作者：陈武、潘向东/黄山华佳表面科技有限公司
摘 要：本文以树脂、固化剂为主要的成膜物质，搭配使用不同种类的阻燃剂，制备了轨道车辆用新型防火粉末涂料。介绍了防火粉末涂料的阻燃机理，试验了各种阻燃剂对防火粉末涂料各性能的影响，通过EN45545-2的防火认证。
关键词：轨道车辆；EN45545-2；阻燃剂；阻燃机理；粉末涂料
1、前言
聚合物的燃烧是一个非常激烈复杂的热氧化反应，具有冒发浓烟或炽热火焰的特征。燃烧的一般过程是在外界热源的不断加热下，聚合物先与空气中的氧发生自由基链式降解反应，产生挥发性可燃物，该物达到一定浓度和温度时就会着火燃烧起来，燃烧所放出的一部分热量供给给正在降解的聚合物，进一步加剧其降解，产生更多的可燃性气体，火焰在很短的时间内就会迅速蔓延而造成一场大火[1]。
高分子聚合物一般阻燃性差，在许多领域应用受到限制。防火粉末涂料具有防燃、阻燃、隔热的功能，它主要应用于家用电器零配件，电机，电烘箱，发电机组零部件，变压器，防盗门，汽车零部件等用电领域的涂装。随着这些工业的发展，对阻燃涂料的要求越来越迫切。
随着我国轨道交通的迅速发展，对轨道车辆的安全性及舒适性提出了更高的要求，用于轨道车辆的涂料除了具有常规的涂装性能外，还应具有防滑、绝缘、隔热、防火等特殊功能[2]。目前在部分城轨车辆上，为避免因列车受电弓发生电击等故障而引起火灾等事故，需在车辆整个车体外表面喷涂防火粉末涂料，以确保列车运营安全。
本文主要针对EN45545-2防火认证标准的性能要求来开发一种满足其性能要求的轨道车辆用热固性阻燃粉末涂料，介绍了常用阻燃剂的阻燃种类及阻燃机理，阻燃剂的复配使用及阻燃剂的使用对粉末涂料各性能的影响，从而筛选出最佳的阻燃剂组合的阻燃粉末涂料。
2、阻燃测试方法
（参照UL94燃烧测试方法中的垂直燃烧试验）
2.1 样品规格
（1）试片125+/-5mm×13+/-0.5mm×厚度3（-0+0.5）mm
（2）样品要求没有污渍，没有细微颗粒，表面光滑
（3）样品数量：5PCS×2Set
2.2 试验步骤
（1）如图一所示将样品固定在样品夹上，使其自由端距地面300mm，并保证样品与地面垂直
（2）蓝色20mm高火焰燃烧试片下端边缘中心10s，然后移开。假如试片在30s之内停止燃烧，则本生灯火焰再次燃烧试片下端边缘10s。假如试片熔化，则滴下来的火焰分子会掉落在距试片下端300mm处之棉花层。
图1 UL94垂直燃烧测试方法
2.3 结果判定
表1 UL94垂直燃烧级判定标准
3、结果与讨论
材料的阻燃性，常通过气相阻燃、凝聚相阻燃及中断热交换阻燃等机理实现。抑制燃烧反应链增长的自由基而发挥阻燃功能的属于气相阻燃；在固相中延缓或阻止高聚物热分解起阻燃作用的属于凝相阻燃；将聚合物燃烧产生的部分热量带走而导致的阻燃，则属于中断热交换机理类的阻燃。但燃烧和阻燃都是十分复杂的过程，涉及很多影响和制约因素，将一种阻燃体系的阻燃机理严格划分为某一种是很难的，实际上很多阻燃体系同时以几种阻燃机理起作用。
阻燃剂混合使用的协同阻燃机理，将现有阻燃剂进行复配，使各种作用机理共同发生作用从而达到降低阻燃剂用量并起到更好的阻燃效果。
氢氧化铝是问世最早的无机阻燃剂之一，也是国际上用量最大的阻燃剂的一种，具有无毒性和低烟等特点[3]。其阻燃机理是：
（1） 向聚合物中添加氢氧化铝，降低可燃聚合物的浓度；
（2） 在250℃左右开始脱水、吸热、抑制聚合物的温度；
（3） 分解生产的水蒸气稀释了可燃气体和氧气浓度，可阻止燃烧进行；
（4） 在可燃物表面生成三氧化二铝，可阻止燃烧，但氢氧化铝阻燃剂有添加量大的缺点，通常需要加入50%以上才能显示很好的阻燃效果[4]；
磷-氮相互作用的机理，一般认为氮化物（如尿、氰胺、胍、双氰胺、羟甲基三聚氰胺等）能促进磷酸和纤维素的磷酰化反应。形成的磷酸胺更易于纤维素发生成酯反应，这种酯的热稳定性较磷酸酯的热稳定性好。磷-氮阻燃体系能促使糖类在较低温度下分解形成焦炭和水，并增加焦炭残留物生产量，从而提高阻燃效果。磷化物和氮化物在高温下形成膨胀性焦炭层，它起着隔热阻燃保护层的作用，含氮化合物起着发泡剂和焦炭增强剂的作用，基本元素分析得知，残留物中含氮、磷、氧三种元素，它们在火焰温度下形成热稳定的无定性物，犹如玻璃体，作为聚合物的一个绝热保护层[5]。
3.1 阻燃剂的选择
分别选择了不同厂家的不同种类的阻燃剂测试阻燃效果，配方框架主要参照AD系列配方，阻燃性能及涂膜配方性能展示如下：
表2 阻燃剂20%添加量下性能比较
从阻燃效果上来看：磷-氮类的阻燃效果最好，其次为氢氧化铝，其余选择的阻燃剂如氢氧化镁、磷酸三苯酯、无卤磷酸酯在粉末中适用对阻燃效果没有明显的作用。但是磷-氮类阻燃剂影响样粉的上粉性能和涂膜的流平性能，后续选择出阻燃性能及涂膜外观效果较好的阻燃剂磷-氮，氢氧化铝进行不同添加量试验。
3.2 氢氧化铝不同用量阻燃性能评估
氢氧化铝阻燃剂的用量在20%时，样条的阻燃等级在V-2，对比使用不同添加量的氢氧化铝对配方样条的阻燃性能的影响，考究用量较大情况下氢氧化铝的阻燃等级能不能达到V-0级，阻燃性能及涂膜配方性能展示如下：
表3 不同添加量氢氧化铝的阻燃性能评估情况
通过实验发现50%以下添加量情况下单一使用氢氧化铝阻燃剂无法使配方样条的阻燃效果达到V-0级，需要达到V-0级的阻燃效果需要使用更大用量的氢氧化铝，但是随着氢氧化铝的用量增加就会明显影响了涂膜的机械性能和涂膜外观。
3.3 磷-氮阻燃剂不同用量阻燃性能评估
磷-氮阻燃剂的用量在20%时，样条的阻燃等级在V-0，但是其对粉末的带电性能有明显的影响，其粉末的上粉效果较差，同时其对涂膜的外观性能有一定程度的影响，对比使用不同添加量的磷-氮阻燃剂对配方样条的阻燃性能的影响，阻燃性能及涂膜配方性能展示如下：
表4 不同添加量磷-氮的阻燃性能评估情况
通过实验发现单一使用磷-氮阻燃剂无法兼容阻燃性能和粉末的上粉性能，需要达到V-0级别阻燃性能下磷-氮的添加量在15%以上，但超过10%添加量的磷-氮阻燃剂就明显影响粉末的上粉，后续使用磷-氮和氢氧化铝复配使用进行试验。
3.4 阻燃剂的复配使用及用量的控制
磷-氮类阻燃剂的使用量较多时明显影响涂膜的上粉和流平性能，为了统一考虑到涂膜的性能及阻燃性能，本实验采用氢氧化铝和磷-氮两种阻燃剂进行复配使用，阻燃性能及涂膜配方性能展示如下：
表5 最佳阻燃方案的选择评估情况
通过实验发现方案二为最佳阻燃方案，其在阻燃效果、涂膜性能方面表现都较为优异。通过送外检测测试，方案二达到 EN45545-2 R1 HL3级要求。
4、结论
（1）氢氧化铝和磷-氮阻燃剂复配使用能够既满足阻燃性能，又能够满足涂膜的外观、机械性能、上粉等性能；
（2）最佳阻燃方案（20%氢氧化铝+10%磷-氮）可以在不同体系的低光、平光配方中适用，其不会影响配方涂膜的性能。
（3）最佳阻燃方案（20%氢氧化铝+10%磷-氮）制作涂膜之后通过EN45545-2认证，达到EN45545-2 R1 HL3等级要求。
参考文献
[1] 张铁江.常用阻燃剂的阻燃机理[J].化学工程与装备.2009.10.
[2] 唐红娟、武传田等.耐烧蚀涂料在轨道交通车辆上的应用[J].涂料工业.2015.7.
[3]刘立华，董玉环，贾静娴.氢氧化铝阻燃剂表面改性[J].塑料科技.2008.4.36.
[4]杨丽，周逸潇等.阻燃剂阻燃机理的探讨[J].天津化工,2010.1.
[5]褚劲松.新型磷氮系阻燃剂的合成及阻燃性能研究[D].华中师范大学，硕士论文,2006.
来源：2020中国粉末涂料与涂装行业年会
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