附自组装的手段，将亲水性物质结合在碳纳米管表面获得改性的碳纳米管。以此为基料分散于成膜物质中，制备出水溶性碳纳米管防火涂料。借助热重分析手段，以GB14907-2002规定的检测方法，衡量改性涂料的耐火性能。

试验结果表明：当改性碳纳米管含量从0增加到0.01%时，样品背面温度升至250℃所用的时间明显上升；当含量超过0.01%时，所用时间并无明显延长。质量分数从0到0.005%时，样品背面温度从250℃上升到300℃所用的时间明显上升，随后涂料样品的改性碳纳米管含量继续增加，达到背面设定温度的时间缩短，甚至质量分数高于0.01%时，相较于未修饰的涂层，达到所需温度的时间更短。在修饰的碳纳米管材料类型中，最优添加量约为0.005%，可最大限度的延缓温度升高的速率，提高涂料的防火性能。防火涂料的最优添加量还应考虑膨胀倍率的影响因数。

亲水聚合物PVP修饰的碳纳米管对防火材料的影响主要有两方面：(1)成碳物质均匀的分布于成膜物质中，其超高的强度和与基料良好的相容性增加涂膜的强度，降低了涂层材料的黏度，提高涂膜的耐受性能性能，达到提高防火性能的目的；(2)均匀分散的成碳物质在受热膨胀后形成的炭化层结构致密，强度高，不易坍塌，在火灾时的耐受性更好。在工艺优化的研究中，要注意炭化层强度过强，涂料的防火性能更好，但严重削弱了膨胀发泡的能力，又会使涂料的防火性能及耐受性降低。因此在现实应用中应该结合实际情况，选择适中的修饰比例，以充分发挥碳纳米管优异的防火性能。

3.3 纳米技术在防火涂料的应用

随着纳米技术在上世纪末的提出，该技术逐渐的被应用于电子电器产品的防火涂料的研究中，随着分子尺寸到达纳米级别时，表面性能改变明显，表面活化能升高、比表面积增加，用于提升涂料面层材料的耐火极限、耐火性能及附着力将会产生显著的效果[4]。

研究最热门的材料TiO2、SiO2、Sb2O3、Al(OH)3、CaCO3、ZnO都是具有优良性质的功能组分，在防火涂料也有广泛应用。纳米TiO2是无色的无机材料，与防火涂料成膜物质有机高分子的极性相差较大，且表面能较高，自身易于聚合，在成膜物质中的分散性较差。为利用二氧化钛的高稳定性、无毒、廉价等特点，采用表面嫁接有机小分子的策略使之与成膜物质相容。纳米TiO2的加入增加了燃烧后孔状结构中焦磷酸钛的含量，由于焦磷酸钛自身具备绝热性能，可对电子电器产品取到较好的保护；另一方面纳米TiO2的高比表面积，提供更多的反应活性位点，在反应进程中充当催化剂活性中心，加速反应的进程，防火隔热效果迅速。，纳米SiO2表面的缺陷态、不饱和双键，不仅具有储能的作用，而且与基体中的分子间有较强的范德华力作用，这样燃烧后炭质层与基体结合相对较好，不易脱落，从而使耐火极限延长。

4.存在的问题及改进方法

饰面型防火涂料在制备过程中，为了快速达到表干效果，往往会添加有机溶剂等有毒有害物质，防火涂料在长期使用过程中，内部有害物质残留会逐渐向外扩散，影响环境空气。为达到更好的阻燃效果，含Cl、N等元素的阻燃剂也会选用，在燃烧过程中，生成大量的有毒气体，可对人体健康造成直接威胁。面对严峻的环境问题，对环保型防火涂料的研发需求量大。水性防火涂料、液体无溶剂防火涂料、固体防火涂料是现行发展环保型防水涂料的可行途径，但环保型防火涂料在涂层的附着力、耐火性能、耐久性等方面存在天然的不足，因此改进制备生产工艺，提升环保型防火涂料的性能是近年来发展的重要方向。

5.结语

制备功能多样、阻燃性能突出的防火涂料可以对建筑钢结构、公共场所、家电、智能设备有较好的保护作用。随着环境健康越来越受重视，环境友好型的防火涂料是未来的主要发展趋势。防火涂料行业必须加大此领域的科技研发力度，提高自主创新能力，提高核心竞争力，使得生产的产品质优价廉，满足防火需求及环保要求。

[1]陈向荣,徐阳,徐杰．等．交联聚乙烯电缆绝缘中电树枝测试系统设计[J]．绝缘材料,2010,43(2)：61-64．

[2]GA181-1998,电缆防火涂料通用技术条件[S]．

[3]任京城,沈万慈,杨赞中,等．膨胀石墨-一种新型环境材料[J]．中国非金属矿业导刊,1999(3)：25-26．

[4]武利民．纳米材料在涂料中的应用[J]．材料导报,2001(4)：51-52．

郭志强（1980—），男，福建福安人，福建省龙岩市公安消防支队防火处9级助理工程师，主要从事火灾调查工作。