摘要
本文从粉末涂料阻燃机理及其应用出发，通过不同阻燃手段探究粉末涂层防火阻燃性能的影响因素，探索最佳的阻燃配方。在保证阻燃性能的同时，通过配方的不断优化实现粉末涂层的功能性复合，使涂层防火阻燃的同时兼具高压绝缘性能。
0 前言
国家近年来大力实施绿色环保政策，粉末涂料凭借其环保性与功能性，应用到越来越多的不同行业领域，各行业对其性能的要求也不尽相同涂料在线coatingol.com。其中，在新能源汽车领域，由于车辆在进行快速充电时，车载电池会在短时间内聚集大量热能，如果电池管理系统发生故障，没有及时将热量散发出去，就有可能造成电池单元的损坏，甚至发生自燃、爆炸等情况，也可能导致电池在充电过程中发生故障，产生意外。车辆碰撞也会导致电瓶损坏燃烧或自燃。因此其保护层必须具备阻燃性能，才能在爆炸时起到减缓火焰和热量扩散速度的防火隔热效果，为开车的人争取到更多的逃生时间。此外，新能源汽车运行及充放电过程中均有电流产生，为保证其正常运行，其保护层还须具备高压绝缘性能，防止涂层被高压电流击穿。
1 粉末涂料的阻燃分类
主要由树脂、固化剂、填料、助剂等原材料组成的粉末涂料，需要从不同维度对各成分的探究实验来实现其阻燃性能。粉末涂料的阻燃方式分为两种，一种是添加阻燃法，另一种是反应式阻燃法。添加阻燃法是指依靠材料自身的阻燃特性，完成对涂层的阻燃保护，使之具有阻燃性能，通过在不参与固化反应的粉末涂料中添加各种阻燃物质的方法实现；反应式阻燃方法是指将阻燃结构引入粉末涂料中，通过原料中的单体或结构参与聚合反应，最终将阻燃基团引入粉末涂料中，从而达到改善粉末涂料阻燃性能的一种方法[1]。
1.1 添加型阻燃
该阻燃方法不直接参与反应，而是依靠自身的阻燃特性完成涂层的阻燃性能。因此主要由填料和助剂构成，树脂和固化剂不在此列。
1.1.1 填料阻燃的研究
目前市场上常见的阻燃填充物主要有氢氧化铝、氢氧化镁等，但它们的颗粒一般都在微米级，达不到高填充物的效果，阻燃效率不高，同时也会影响材料的物理机械性能。因此，通过增强阻燃填充物界面间相互作用力，使其能够更均匀地分散于粉末涂料中，从而更有效地提高了共混材料的力学性能。在粉末涂料中加入了特定纳米级阻燃填充物进行填充阻燃，其填充量会大大降低，阻燃效率会得到有效增强。
研究采用纳米级氢氧化铝、氢氧化镁、硅微粉进行同等对比试验，探究阻燃填料对粉末涂层性能的影响。
从表1测试数据可以看出，加入纳米级填充物的粉末涂层具有优异的机械性能，均能满足要求。而其中加入氢氧化镁、氢氧化铝的粉末涂层则具有最佳的阻燃性能，均能达到V-0级阻燃效果。单独添加硅微粉填充物的则不能满足阻燃要求。
由于氢氧化铝在200~300℃时会开始分解，分解后会因脱水反应产生水蒸气，对表面涂层产生吸热反应，使包覆表面的温度降低，同时产生的水蒸气对可燃气体和氧气浓度产生稀释作用，所以它具有良好的隔热阻燃作用。
氢氧化镁分解温度较高，达到340~490℃，阻燃机理与氢氧化铝相似，但氢氧化镁能促使被涂面炭化，形成的碳化层可使氧气与金属表面接触隔绝，氢氧化铝则无此作用，因此氢氧化镁在同等条件下阻燃效果明显优于氢氧化铝。
由于硅微粉是由SiO2构成的，在SiO2结构中的Si—O键会在固化物中形成一种类似于硅酸盐的结构，从而产生化学作用力，使涂层具有更好的耐溶剂性和绝缘性，同时也具有一定的阻燃作用[2]。但试验数据显示硅微粉的阻燃效果较差，未达到V-0级阻燃要求。
为探究阻燃与绝缘性能的复合，将氢氧化镁、氢氧化铝与硅微粉进行复配组合，探究同时兼具阻燃绝缘的最佳粉末涂料配方，数据如表2、表3所示。
试验结果表明：氢氧化镁、氢氧化铝与硅微粉复配组合后涂层均可实现阻燃与绝缘耐压性能兼具的特点，其中氢氧化镁与硅微粉复配比例为2：1时涂层综合性能最佳，可同时满足阻燃与绝缘耐压性能要求。
1.1.2 助剂阻燃的研究
从环保角度选择无卤阻燃助剂进行研究，是因为卤素元素在高温下会释放出有害气体，具有挥发性和渗透性，容易对周围环境造成污染，通过气态、液态、固态传播。
磷阻燃剂是目前市场上无卤阻燃助剂中使用频率最高的一种。其多样性的结构，以及耐燃能力的高效性，更是让它备受瞩目。按结构不同，无机磷系阻燃剂可分为聚磷酸铵、红磷等，有机磷阻燃剂又分为多种阻燃剂，如磷酸酯类、磷酸盐类等。由于氧化态和配位键的差异，磷系阻燃剂一般所表现的阻燃机理是不同的。通常是高氧化磷系的阻燃剂，它的作用主要是将相阻燃凝结在一起，磷酸及其衍生物通过受热分解，使高分子脱水成炭，形成碳化层，阻隔氧气，使燃烧过程中的热量传递降到最低，从而起到阻燃隔热的作用。以气相阻燃为主的磷系低氧化态阻燃剂。其受热分解可产生大量磷系自由基团，通过淬火时产生的链式反应，抑制火焰传播，OH·和H·自由基结束燃烧，从而起到阻燃作用。但同时，烟雾释放量也会增加。目前磷阻燃剂价格处于较高水平。这类助剂具有较强的阻燃作用，单独使用时会影响粉末涂料的机械性能，所以目前较多的是在降低磷系阻燃剂用量的同时，通过协效助剂和磷系阻燃剂的复配来达到阻燃性能，加强其力学性能[2]。
1.2 反应型阻燃
1.2.1 树脂阻燃的研究
环氧树脂是一种能使粉末涂层起到阻燃和绝热作用的关键材料，在阻燃绝缘粉末中发挥巨大作用。环氧树脂中的环氧基和羟基由于具有良好的绝缘性能，因此具有很强的反应活性，与固化剂反应后会迅速形成交联网状结构，从而实现绝缘性能[3]。阻燃树脂不是目前市场上应用较多的双酚A类环氧树脂，而是通过在环氧树脂中引入磷、氮、硅等阻燃元素制备对应的阻燃树脂。
含有氮元素的基团具有阻燃自熄性，具有优异的耐温和抗电弧性能等特点。在环氧树脂中引入含氮基团，对树脂进行改性优化，使其与固化剂等原材料形成的涂层具有优异的阻燃、耐温、耐压性能等。
磷具有较好的耐热和阻燃性能。环氧树脂中引入 1%~10%的含磷量后，阻燃、耐温性能极佳。由阻燃树脂制备的涂层遇热生成磷的含氧酸，可催化化合物脱水成炭，使物质质量损失速度降低，可燃物生成减少，并通过生成的炭化层阻燃。
利用有机硅对环氧树脂进行改性，使其内应力降低的同时，也促进了环氧树脂的韧性，使耐高温等性能得到优化。有机硅高分子聚合物，凡含环氧基的都可以看作是有机硅环氧树脂。而它的分子量不一样,有机硅相的分散状态就会表现出不同的变化，从而从根本上改变了它的性能。所以使用这种树脂的关键是要解决好相容性问题。
1.2.2 固化剂阻燃的研究
将含磷基团引入胺类固化剂中，确保活泼氢在胺类固化剂中的活性能使产物完全固化，固化后产物中含有2种阻燃元素，即P和N。在完成气相和凝集相阻燃时，这2种阻燃元素能发挥协同作用，起到一定的阻燃作用。同时，由于P、N、C元素的存在构成膨胀阻燃体系，对复合材料也起到阻燃的效果[4]。
另外一种常见环氧固化剂为酸酐固化剂，通过将磷或其他阻燃元素引入固化剂分子内部，再使其与环氧树脂等原材料熔融复配，形成阻燃粉末涂料。研究表明：当体系中磷含量达到1.5%时，通过UL94V-0等级阻燃[5]。
2 结语
目前阻燃粉末涂料发展迅速，可从不同原材料环节实现其阻燃特性。而若想实现阻燃与绝缘功能性复合，需从原材料结构与作用机理入手，探究各原材料之间的协效作用，从而达到功能性复合。本文探究了各原材料体系的结构及特性，提供了性能复合的理论基础，但实际应用情况需根据实验室结果而定。
参考文献
[1]张瑞鹏.阻燃环氧树脂体系的研究进展[J].科技信息，2010(26): 594.
[2]范鹏辉,刘杰,娄生辉,等.环氧树脂中磷系阻燃剂协效体系的研究进展[J].应用化学,2023,40(5):653-665.DOI:10.19894/j.issn.1000-0518.220311.
[3]戴创波,史中平,高庆福,等.新能源汽车母排绝缘粉末涂料的性能研究[J].现代涂料与涂装,2021,24(06):1-3+7.
[4]吴于爽,龙佳朋,梁兵,等.环氧树脂阻燃固化剂的研究进展[J].塑料科技,2022,50(03):104-108.DOI:10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.024.
[5]夏振华.阻燃粉末涂料的研制[J].现代涂料与涂装,2005(03):10-11.
来源：粉末涂料与涂装 2024-5
