Теоретическое исследование эпоксидных огнестойких самозатухающих изоляционных порошковых покрытий
В последние годы государство активно реализует зеленую и экологически чистую политику. Порошковые покрытия, благодаря своей экологичности и функциональности, находят применение во все большем количестве различных отраслей промышленности. В каждой отрасли к ним предъявляются разные требования к производительности. Среди них, в области транспортных средств на новой энергии, когда автомобиль быстро заряжается, бортовая батарея накапливает большое количество тепловой энергии за короткое время. Если система управления аккумулятором выйдет из строя и тепло не удастся вовремя отвести, это может привести к повреждению элементов аккумулятора или даже к самовозгоранию и взрыву. Это также может привести к неисправности аккумулятора во время зарядки и стать причиной несчастных случаев. Столкновения транспортных средств также могут привести к возгоранию или самопроизвольному возгоранию аккумулятора при повреждении. Поэтому его защитный слой должен обладать огнезащитными свойствами, чтобы в случае взрыва он мог замедлить распространение пламени и тепла, обеспечивая противопожарный эффект и тем самым давая водителю больше времени для эвакуации. Кроме того, во время работы и зарядки/разрядки транспортных средств на новой энергии генерируется ток. Для обеспечения нормальной работы защитный слой должен обладать еще и высоковольтными изоляционными свойствами, чтобы предотвратить разрушение покрытия током высокого напряжения.
I. Классификация порошковых покрытий по огнестойкости.
Порошковые покрытия, состоящие в основном из смолы, отвердителя, наполнителя, добавок и другого сырья, огнестойкие свойства должны быть достигнуты путем экспериментального исследования каждого компонента в различных измерениях. Существует два метода огнестойкости порошковых покрытий: один — аддитивная огнестойкость, а другой — реактивная огнестойкость. Аддитивная огнестойкость означает использование собственных огнезащитных характеристик материала для завершения огнезащитной защиты покрытия, благодаря чему оно обладает огнезащитными свойствами. Это достигается за счет добавления в порошковое покрытие различных огнезащитных веществ, не участвующих в реакции отверждения. Реактивный огнезащитный метод подразумевает введение в порошковое покрытие огнезащитных составов. Через мономеры или структуры сырья, участвующего в реакции полимеризации, в порошковое покрытие в конечном итоге вводятся огнезащитные группы, тем самым улучшаются огнезащитные свойства порошкового покрытия.
1. Аддитивная огнестойкость.
Этот огнезащитный метод не участвует непосредственно в реакции. Вместо этого он полагается на свои собственные огнезащитные характеристики, чтобы дополнить огнезащитные свойства покрытия. Поэтому он в основном состоит из наполнителей и добавок, а смола и отвердитель не включены в эту категорию.
В настоящее время распространенные огнезащитные наполнители на рынке в основном включают гидроксид алюминия, гидроксид магния и т. д. Однако их частицы обычно имеют микронный уровень, что не позволяет достичь высоких эффектов загрузки наполнителя, имеет низкую огнезащитную эффективность, а также влияет на физические и механические свойства материала. Следовательно, увеличивая силу межфазного взаимодействия между огнезащитными наполнителями, можно более равномерно диспергировать их в порошковом покрытии, тем самым более эффективно улучшая механические свойства смешанного материала. Добавление специальных наноразмерных огнезащитных наполнителей в порошковое покрытие для обеспечения огнестойкости наполнителя значительно уменьшит нагрузку наполнителя и эффективно повысит огнезащитную эффективность.
В исследованиях используются наноразмерные гидроксид алюминия, гидроксид магния и порошок диоксида кремния для сравнительных экспериментов по изучению влияния огнезащитных наполнителей на характеристики порошкового покрытия.
Из данных испытаний в Таблице 1 видно, что порошковые покрытия с добавлением наноразмерных наполнителей обладают превосходными механическими свойствами и могут соответствовать предъявляемым требованиям. Среди них порошковые покрытия с добавлением гидроксида магния и гидроксида алюминия обладают лучшими огнезащитными свойствами, оба достигают огнезащитного эффекта уровня V-0. Порошковые покрытия, содержащие только порошок диоксида кремния в качестве наполнителя, не могут удовлетворить требованиям огнестойкости.
Поскольку гидроксид алюминия начинает разлагаться при 200–300 ° C, после разложения он будет выделять водяной пар из-за реакции дегидратации, вызывая эндотермическую реакцию на поверхностном покрытии, снижая температуру поверхности покрытия. В то же время образующийся водяной пар снижает концентрацию горючих газов и кислорода, поэтому он обладает хорошим теплоизоляционным огнезащитным эффектом.
Температура разложения гидроксида магния выше и достигает 340–490°C. Его огнезащитный механизм подобен гидроксиду алюминия, но гидроксид магния может способствовать карбонизации поверхности с покрытием. Образовавшийся карбонизированный слой может изолировать контакт кислорода с поверхностью металла. Гидроксид алюминия не оказывает такого эффекта. Поэтому в тех же условиях огнезащитное действие гидроксида магния значительно лучше, чем гидроксида алюминия.
Поскольку порошок кремнезема состоит из SiO2, связь Si-O в структуре SiO2 образует силикатную структуру в отвержденном изделии, генерируя химические силы, придавая покрытию лучшую стойкость к растворителям и изоляционные свойства, а также оказывая определенный огнезащитный эффект. Однако экспериментальные данные показывают, что огнезащитное действие порошка диоксида кремния является плохим и не соответствует требованиям огнестойкости уровня V-0.
Чтобы изучить сочетание огнестойкости и изоляционных свойств, смешивают гидроксид магния, гидроксид алюминия и порошок диоксида кремния, чтобы найти лучшую формулу порошкового покрытия, сочетающую в себе огнестойкость и изоляцию. Данные представлены в таблицах 2 и 3.
Результаты экспериментов показывают, что после смешивания гидроксида магния, гидроксида алюминия и порошка диоксида кремния покрытия могут достичь как огнестойкости, так и характеристик сопротивления изоляции напряжению. Среди них, когда соотношение гидроксида магния и порошка диоксида кремния составляет 2:1, комплексные характеристики покрытия являются лучшими, способными соответствовать требованиям как по огнестойкости, так и по сопротивлению изоляционному напряжению.
С экологической точки зрения для исследования были выбраны безгалогенные огнезащитные добавки, поскольку галогенные элементы выделяют вредные газы при высоких температурах, являются летучими и проницаемыми и легко загрязняют окружающую среду в газообразном, жидком и твердом состояниях.
Фосфорные антипирены в настоящее время являются наиболее часто используемыми на рынке безгалогенными антипиренами. Их разнообразная структура и высокая огнезащитная эффективность привлекли большое внимание. По различному строению неорганические фосфорные антипирены можно разделить на полифосфат аммония, красный фосфор и т. д., тогда как органические фосфорные антипирены делятся на различные антипирены, такие как фосфорные эфиры, фосфаты и т. д. Из-за различий в степенях окисления и координационных связях фосфорные антипирены обычно проявляют разные механизмы огнезащиты. Обычно фосфорсодержащие антипирены с высокой степенью окисления действуют главным образом за счет конденсации огнезащитной фазы. Фосфорная кислота и ее производные разлагаются при нагревании, вызывая дегидратацию и карбонизацию полимеров, образуя карбонизированный слой, блокирующий кислород, минимизируя теплопередачу при горении, тем самым достигая огнезащитного и теплоизоляционного эффектов. Фосфорные антипирены с низкой степенью окисления в основном действуют за счет огнестойкости в газовой фазе. При термическом разложении они образуют большое количество свободных радикалов на основе фосфора, которые посредством цепных реакций при закалке тормозят распространение пламени, прекращая горение радикалов OH· и H·, обеспечивая тем самым огнестойкость. Однако при этом увеличится и выделение дыма. В настоящее время фосфорные антипирены находятся на относительно высоком ценовом уровне. Эти добавки обладают сильным огнезащитным действием, но при использовании отдельно они влияют на механические свойства порошковых покрытий. Поэтому в настоящее время все чаще при уменьшении количества фосфорсодержащих антипиренов компонуют синергетические добавки и фосфорсодержащие антипирены для достижения огнезащитных свойств и повышения их механических свойств.
2. Реактивная огнестойкость
Эпоксидная смола является ключевым материалом, который позволяет порошковым покрытиям оказывать огнезащитное и теплоизоляционное действие, играя огромную роль в огнестойких изоляционных порошках. Эпоксидные и гидроксильные группы в эпоксидной смоле обладают хорошими изоляционными свойствами и, следовательно, обладают высокой реакционной способностью. После реакции с отвердителем быстро формируется сшитая сетчатая структура, благодаря чему достигаются изоляционные свойства. Огнезащитная смола — это не широко используемая на рынке эпоксидная смола с бисфенолом А, а соответствующая огнестойкая смола, полученная путем введения в эпоксидную смолу огнестойких элементов, таких как фосфор, азот и кремний.
Азотсодержащие группы обладают огнестойкими самозатухающими свойствами, обладающими превосходными характеристиками, такими как термостойкость и дугостойкость. Введение азотсодержащих групп в эпоксидную смолу для модификации и оптимизации позволяет покрытию, сформированному с помощью отвердителей и другого сырья, обладать превосходными огнезащитными, термостойкими и устойчивыми к давлению свойствами.
Фосфор обладает хорошей термостойкостью и огнезащитными свойствами. После введения 1–10% фосфора в эпоксидную смолу ее огнестойкие и термостойкие свойства становятся превосходными. Покрытия, изготовленные из огнестойкой смолы, при нагревании выделяют фосфорсодержащие оксикислоты, которые могут катализировать дегидратацию и карбонизацию соединений, снижая скорость потери массы материала, уменьшая образование горючих веществ и достигая огнестойкости за счет образующегося карбонизированного слоя.
Использование органического кремния для модификации эпоксидной смолы снижает ее внутреннее напряжение, а также повышает прочность эпоксидной смолы, оптимизирует устойчивость к высоким температурам и другие свойства. Все кремнийорганические полимеры, содержащие эпоксидные группы, можно считать кремнийорганическими эпоксидными смолами. Когда их молекулярные массы различаются, дисперсное состояние фазы органического кремния будет претерпевать различные изменения, фундаментально изменяя их свойства. Поэтому ключом к использованию этой смолы является правильное решение проблем совместимости.
l Исследование огнестойкости отверждающего агента
Введение фосфорсодержащих групп в аминные отвердители гарантирует, что активный водород в амином отвердителе обеспечивает полное отверждение продукта. После отверждения продукт содержит два огнезащитных элемента, а именно P и N. Во время огнестойкости в газовой и конденсированной фазах эти два огнезащитных элемента могут оказывать синергетическое действие, достигая определенных огнезащитных эффектов. В то же время, благодаря наличию элементов P, N и C, образующих вспучивающуюся огнезащитную систему, достигается и огнезащитное воздействие на композиционные материалы.
Другим распространенным отвердителем эпоксидной смолы является ангидридный отвердитель. Путем введения фосфора или других огнестойких элементов в молекулу отвердителя его затем смешивают в расплаве с такими сырьевыми материалами, как эпоксидная смола, для образования огнестойких порошковых покрытий. Исследования показывают, что когда содержание фосфора в системе достигает 1,5%, она соответствует уровню огнестойкости UL94 V-0.
II. Заключение
В настоящее время огнезащитные порошковые покрытия быстро развиваются, и их огнезащитные свойства могут быть достигнуты на разных стадиях переработки сырья. Чтобы добиться функционального сочетания огнестойкости и изоляции, необходимо начать со структуры и механизма действия сырья, исследуя синергетические эффекты между различными сырьевыми материалами для достижения функционального соединения. В этой статье исследуются структура и характеристики каждой системы сырья, обеспечивая теоретическую основу для составления эффективных компаундов. Однако фактические условия применения необходимо определять на основе результатов лабораторных исследований.
В поисках готового к использованию безгалогенного пути обеспечения огнестойкости и высоковольтной изоляции можно обратиться к созданию фосфорорганических добавок, предлагаемых компанией Guangzhou Yinsu Flame Retardant. Yinsu YS-22E , YS-M220G и YS-9003 представляют собой системы на основе белого порошка, не содержащие галогенов, на основе фосфора, активированные поверхностью для наномасштабного диспергирования в эпоксидных порошках. Они действуют путем формирования вспучивающегося барьера от обугливания, сохраняя при этом диэлектрическую целостность покрытия.
