膨胀型透明防火涂料的制备、性能及阻燃抑烟机理研究

In this project, organic chains of hydroxyl group and epoxy group are reacted with phosphate ester respectively to prepare flexible phosphate ester. The flexible phosphate ester is incorporated into film-forming polymers to prepare excellent transparent intumescent fire retardant coatings by means of physical blend. Nanoparticles are incorporated into phosphate ester chains to improve the flame retardancy of transparent intumescent fire retardant coatings by chemical grafting reaction according to the synergistic effect and nano-composite technology. Smoke suppressants are incorporated into transparent intumescent fire retardant coatings to improve the smoke suppression properties by means of physical blend. Combustion science method and traditional material science method are applied to study the composition, structure, properties and mechanisms of transparent intumescent fire retardant coatings. The influences of different phosphate ester, film-forming polymer, nanoparticles and smoke suppressants on the pyrolysis process, intumescent evolution process, char formation process will be investigated by a series of technical means. Moreover, it is expected to establish the inherent relationships among pyrolysis characteristics, intumescent evolution process, char formation and properties of transparent intumescent fire retardant coatings. Based on these results, the flame retardant mechanism, smoke generation process, mechanism and model of smoke suppression can be revealed. This project will help to develop and design high-performance of transparent intumescent fire retardant coatings.

本项目通过分子设计分别将带有羟基官能团和环氧官能团的有机链段引入到酸式磷酸酯分子链中，合成柔性酸式磷酸酯，以制备性能优异的膨胀型透明防火涂料；结合纳米技术和协效增强原理，将纳米粒子化学锚定在酸式磷酸酯分子链上，在不影响或很小影响防火涂料透明性的基础上，大幅度提高涂层的阻燃性能；选取几种合适的抑烟剂，采用物理共混方法制备兼具阻燃和抑烟性能的膨胀型透明防火涂料。结合燃烧学和材料学分析方法对所制备透明防火涂料的结构和性能进行表征，探讨涂层的主要化学成分对热分解过程、膨胀过程、膨胀炭层结构和组成的影响，建立炭层结构特征、热分解过程、膨胀过程分别与涂层阻燃性能和生烟性能的内在关联性，揭示膨胀型透明防火涂料的阻燃过程及作用机理，构建膨胀型透明防火涂料在燃烧过程中的生烟过程与抑烟机理模型，为不断提高我国透明防火涂料的技术水准和新技术的探索研究奠定坚实的理论基础和技术支持。

本项目研究历时4年，已完成原计划承担的任务。在主要研究内容方面，首先设计合成了柔性磷酸酯阻燃剂并应用于氨基树脂中制备了综合性能优异的透明防火涂料，系统分析了柔性磷酸酯阻燃剂在透明防火涂料中的透光、阻燃、抑烟、成炭和热解行为，揭示了涂层的透光、阻燃和抑烟作用机理；然后，利用分子结构设计和纳米协同的方法分别设计和合成了含碳纳米管、层状硅酸盐、纳米二氧化硅的纳米复合磷酸酯阻燃剂，揭示纳米填料在透明防火涂料中的透光、阻燃和抑烟机理；之后，系统研究了硼酸、硼酸锌、氢氧化镁和氢氧化铝等抑烟填料在透明防火涂料中的阻燃和抑烟作用，揭示了抑烟填料的催化成炭、阻燃和抑烟机理；最后，利用缩尺寸试验研究了透明防火涂料保护下木结构建筑的温升规律和抗火性能。研究中取得的主要进展和成果包括：.（1）通过分子结构设计和协效增强的原理和方法设计合成了环状磷酸酯和柔性磷酸酯阻燃剂，研究了磷酸酯阻燃剂结构和组成对氨基类透明防火涂料理化性能、热解特性、阻燃性能和抑烟性能的影响和规律；研究发现，相比于聚乙二醇，含聚乙二醇硼酸酯的柔性磷酸酯阻燃剂表现出更高效的协效阻燃和抑烟效率。.（2）结合化学接枝和纳米复合的原理和方法，分别以纳米二氧化硅、碳纳米管、蒙脱土、水滑石、海泡石等为原料与磷酸酯反应成功制备一系列性能优异的纳米复合磷酸酯阻燃剂，确定了优化的纳米复合磷酸酯的制备方法和合成工艺，构建了纳米填料结构和组成与透明涂层的热解特性、透光性、成炭行为、阻燃性能和生烟性能之间的关系，揭示了纳米填料在基材树脂中的均匀分布是实现涂层的高透光、低烟和高阻燃性的关键。.（3）研究了硼酸、硼酸锌、氢氧化镁和氢氧化铝等抑烟填料在透明防火涂料中的协效阻燃和抑烟作用，发现了将抑烟填料以化学键形式键入透明涂料分子结构能使涂层保留较高的透光率并显著增强涂层的热稳定性、成炭能力、阻燃和抑烟性能，揭示了抑烟填料在透明防火涂料中的透光、成炭、阻燃和抑烟作用机理。.（4）利用缩尺寸模型试验研究了透明防火涂料保护下木结构的耐火性能，构建了缩尺寸模型试验中透明涂料的耐燃时间与锥形量热仪测试中的热释放速率之间的关联性，证明了缩尺寸火灾模型试验是比较符合实际的透明防火涂料耐火性能评价方法。.本项目已发表学术研究论文41篇，其中SCI论文28篇，参加国际会议2次和国内会议9次，申请发明专利2件，获软件著作权3项，培养博士研究生1名、硕士研究生4名。