顆粒填料可對(duì)膨脹型阻燃涂料的燃燒性能產(chǎn)生重大影響，如其阻燃性以及煙霧和有毒氣體排放產(chǎn)物的范圍和性質(zhì)。這可能是由于可燃燃料源的稀釋，這會(huì)減慢氧氣和可燃熱解產(chǎn)物的擴(kuò)散速率，并改變聚合物的熔體流變性，從而影響其滴落趨勢(shì)[233]。此外，根據(jù)阻燃劑組合物的熱容、熱導(dǎo)率和發(fā)射率方面的填料，其也可能發(fā)生變化，導(dǎo)致傳熱和熱反射率效應(yīng)的增加，這也會(huì)降低燃燒速率[233234]。
一般來說，填料對(duì)阻燃燃燒的影響不能被認(rèn)為是完全惰性的。然而，特別是一些金屬水合物、氫氧化物和碳酸鹽可賦予額外的阻燃性和抑煙性能[43235]。在該反應(yīng)中，發(fā)生吸熱分解，其冷卻固相或冷凝相，并釋放稀釋和冷卻氣相中易燃燃燒產(chǎn)物的氣體。除了有助于整體抑煙外，填料分解后殘留的無機(jī)殘留物在底層聚合物基材和外部熱源之間提供隔熱屏障方面可能非常重要[112]。
除了阻燃效果外，這些填料還應(yīng)無毒、價(jià)格合理、不含導(dǎo)電污染物，并且易于獲得，以便在商業(yè)上使用[43236237]。為了達(dá)到較佳阻燃效果，熱分解應(yīng)在阻燃劑降解開始時(shí)發(fā)生，隨后釋放易燃揮發(fā)物。除此之外，填料的形狀和尺寸也是需要考慮的關(guān)鍵因素[238239]。填料的粒徑和高添加量的要求通常會(huì)限制其在膨脹型阻燃涂料中的應(yīng)用潛力，無論是在加工性能還是最終物理性能方面[112]。此外，無機(jī)填料的使用會(huì)影響膨脹型阻燃涂料對(duì)火焰的反應(yīng)，如圖8所示。
所有這些作用都對(duì)膨脹型阻燃涂料的阻燃性能產(chǎn)生間接影響。盡管如此，由于其高溫性能，一些礦物更專門用作阻燃填料。金屬氫氧化物（即鋁、鎂）和羥基碳酸鹽是阻燃涂料中最常用的填料[101]。除了上述效果之外，這些無機(jī)填料還具有直接的物理阻燃作用。這些填料能夠隨著溫度升高而吸熱分解，從而吸收能量[248]。此外，它們釋放不可燃分子（即H2O和CO2），稀釋可燃?xì)怏w，并可直接促進(jìn)保護(hù)陶瓷或玻璃層的形成[101249]。
7.3.1.三氫氧化鋁（Al（OH）3）
三氫氧化鋁是最常用的無機(jī)氫氧化物，用作阻燃填料。根據(jù)顆粒尺寸，Al（OH）3在低于其分解點(diǎn)的溫度下加工，溫度范圍為190至230°C[250]。通常，Al（OH）3用作熱塑性塑料、熱固性樹脂和彈性體中的阻燃填料，這些材料在低于200°C的溫度下加工，顆粒尺寸大于50μm[251252]。它可以被再溶解和沉淀以產(chǎn)生具有較小顆粒尺寸的更純等級(jí)的Al（OH）3。然而，對(duì)該工藝的改進(jìn)會(huì)降低鐵、二氧化硅和殘余固體雜質(zhì)的含量[253]。因此，需要進(jìn)行表面處理，以改善Al（OH）3作為有效阻燃填料的一種或多種特定機(jī)械性能。
通常，脂肪酸或金屬硬脂酸鹽用于Al（OH）3的表面處理，以限制添加劑聚集體并提高斷裂伸長(zhǎng)率[254]。除此之外，基于硅烷的表面處理可使用反應(yīng)性（氨基、乙烯基、環(huán)氧基和甲基丙烯酸）和非反應(yīng)性（烷基）取代基，這決定了Al（OH）3的摻入量，可用于定制應(yīng)用[249255]。同時(shí)，其他表面處理方案使用磷、鈦和鋯作為中心元素[256]。無論如何，鈦酸鹽和鋯酸鹽與基于硅烷的表面處理相比更昂貴，只能用于非常特殊的應(yīng)用。
7.3.2.碳酸鎂（MgCO3）
無機(jī)化學(xué)品，特別是鎂化合物，由于其有效性、低成本和環(huán)境友好性，作為普通阻燃填料越來越受歡迎，已用于處理聚合物以獲得阻燃性[60]。具體而言，碳酸鎂（MgCO3）作為一種吸熱阻燃劑引起了研究人員的興趣，該阻燃劑足夠穩(wěn)定，可以在不分解的情況下并入熱塑性塑料（即聚丙烯）[45258]?；旧?，MgCO3的熱穩(wěn)定性介于氫氧化鋁和氫氧化鎂之間。在高填料濃度（約60%）下，MgCO3最為有效，其極限氧指數(shù)（LOI）為28.2，與氫氧化鋁和氫氧化鎂的可燃性等級(jí)相比更為有效[259260]。
在預(yù)分解階段（溫度低于250℃），經(jīng)處理的基質(zhì)中的MgCO3吸收熱量，減緩其熱解燃燒和炭化過程。在燃燒和炭化階段，水蒸氣和CO2從MgCO3中釋放，導(dǎo)致形成松散的炭層，而在炭煅燒階段，內(nèi)部基材進(jìn)一步炭化，導(dǎo)致炭產(chǎn)率增加[261262]。
7.3.3.氫氧化鎂（Mg（OH）2）
氫氧化鎂（Mg（OH））是一種無機(jī)阻燃填料，熱穩(wěn)定性更高（溫度高于300℃），用于各種彈性體和樹脂，包括工程塑料和其他高溫樹脂[256266267]。Mg（OH）2是由含鎂礦石（如菱鎂礦、蛇紋石和白云石）以及鹽水和海水通過各種工藝產(chǎn)生的。一些礦石，如水鎂石、水鎂石和亨氏石，可直接用作阻燃填料，或在用于阻燃劑配方之前先轉(zhuǎn)化為Mg（OH）2[268]。用作阻燃填料的Mg（OH）2通常具有高純度（>98.5%）。有三種可用于獲得高純度Mg（OH）2的方法：海水和鹽水法、Aman法和放大法[269]。
通常，大多數(shù)Mg（OH）2阻燃劑等級(jí)為白色粉末，中值粒徑為0.5至5μm[270]。同時(shí)，根據(jù)顆粒形狀和尺寸，Mg（OH）2的表面積范圍為7-15m2/g[271]。此外，Mg（OH）2在高負(fù)載水平下使用，通常在50%和70%之間，以最大限度地發(fā)揮其阻燃作用[272273]。然而，在某些情況下，由于Mg（OH）2的價(jià)格高于沉淀級(jí)Al（OH）3，因此使用少量Mg（OH）2作為阻燃填料。
7.3.4.膨脹型阻燃涂料中的二氧化鈦（TiO2）
礦物填料，如二氧化鈦（二氧化鈦）（顏料添加劑），近年來引起了廣泛關(guān)注，通常用于涂料行業(yè)。基本上，將TiO2摻入聚磷酸銨-三聚氰胺-季戊四醇（APP-MEL-PER）系統(tǒng)可改善正在燃燒的聚合物基質(zhì)中的炭化過程[274275]。通過添加TiO2，孔隙率和體積的大膨脹增加了阻燃效果：防火涂層的絕緣和高度膨脹[276]。此外，當(dāng)在合適的膨脹配方中用作阻燃填料時(shí)，TiO2可以改善熱性能，并對(duì)多孔和連續(xù)炭的形成具有顯著影響[238277]。TiO2還可以增強(qiáng)炭層的抗氧化性，增加涂層殘?jiān)闹亓?，并改善炭殘?jiān)呐菽Y(jié)構(gòu)，從而降低火焰蔓延速率[278]。
除此之外，在阻燃涂料中，TiO2可用于制備涂料，表明該產(chǎn)品具有優(yōu)異的抗污染和阻燃性能[277]。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，TiO2可以通過形成具有更大膨脹性和孔隙率的更強(qiáng)、更多的成炭層，顯著提高膨脹型防火涂料的膨脹性和耐火性[279]。當(dāng)暴露于熱時(shí)，膨脹涂層產(chǎn)生絕緣泡沫和高膨脹，在熱傳導(dǎo)到基材中起到有效屏障的作用，因此改善了其熱性能和炭的形成[91]。除此之外，TiO2與天然防腐劑（即硼酸鋅）的結(jié)合可以提高膨脹涂料配方的阻燃性能。
7.3.5.可膨脹石墨
可膨脹石墨是一種具有優(yōu)異熱物理和機(jī)械性能的材料。此外，可膨脹石墨是一種低密度碳材料，具有一系列獨(dú)特的性能，包括發(fā)達(dá)的比表面、無粘合劑的壓制能力、耐腐蝕性介質(zhì)和低熱導(dǎo)率，使其成為研究和工業(yè)應(yīng)用的有前景的材料[105280]?？膳蛎浭畛Ｓ玫挠猛局皇怯米髯枞继盍??；鹧娴臒崃炕旧蠒?huì)導(dǎo)致石墨膨脹，并在材料表面形成膨脹層。這可以減緩火焰蔓延，減少火焰產(chǎn)生的有害影響，即產(chǎn)生有毒氣體和煙霧[281282]。
已證明，可膨脹石墨是一種有效的添加劑，既起發(fā)泡劑又起碳化劑的作用，已證明可改善各種基材（如聚氨酯泡沫）的阻燃性能[282]。高耐熱石墨通常在280至438°C的溫度范圍內(nèi)膨脹，導(dǎo)致在基材和火焰之間形成受保護(hù)的多孔物理屏障[105283]。此外，在炭形成過程中，炭?jī)?nèi)形成空隙，允許氣流并冷卻火焰環(huán)境（大氣），因此，增加了受保護(hù)材料的點(diǎn)火時(shí)間[105]。
同時(shí)，作為發(fā)泡劑，可膨脹石墨膨脹至其原始厚度的100倍[284]。事實(shí)上，隔離層的厚度大于目前使用的許多膨脹劑的厚度。與其他膨脹型阻燃劑相比，由可膨脹薄片形成的石墨基炭層可以保持優(yōu)異的耐熱性[105]。此外，石墨薄片是先進(jìn)一種在足夠熱量下膨脹的膨脹材料，可用于剛性系統(tǒng)。
一般來說，可膨脹石墨膨脹/剝落的實(shí)際原因是由中間物的快速加熱引起的體積和壓力的增加。將插層建模為固定在石墨烯層之間的液相或固相可以簡(jiǎn)化快速加熱過程[285]?；旧希幚磉^的石墨的這種快速加熱導(dǎo)致了插層劑從液相或固相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?，其中插層劑的體積增加約100倍。同時(shí)，體積增加產(chǎn)生的壓力導(dǎo)致相鄰石墨層分離。這些石墨烯層間距的增加增強(qiáng)了襯底的保護(hù)過程[105]。
7.3.6.飛灰
飛灰通常含有高濃度的可溶性鹽（即氯化鈉（NaCl）、氯化鉀（KCl））和可浸出的重金屬（即鎘（Cd）、鉛（Pb）、鋅（Zn）），將其歸類為危險(xiǎn)廢物[286287288]。因此，需要進(jìn)行預(yù)處理以重新使用這些灰燼。粉煤灰再利用最常見的應(yīng)用是在建筑施工中，用作水泥和混凝土填料[289]。根據(jù)文獻(xiàn)，飛灰可用作重金屬吸附劑、微污染物吸附劑和CO2封存材料[290]。事實(shí)上，粉煤灰的再利用有幾個(gè)好處，包括將廢物用作實(shí)現(xiàn)人類物質(zhì)循環(huán)循環(huán)的二次原料，保護(hù)自然資源，減少廢物填埋[291292293]。
此外，據(jù)報(bào)道，在聚合物復(fù)合材料（即聚碳酸酯或聚氨酯、環(huán)氧樹脂）中使用飛灰可以提高其熱穩(wěn)定性和抗氧化性，并減少燃燒過程中產(chǎn)生的煙霧量[294]。除此之外，可以將飛灰填充到聚合物泡沫中，以增強(qiáng)泡沫材料的阻燃性能，如苯乙烯和聚氨酯泡沫[295]?；旧希w灰對(duì)火焰是惰性的，不會(huì)排放有毒氣體或煙霧，這對(duì)環(huán)境問題至關(guān)重要，其使用有可能通過重復(fù)使用之前提到的廢料節(jié)省資金[296]。除此之外，飛灰被認(rèn)為是阻燃聚合物復(fù)合材料的無毒阻燃填料，因?yàn)槠湓诜磻?yīng)過程中沒有顯示出有害影響[297]。
另一方面，使用穩(wěn)定的飛灰作為阻燃填料也是傳統(tǒng)阻燃劑（磷和溴化阻燃劑）的一種有前途的替代品。穩(wěn)定的飛灰具有類似方解石的自熄特性[298]。有利的是，與方解石不同，穩(wěn)定化飛灰可與其他阻燃劑結(jié)合使用，以提高材料的自熄性能，這是由于協(xié)同效應(yīng)[293]。
同時(shí)，對(duì)于其他應(yīng)用，粉煤灰碳化有能力改善硅橡膠復(fù)合材料的機(jī)械和阻燃性能。與純固化硅橡膠相比，向硅橡膠中添加碳酸化飛灰增加了復(fù)合材料的滲透時(shí)間（26倍）[296]。同時(shí)，與填充其他填料（如氫氧化鋁和氫氧化鎂）的硅橡膠復(fù)合材料相比，這種碳酸化飛灰的滲透性高達(dá)3倍，這是常用填料[299]。粉煤灰的碳化過程也改善了粉煤灰-硅橡膠復(fù)合材料的機(jī)械性能，有助于提高阻燃保護(hù)[300301]。
7.3.7.微珠
微珠是從燃煤發(fā)電廠飛灰廢物中提取的低密度空心微珠[302]。微珠的主要成分是SiO2、Al2O3和Fe2O3[303]。目前，正在努力在增值產(chǎn)品中使用微珠，例如在樹脂、混凝土、塑料、油漆、涂料和陶瓷中減輕重量并提高強(qiáng)度[304]。由于微珠的低密度、高強(qiáng)度、驚人的熱容量和電容量、優(yōu)異的分散性和隔熱性、高填充能力以及低舒適性和粘度，它們已被用作各種聚合物的填料，如聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺和乙烯基酯[29930305]?；旧?，含微珠復(fù)合材料熱性能的改善已被廣泛報(bào)道，這證實(shí)了微珠的玻璃性質(zhì)，即其高熱穩(wěn)定性和熔融范圍（1350–1450°C）[306307]。
此外，基質(zhì)的分?jǐn)?shù)隨著溫度和碳轉(zhuǎn)化率的增加而增加，但隨著添加更大的微珠顆粒尺寸而減少。高分?jǐn)?shù)基本上為火焰后期的熄滅事件提供了合理的解釋。因此，使用較小尺寸的微珠更有希望，因?yàn)榭梢垣@得更高的熱穩(wěn)定性來克服火焰[308]。除此之外，隨著尿素/空心球復(fù)合抑制劑含量的增加，最大火焰長(zhǎng)度逐漸減小，并且抑爆效果逐漸改善。添加40重量%的尿素/空心微球復(fù)合抑制劑，可以實(shí)現(xiàn)幾乎完全的煤抑爆。因此，微/納米多尺度互補(bǔ)效應(yīng)和減速-降壓耦合效應(yīng)被歸納為尿素/空心球復(fù)合抑制劑抑制機(jī)制[302309]。
除此之外，陶瓷材料還可以使用微珠獲得，包括鐵涂層球體[310]。事實(shí)上，陶瓷化目前被視為保護(hù)聚合物材料免受火焰?zhèn)Φ奈锢矸椒òl(fā)展的下一步。當(dāng)暴露于高溫或火焰時(shí)，陶瓷化在聚合物基材的表面上產(chǎn)生堅(jiān)硬、耐用的陶瓷涂層。在材料表面形成的陶瓷層有效地限制了火焰在表面上的蔓延，并阻止氧氣擴(kuò)散到基材內(nèi)層，因此，減少了形成的聚合物熱破壞產(chǎn)物的數(shù)量[255299]。
與本文關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品:
