实现高效防火系统的必要条件

作者: 路博润高性能涂料团队 日期:08/04/2020

说到消防安全,时间可以挽救生命。 用于阻燃的所有产品都旨在通过防火或阻燃来赢得更多逃离时间,从而保证人员安全。 我们身边的几乎所有事物都含有阻燃要素——家居、办公室、车辆、航空  商业船舶甚至服装。

对于阻燃产品设计人员来说,进行材料开发之前需要考虑多种因素,例如:

  • 产品应该是硬质、软质还是有弹性?
  • 外观是否重要——有光泽、哑光、透明或染色?产品在最终消费者不可见的使用或应用中,是否可见?
  • 产品是否需要水洗及耐水?
  • 将使用何种检测方法?
  • 制造过程之后,阻火系统是否仍能发挥作用?
  • 材料的可接受监管限值是多少?

在产品设计中,了解产品需要通过何种阻燃试验至关重要。 不同应用中,国家和州标准各有差异。 例如: 

  • 美国国家防火协会 (NFPA) 标准,如 NFPA701纺织品垂直燃烧法
  • Underwriters Laboratory的塑料燃烧性能UL 94法
  • 机动车安全标准MVSS302
  • ASTM E-.84隧道试验
  • 英国软装标准5852
  • 加拿大标准协会 CSA
  • 加利福尼亚TB-603床垫燃烧
  • 德国DIN 4102 - B1
  • 法国NFP 92503 M1

还有更多标准未被列出。其共同目标都是在火灾中保护公众,赢得逃生时间。 在世界范围内,有很多对最终产品进行检测的独立实验室。

假设开发人员了解检测过程,哪些工具可用于构建阻燃产品呢? 从根本上来说,灭火的方法就是消除火存在的三要素中的一个或两个要素:燃料氧气热量

燃料

在涂料和复合产品中,燃料可能是基质,例如纸张、棉、聚酯、尼龙纺织品、薄膜、木材和建筑业中使用的易燃聚合物。 在可能的情况下,应选择不会在火灾中成为燃料的材料。 玻璃和陶瓷纤维不会燃烧,有些通过精密设计的材料,如Nomex®、Kevlar®以及碳化纤维等,非常耐燃烧。   

ASTM D2863极限氧指数(LOI%)测试就是其中一种燃烧性测试方法。 此测试测量支持聚合物燃烧的最低氧气百分比。 该数值越高,其耐火性越好。 环境氧气含量为21%。  高于21%的LOI被视为阻燃聚合物,低于21%的聚合物被视为燃料。

常见材料的极限氧指数 (LOI) 

材料 % LOI 开始分解 °C / 熔点 (Tm °C) 阻燃成分
玻璃/矿物纤维 不适用 不适用 不燃
PTFE 95 300-327-不燃
PVDC & 共聚物 60 225-232
PVC & 共聚物 37-39 245-270
NOMEX® 28.5-30 350 对位芳纶
NHFR 聚合物(路博润) 29.5 175-390 氮/磷
Kevlar® 29 500 间位芳纶纤维
羊毛 24-25 500-600——不熔 酰胺NOx
溴化聚氨酯 23 160-200
环境中的氧气含量21%
聚酯 20-21 560 / Tm = 249 燃料
尼龙 20-21.5 532 / Tm = 249 燃料
聚丙烯 17-18 260 / Tm =  133  燃料
丙烯酸粘合剂 18-20 210  燃料
棉/纸张 18-21 300 / 缓慢分解  燃料
丁苯  18 150-350  燃料
 

热量与氧气

这两个要素相互联系,只要将其远离火源即可。 很多阻燃化学在气相中发挥作用。 聚合物或添加剂产生气体可用于去除火中的氧气。 常见气相材料包括氮,溴或氯等卤素,磷复合物和水。 在这些材料分解的同时,还起到冷却作用。  另一个机制是焦化。 烧焦物能阻隔材料和火焰,阻碍燃烧。

阻燃材料的分解温度差别很大。 分解温度和最终复合物之间的匹配很重要。 例如,聚乙烯或聚丙烯等低熔点纤维将在分解温度之前的130 °C熔化。 采用玻璃纤维制成的复合物不会遇火收缩,纤维质材料,如纸张或棉在火焰初期的时间较长,比低熔点合成物散发的热量更多。  常用的材料还有APP、ATH、MC和DBDPE。

常见阻燃材料的一般分解温度

材料 开始分解 °C 活性成分或阻燃物 气相比重 %
碳酸铵* 58 二氧化碳+水 67
氢氧化铝 (ATH) 230 水、烧焦物 35
多磷酸铵 (APP)* 285-290 磷氧化物、氮氧化物、氧化物 73
三聚氰胺氰脲酸盐 (MC) 305-320 氮与氧化物、水、烧焦物 49
氢氧化镁 330 水、烧焦物 31
十溴二苯乙烷 (DBDPE) 330 溴、烧焦物 82
 碳酸钙 825 二氧化碳、水 44
* 表示水溶性——除非特别注明

阻燃增效剂

常见增效剂,如三氧化锑、五氧化二锑和硼酸锌,都在阻燃剂配方中使用,以改进整体性能和经济成本。  锑化合物通常与溴化和氯化阻燃剂结合使用。 三氧化锑通常与卤化聚合物和添加剂以卤素和三氧化锑  3:1至5:1 的比例进行使用。 五氧化二锑是一种透明胶粒,而三氧化锑是一种尺寸更大的不透明涂料。 硼化合物与卤化阻燃剂的作用类似,在聚合气相燃烧中发挥作用。

阻燃剂的其他注意事项

当燃烧中的基质破裂或从样品上掉落并继续燃烧时,会出现燃烧滴落物。  很多实验方法都要求燃烧滴落物在规定的时间内熄灭。  另外一些实验标准不允许存在任何燃烧滴落物。 尽管很难避免燃烧滴落物的出现,尤其对于某些基质来说,但可以在阻燃复合物中添加三聚氰胺氰脲酸盐等添加剂。  复合物或基质内的较高程度的交联也有助于防止涂料流动,从而有助于减少燃烧滴落物的出现。

尽管卤化阻燃剂在防火方面非常有效,全燃火产生的烟气和挥发物也在严格审查范围内。 考虑在火灾中逃生时,尤其要关注烟浓度和烟气毒性。 为了减少烟气的产生,降低烟气毒性,人们越来越关注无卤素阻燃剂。 水化填料也被证明能在阻燃涂料中产生强大的抑制烟气产生的作用。  

除了燃烧的水滴和烟雾外,还定期测量余辉,并在火焰测试期间加以限制。  余辉是移除火焰后的残留阴燃。 其可能在初步灭火之后复燃,因此也是隐患之一。 根据基质,通常使用多磷酸铵、硼酸锌和三聚氰胺来抑制、减少或防止余辉。

膨胀型防火涂料

一种特殊的阻燃方法是使涂料遇火后形成发泡烧焦物,阻隔燃烧表面和火焰。 烧焦物层会使火焰与热量和氧气阻隔开来。 最常见的膨胀型系统使用以下干基成分。

  • 酸源(多磷酸铵)【磷酸】——3份
  • 碳源(二季戊四醇)——1份
  • 发泡剂(三聚氰胺)【氮发泡剂】——1份
  • 粘合剂——【最好是烧焦物】——1-2份

膨胀型涂料的缺点是不耐久,且能被水损坏。

确保采用适合的防火系统

阻燃化学通常为含有卤素、磷基或膨胀型,将填料和增效剂结合使用(或所述化学反应的混合)以在燃烧机制中的一个或多个阶段发挥作用。 为了生成高效的阻燃系统、涂料或合成物,必须考虑多种因素。 被处理(或施涂)的基质将决定所选阻燃剂的类型。 复合物基质必须通过的试验将影响阻燃剂的等级。 处理和涂层法有助于定义阻燃系统的物理特性。 成本考虑和健康/环境限制也对配方过程产生影响。

路博润能帮助配方设计师发现有效方式,为多种阻燃应用探索适当的化学反应。 联系我们,采取进一步行动。

NOMEX® 及Kevlar® 是 DuPont de Nemours, Inc.的商标。

路博润高性能涂料团队

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