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摘要

本文從粉末涂料阻燃機理及其應用出發，通過不同阻燃手段探究粉末涂層防火阻燃性能的影響因素，探索最佳的阻燃配方。在保證阻燃性能的同時，通過配方的不斷優化實現粉末涂層的功能性復合，使涂層防火阻燃的同時兼具高壓絕緣性能。 

前言 

國家近年來大力實施綠色環保政策，粉末涂料憑借其環保性與功能性，應用到越來越多的不同行業領域，各行業對其性能的要求也不盡相同。其中，在新能源汽車領域，由于車輛在進行快速充電時，車載電池會在短時間內聚集大量熱能，如果電池管理系統發生故障，沒有及時將熱量散發出去，就有可能造成電池單元的損壞，甚至發生自燃、爆炸等情況，也可能導致電池在充電過程中發生故障，產生意外。車輛碰撞也會導致電瓶損壞燃燒或自燃。因此其保護層必須具備阻燃性能，才能在爆炸時起到減緩火焰和熱量擴散速度的防火隔熱效果，為開車的人爭取到更多的逃生時間。此外，新能源汽車運行及充放電過程中均有電流產生，為保證其正常運行，其保護層還須具備高壓絕緣性能，防止涂層被高壓電流擊穿。 

1. 粉末涂料的阻燃分類 

主要由樹脂、固化劑、填料、助劑等原材料組成的粉末涂料，需要從不同維度對各成分的探究實驗來實現其阻燃性能。粉末涂料的阻燃方式分為兩種，一種是添加阻燃法，另一種是反應式阻燃法。添加阻燃法是指依靠材料自身的阻燃特性，完成對涂層的阻燃保護，使之具有阻燃性能，通過在不參與固化反應的粉末涂料中添加各種阻燃物質的方法實現；反應式阻燃方法是指將阻燃結構引入粉末涂料中，通過原料中的單體或結構參與聚合反應，最終將阻燃基團引入粉末涂料中，從而達到改善粉末涂料阻燃性能的一種方法[1]。 

1.1 添加型阻燃 

該阻燃方法不直接參與反應，而是依靠自身的阻燃特性完成涂層的阻燃性能。因此主要由填料和助劑構成，樹脂和固化劑不在此列。 

1.1.1 填料阻燃的研究

目前市場上常見的阻燃填充物主要有氫氧化鋁、氫氧化鎂等，但它們的顆粒一般都在微米級，達不到高填充物的效果，阻燃效率不高，同時也會影響材料的物理機械性能。因此，通過增強阻燃填充物界面間相互作用力，使其能夠更均勻地分散于粉末涂料中，從而更有效地提高了共混材料的力學性能。在粉末涂料中加入了特定納米級阻燃填充物進行填充阻燃，其填充量會大大降低，阻燃效率會得到有效增強。 

研究采用納米級氫氧化鋁、氫氧化鎂、硅微粉進行同等對比試驗，探究阻燃填料對粉末涂層性能的影響。

從表1測試數據可以看出，加入納米級填充物的粉末涂層具有優異的機械性能，均能滿足要求。而其中加入氫氧化鎂、氫氧化鋁的粉末涂層則具有最佳的阻燃性能，均能達到V-0級阻燃效果。單獨添加硅微粉填充物的則不能滿足阻燃要求。

由于氫氧化鋁在200~300℃時會開始分解，分解后會因脫水反應產生水蒸氣，對表面涂層產生吸熱反應，使包覆表面的溫度降低，同時產生的水蒸氣對可燃氣體和氧氣濃度產生稀釋作用，所以它具有良好的隔熱阻燃作用。 

氫氧化鎂分解溫度較高，達到340~490℃，阻燃機理與氫氧化鋁相似，但氫氧化鎂能促使被涂面炭化，形成的碳化層可使氧氣與金屬表面接觸隔絕，氫氧化鋁則無此作用，因此氫氧化鎂在同等條件下阻燃效果明顯優于氫氧化鋁。

由于硅微粉是由SiO2構成的，在SiO2結構中的Si—O鍵會在固化物中形成一種類似于硅酸鹽的結構，從而產生化學作用力，使涂層具有更好的耐溶劑性和絕緣性，同時也具有一定的阻燃作用[2]。但試驗數據顯示硅微粉的阻燃效果較差，未達到V-0級阻燃要求。

為探究阻燃與絕緣性能的復合，將氫氧化鎂、氫氧化鋁與硅微粉進行復配組合，探究同時兼具阻燃絕緣的最佳粉末涂料配方，數據如表2、表3所示。

試驗結果表明：氫氧化鎂、氫氧化鋁與硅微粉復配組合后涂層均可實現阻燃與絕緣耐壓性能兼具的特點，其中氫氧化鎂與硅微粉復配比例為2：1時涂層綜合性能最佳，可同時滿足阻燃與絕緣耐壓性能要求。 

1.1.2 助劑阻燃的研究 

從環保角度選擇無鹵阻燃助劑進行研究，是因為鹵素元素在高溫下會釋放出有害氣體，具有揮發性和滲透性，容易對周圍環境造成污染，通過氣態、液態、固態傳播。

磷阻燃劑是目前市場上無鹵阻燃助劑中使用頻率最高的一種。其多樣性的結構，以及耐燃能力的高效性，更是讓它備受矚目。按結構不同，無機磷系阻燃劑可分為聚磷酸銨、紅磷等，有機磷阻燃劑又分為多種阻燃劑，如磷酸酯類、磷酸鹽類等。由于氧化態和配位鍵的差異，磷系阻燃劑一般所表現的阻燃機理是不同的。通常是高氧化磷系的阻燃劑，它的作用主要是將相阻燃凝結在一起，磷酸及其衍生物通過受熱分解，使高分子脫水成炭，形成碳化層，阻隔氧氣，使燃燒過程中的熱量傳遞降到最低，從而起到阻燃隔熱的作用。以氣相阻燃為主的磷系低氧化態阻燃劑。其受熱分解可產生大量磷系自由基團，通過淬火時產生的鏈式反應，抑制火焰傳播，OH·和H·自由基結束燃燒，從而起到阻燃作用。但同時，煙霧釋放量也會增加。目前磷阻燃劑價格處于較高水平。這類助劑具有較強的阻燃作用，單獨使用時會影響粉末涂料的機械性能，所以目前較多的是在降低磷系阻燃劑用量的同時，通過協效助劑和磷系阻燃劑的復配來達到阻燃性能，加強其力學性能[2]。 

1.2 反應型阻燃 

1.2.1 樹脂阻燃的研究 

環氧樹脂是一種能使粉末涂層起到阻燃和絕熱作用的關鍵材料，在阻燃絕緣粉末中發揮巨大作用。環氧樹脂中的環氧基和羥基由于具有良好的絕緣性能，因此具有很強的反應活性，與固化劑反應后會迅速形成交聯網狀結構，從而實現絕緣性能[3]。阻燃樹脂不是目前市場上應用較多的雙酚A類環氧樹脂，而是通過在環氧樹脂中引入磷、氮、硅等阻燃元素制備對應的阻燃樹脂。 

含有氮元素的基團具有阻燃自熄性，具有優異的耐溫和抗電弧性能等特點。在環氧樹脂中引入含氮基團，對樹脂進行改性優化，使其與固化劑等原材料形成的涂層具有優異的阻燃、耐溫、耐壓性能等。

磷具有較好的耐熱和阻燃性能。環氧樹脂中引入 1%~10%的含磷量后，阻燃、耐溫性能極佳。由阻燃樹脂制備的涂層遇熱生成磷的含氧酸，可催化化合物脫水成炭，使物質質量損失速度降低，可燃物生成減少，并通過生成的炭化層阻燃。

利用有機硅對環氧樹脂進行改性，使其內應力降低的同時，也促進了環氧樹脂的韌性，使耐高溫等性能得到優化。有機硅高分子聚合物，凡含環氧基的都可以看作是有機硅環氧樹脂。而它的分子量不一樣,有機硅相的分散狀態就會表現出不同的變化，從而從根本上改變了它的性能。所以使用這種樹脂的關鍵是要解決好相容性問題。 

1.2.2 固化劑阻燃的研究 

將含磷基團引入胺類固化劑中，確保活潑氫在胺類固化劑中的活性能使產物完全固化，固化后產物中含有2種阻燃元素，即P和N。在完成氣相和凝集相阻燃時，這2種阻燃元素能發揮協同作用，起到一定的阻燃作用。同時，由于P、N、C元素的存在構成膨脹阻燃體系，對復合材料也起到阻燃的效果[4]。

另外一種常見環氧固化劑為酸酐固化劑，通過將磷或其他阻燃元素引入固化劑分子內部，再使其與環氧樹脂等原材料熔融復配，形成阻燃粉末涂料。研究表明：當體系中磷含量達到1.5%時，通過UL94V-0等級阻燃[5]。 

2. 結語 

目前阻燃粉末涂料發展迅速，可從不同原材料環節實現其阻燃特性。而若想實現阻燃與絕緣功能性復合，需從原材料結構與作用機理入手，探究各原材料之間的協效作用，從而達到功能性復合。本文探究了各原材料體系的結構及特性，提供了性能復合的理論基礎，但實際應用情況需根據實驗室結果而定。 

參考文獻 

[1]張瑞鵬.阻燃環氧樹脂體系的研究進展[J].科技信息，2010(26): 594. 

[2]范鵬輝,劉杰,婁生輝,等.環氧樹脂中磷系阻燃劑協效體系的研究進展[J].應用化學,2023,40(5):653-665.DOI:10.19894/j.issn.1000-0518.220311. 

[3]戴創波,史中平,高慶福,等.新能源汽車母排絕緣粉末涂料的性能研究[J].現代涂料與涂裝,2021,24(06):1-3+7. 

[4]吳于爽,龍佳朋,梁兵,等.環氧樹脂阻燃固化劑的研究進展[J].塑料科技,2022,50(03):104-108.DOI:10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.024. 

[5]夏振華.阻燃粉末涂料的研制[J].現代涂料與涂裝,2005(03):10-11.