水性聚氨酯膨胀型阻燃涂料的研究进展

      传统的溶剂型聚氨酯涂料含有较多有机溶剂，会对人类健康和环境造成危害。另外，双组分聚氨酯涂料中游离的异氰酸酯基对皮肤、眼睛和呼吸道有强烈的刺激作用，长期接触会引起呼吸道疾病。因此，随着人们环保意识的增强以及各国环保法规对 VOC 排放量的限制，水性聚氨酯涂料的研究与开发应用日益受到重视。水性聚氨酯涂料具有许多优异的性能，如无毒、无臭味、无污染、柔韧性好、耐化学品、附着力强、耐磨损、成膜温度低、可在室温固化等，因而在木器、汽车、飞机、皮革、纸张、织物、内外墙等多个领域得到应用。聚氨酯材料属于易燃材料，水性聚氨酯涂料在未经阻燃处理前，存在引发火灾的隐患，因此水性聚氨酯的阻燃研究是目前水性聚氨酯研究的重要方向之一。

1 水性聚氨酯阻燃涂料的分类

      根据阻燃剂在水性聚氨酯中的存在方式，可将水性聚氨酯阻燃涂料分为共混复配型和反应型两大类。共混复配型水性聚氨酯阻燃涂料的特点是阻燃剂以物理方式分散在水性聚氨酯中。共混复配型阻燃剂一般分为有机添加型阻燃剂和无机添加型阻燃剂。有机添加型阻燃剂有磷酸酯、氯化石蜡等；无机添加型阻燃剂有氧化锑、氢氧化镁、氢氧化铝、磷酸铵、硼酸盐等。

      反应型水性聚氨酯阻燃涂料的特点是阻燃剂作为反应单体参与聚氨酯的合成反应，最后成为水性聚氨酯结构单元的一部分，因此具有良好的耐久性，以及阻燃剂在使用过程中不会析出等优点。反应型水性聚氨酯阻燃改性根据阻燃剂所处聚氨酯结构的位置大致可分为软段阻燃改性和硬段阻燃改性2 种。

      根据阻燃机理可将水性聚氨酯阻燃涂料分为膨胀型和非膨胀型 2 种。水性聚氨酯非膨胀型阻燃涂料的作用机理是涂层本身不燃或难燃，在火焰或高温下释放出不燃性气体，以冲淡空气和可燃性气体，并在高温下形成致密的釉膜层，能有效地隔绝气体的传递，并在一定的时间内有一定的隔热作用，以防止或延缓基材着火燃烧。水性聚氨酯膨胀型阻燃涂料主要是涂层在火焰或高温下发生膨胀碳化，形成一个比原来层厚大几十倍甚至上百倍的不易燃的海绵状碳质层，以隔绝外界火焰对基材的加热；同时涂层熔融膨胀过程中产生大量不燃性气体，稀释基材热分解产生的可燃性气体和空气，有效阻止火焰的蔓延。

2 水性聚氨酯阻燃涂料的阻燃效应

      高聚物燃烧反应一般需要满足可燃物、氧气及一定温度三要素，且缺一不可。阻燃剂的作用机理是在材料燃烧时破坏其中一种或一种以上要素，使其不能继续燃烧。阻燃涂料在遇火或高温时，涂料中的阻燃剂和树脂等组成发生一系列的物理化学变化，如分解、蒸发、碳化等，其中包含了许多阻燃效应。

(1）吸热效应

       有些阻燃剂在加热过程中，阻燃剂的部分组成会发生吸热脱水、相变、分解以及其他吸热反应，延缓高聚物材料温度上升，从而减慢高聚物的热分解速度。

(2）覆盖效应

      阻燃剂各组分相互协同作用在较高温度下生成稳定的覆盖层，覆盖于高聚物材料表面，阻碍氧的供给，同时可起隔热作用和降低高聚物分解产生的可燃性气体释放量，从而产生阻燃效应，如磷酸酯类化合物等。

(3）稀释效应

      阻燃剂在受热分解时能够产生大量的不燃性气体，有效地稀释空气和高聚物材料所产生的可燃性气体，使其达不到燃烧的浓度范围，从而阻止高聚物材料的燃烧，能够作为稀释气体的有 CO2、NH3 和 H2O 等。磷酸铵、碳酸铵等加热就能产生这些不燃性气体。

(4）抑制效应（捕捉自由基）

      在高聚物燃烧过程中，大量生成的自由基加快气相燃烧反应，如能捕捉并消灭这些自由基，抑制自由基的连锁反应，会使燃烧速度降低直至火焰熄灭。

(5）增强效应（协同效应）

      有些材料，若单独使用并无阻燃效果或阻燃效果不明显，但是当与其他材料并用时，就可起到增强阻燃的效果，三氧化二锑和卤素化合物并用，就是最为典型的例子。有机卤化物放出 HX 或卤素再与 Sb2O3 作用生成三卤化锑或卤化锑酰，这些锑化合物具有阻燃作用，其中产物 SbX3 阻燃作用很大，它能形成一种惰性气体减少可燃物与助燃性气体接触，高温下挥发进入火焰中分解生成各种锑化物和卤素游离基，它们改变了火焰的化学性质，消耗了火焰的能量从而起到阻燃作用；另外，在含磷及氮的体系中存在着磷氮协同效应。协同效应不但可以提高阻燃效率，而且可以减少阻燃剂的用量。

(6）转移效应

      其作用是改变高聚物材料热分解的模式，从而抑制可燃性气体的产生，例如，利用酸或碱使纤维素产生脱水反应而分解成为碳和水，因为不产生可燃性气体，也就不能着火燃烧了。