| 防火涂料热降解的测试研究技术 |
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时间：2008/10/22
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【摘要】：介绍了防火涂料热降解的测试研究技术，并举例说明了这些技术在研究防火涂料热降解过程及机理中的作用，评述了各种测试研究技术的特点，说明采用多种测试技术联用是分析防火涂料热降解的方向。
关键词：防火涂料；热降解；测试技术
引言
防火涂料是指涂敷于可燃性基材表面，能降低被涂材料表面的可燃性、阻滞火灾的迅速蔓延，或是涂敷于结构材料表面，用于提高构件耐火极限的一类物质。近年来，防火涂料的研究进展很快，研究者不仅采用多种技术针对于防火涂料的耐火性能进行测试，以优选防火涂料配方；而且还采用多种新型技术对防火涂料的热降解过程进行测试，试图揭示防火涂料热降解的过程，或研究改性材料对防火涂料产生增效作用的原因。
由于以成炭催化剂/炭化剂/发泡剂和以可膨胀石墨(EG)为阻燃体系的膨胀型防火涂料是目前防火涂料的主要研究方向，因此本文主要列举近年膨胀型防火涂料的部分研究成果，综述用于研究防火涂料热降解过程的新型测试研究技术。
1、用于防火涂料热降解的测试研究技术
1.1热分析法
热分析是连续改变物质的温度，测量物质的物理性质与温度关系的技术。热分析虽是一种古老的分析技术，但因为随着电子技术的进步，操作变得更简单、分析精度更高和数据处理更加快捷，所以在防火涂料热降解机理研究中被广泛采用。
目前的热分析技术很多，其中热重(TGA)、差热分析(DTA)、差示扫描量热(DSC)在防火涂料热降解研究中使用最为普遍。TGA是在程序控制温度下，测量物质的质量与温度的关系，得到降解过程中质量变化及失质量速度，进而可以初步对防火涂料的热稳定性予以评估。DSC是在程序控温下，测量输入到物质和参比物的功率差与温度的关系的技术，可以用来测定防火涂料热降解过程中的反应热、转变热及反应速度等。DTA是在程序升(降)温Td(线)下一步脱水生成焦磷酸和多聚磷酸所产生的吸热峰；PER在364.8～360.8℃开始分解，温峰为341.3℃；MEL在300.1～381.2℃出现一个较窄的吸热峰，温峰为357.9℃。由此可见，APP、PER和MEL的分解温度接近，便于协同成炭。肖新颜[4]对APP/PER体系采用DSC测试，从202.6℃开始，体系出现一系列的吸热或放热现象，推测热降解过程包括APP分解产生水和氨气，同时发生交联反应形成多聚磷酸，它再与PER发生酯化反应，PER也直接与APP发生磷酯化反应，而稳定性差的酯经过脱水炭化等复杂反应，最后形成炭质层结构。
1.1.2研究改性材料对膨胀防火涂料的作用
近年来，不少研究针对APP/PER/MEL膨胀防火涂料残炭率低和残炭热稳定性低等问题，采用多种材料进行了改性研究。在研究过程中，热分析是必需的测试技术。
SophieDuquesne在研究聚氨酯(PU)涂料中添加可膨胀石墨(EG)的效果时，采用TG和DTG表明，EG小幅提高了残炭率，从微商热重(DTG)分析上看，EG的添加，没有改变PU涂料的热降解过程。
王振宇在APP/PER/MEL膨胀防火涂料中添加10%的200目EG，采用DTA和TG研究其影响，发现EG对防火涂料的DTA曲线没有改变，但使涂料800℃的残炭率增加了10%。这些研究都表明EG是一种不参与防火涂料热降解化学反应，仅产生物理协同效应而增效的材料。ZhenyuWang[8-9]在研究纳米颗粒氢氧化镁、氢氧化铝及二氧化硅对APP/PER/MEL膨胀防火涂料的影响，杨秦莉[17]在研究三氧化钼对APP/PER/MEL膨胀防火涂料残炭的影响时都用到了热分析技术，目的在于表明改性材料对基准防火涂料残炭率、热降解温度及热降解过程中吸热/放热过程的影响。
热分析技术还可以对防火涂料的热降解进行热分析动力学研究，即采用多重扫描TG或DSC得到一系列的曲线图，可对防火涂料分阶段进行讨论，计算热降解过程的表观活化能，并可推导热降解机理模型。ABhargava、徐晓楠、杨守生和李国新均对膨胀型防火涂料的热分解动力学进行了尝试性研究，但是由于膨胀防火涂料的热降解过程包括化学反应、扩散、成核等多类机理，而每类中又涉及不同的机理模型，因此要准确和科学地研究膨胀防火涂料的热分解动力学，还需要进一步探讨和研究。
综上所述，热分析法具有多方面的优点，能够表征阻燃体系各组分的热降解过程、涂料的残炭、改性材料对涂料热降解残炭和吸热/放热的影响，这也表明热分析是一种科学的、可用于防火涂料改性材料研究的测试技术。但是该技术对于分析防火涂料热降解的机理仅停留在推测的层次，若要对防火涂料的热降解机理进行深入的研究，必须辅以其他的测试技术。
1.2红外吸收光谱法
分子均具有各自的固有振动，而将改变波长的红外线(IR)连续照射到分子上时，与分子固有振动能相对应的红外线将被吸收，则可得到相应于分子结构的特有光谱(红外吸收光谱法)。将红外吸收光谱法用于防火涂料的热降解研究，可以依靠对光谱和化学结构的理解，通过与标准谱图的对照，灵活运用基团特征吸收峰及其变迁规律，逐步推导残炭物质的正确结构，从而推测防火涂料的热降解过程。
1.2.1研究防火涂料热降解的历程
对防火涂料样品在不同温度下进行凝聚相的动态FT-IR测试，可以推断防火涂料热降解过程中键的断裂和新键的生成，并可以由此推断炭质层的稳定性，或用来说明改性材料是否与防火涂料发生了化学反应。如SophieDuquesne研究了PU涂料和PU/EG涂料，通过对20～450℃不同温度下两种涂料的红外光谱图进行对比分析后，得到EG并未改变PU涂料的热降解产物的FT-IR特征光谱的结论，因此说明EG并未与PU涂料发生化学反应，而只是物理作用，与热分析DTA的结论相吻合。
1.2.2与热分析技术联用分析热降解机理
热分析技术与红外联用有两种情况。其一为对残炭凝聚相的分析，对不同温度段下的残炭进行FT-IR分析，对应于该温度段下的热失质量，分析热降解机理；其二为对热分解气体的分析，结合不同温度段时的热失质量情况，分析热降解机理。
葛岭梅采用热分析技术对XKJ饰面型防火涂料进行分析，发现在150～250℃之间，失质量16.96%，并在204.34℃出现第一个峰值，推测为苯丙乳液基料的某些基团放出小分子；在340～450℃阶段，失质量约38%，并在397.38℃出现第二个峰值，推测聚磷酸铵分解出大量的氨和水，生成偏磷酸和磷酸，并促进季戊四醇和有机物脱水炭化，同时三聚氰胺分解出氨气；在450℃以后，失质量缓慢，表明在此阶段之前生成的膨胀炭质层具有较好的热稳定性。
DSC测试表明，在377116℃和417.02℃出现两个放热峰，推测有新的物质或基团生成。对该涂料的残炭物质进行红外光谱测试，发现500cm-1、1105cm-1为PO3-4的特征吸收峰，表明残炭物中含有磷，说明磷化物在固相中能通过热解过程中的架桥反应，促进某些有机物发生剧烈的无规则降解，促进季戊四醇的脱水成碳；1000cm-1附近为P—O—C的特征峰，1630cm-1为与三嗪相连的—NH2的特征峰，表明在450℃下磷、氧、氮等元素进入炭质层，形成了热稳定性较好的炭质层，使450℃以后失质量率很小。
RKunze采用TG-FTIR联用测试技术，对膨胀涂料进行了测试，根据TG-DTG可以将膨胀涂料的热降解过程分成若干阶段，对各阶段的分解气体进行FT-IR测试分析，可以得到气体释放种类及强度相对于温度(或时间)的关系，以此来推测热降解过程中不同温度段的降解机理。
1.3光电子能谱分析法
光电子能谱(XPS或ESCA)是以X射线作为激发源的光电子能谱分析法。其主要原理是物质受光作用会发生光电效应而放出电子；原子中不同的电子具有不同的结合能(即将电子从所在能级移到真空能级所需的能量)。在实验中只要测出电子的动能，就可以确定电子的结合能，然后通过对照未知样品的峰值和所发表的文献的结合能的值，对未知样品所含的元素进行鉴定，同时通过波形解析获得有关官能团种类和数量的信息。并可能由此推导防火涂料中改性成分对残余炭质层热稳定性的影响。
SergeBourbigot将XPS用于研究APP/PER/乙烯三元共聚物(LRAM3.5)中，分析不同配比(LRAM3.5/APP/PER和LRAM3.5/APP/PER/4A分子筛)、不同温度(280℃、350℃、430℃和560℃)下残余物中P、C、O、N等各元素的比例关系，并由各元素结合能，推断残炭物中各元素存在的形式。如文中O1s的结合能有两种:532.5eV和533.5eV，其中前者可能存在于磷氧键或羰基中，后者存在于C—O—C、C—O—P或C—OH中。C1s的结合能有四种:285eV对应于脂肪烃和芳香烃中的C—H和C—C，286.3eV可能是醚
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