Étude théorique sur les revêtements en poudre isolants auto-extinguibles époxy ignifuges
Ces dernières années, l’État a vigoureusement mis en œuvre des politiques vertes et respectueuses de l’environnement. Les revêtements en poudre, grâce à leur respect de l'environnement et leur fonctionnalité, sont utilisés dans de plus en plus de secteurs industriels différents. Chaque industrie a des exigences de performance différentes. Parmi eux, dans le domaine des véhicules à énergies nouvelles, lorsque le véhicule est en charge rapide, la batterie embarquée accumule une grande quantité d'énergie thermique en peu de temps. Si le système de gestion de la batterie tombe en panne et que la chaleur ne peut pas être dissipée à temps, cela peut endommager les cellules de la batterie, voire provoquer une combustion spontanée et une explosion. Cela peut également provoquer un dysfonctionnement de la batterie pendant la charge et générer des accidents. Les collisions de véhicules peuvent également provoquer la combustion ou l'inflammation spontanée de la batterie en cas de dommage. Par conséquent, sa couche protectrice doit posséder des propriétés ignifuges afin que, en cas d'explosion, elle puisse ralentir la propagation des flammes et de la chaleur, fournissant ainsi un effet d'isolation incendie, donnant ainsi au conducteur plus de temps pour s'échapper. De plus, lors du fonctionnement et de la charge/décharge des véhicules à énergie nouvelle, du courant est généré. Pour garantir un fonctionnement normal, la couche protectrice doit également avoir des propriétés d'isolation haute tension pour empêcher le revêtement d'être détruit par un courant haute tension.
I. Classification ignifuge des revêtements en poudre
Les revêtements en poudre, principalement composés de résine, d'agent de durcissement, de charge, d'additifs et d'autres matières premières, doivent atteindre leurs propriétés ignifuges grâce à l'exploration expérimentale de chaque composant sous différentes dimensions. Il existe deux méthodes ignifuges pour les revêtements en poudre : l’une est l’ignifugation additive et l’autre est l’ignifugation réactive. Le caractère ignifuge additif fait référence au fait de s'appuyer sur les propres caractéristiques ignifuges du matériau pour compléter la protection ignifuge du revêtement, de sorte qu'il possède des propriétés ignifuges. Ceci est obtenu en ajoutant au revêtement en poudre diverses substances ignifuges qui ne participent pas à la réaction de durcissement. La méthode ignifuge réactive fait référence à l’introduction de structures ignifuges dans le revêtement en poudre. Grâce aux monomères ou aux structures présentes dans les matières premières participant à la réaction de polymérisation, des groupes ignifuges sont finalement introduits dans le revêtement en poudre, améliorant ainsi les propriétés ignifuges du revêtement en poudre.
1. Ignifugation additive
Cette méthode ignifugeante ne participe pas directement à la réaction. Au lieu de cela, il s'appuie sur ses propres caractéristiques ignifuges pour compléter les propriétés ignifuges du revêtement. Par conséquent, il est principalement composé de charges et d’additifs, tandis que la résine et l’agent de durcissement ne sont pas inclus dans cette catégorie.
À l'heure actuelle, les charges ignifuges courantes sur le marché comprennent principalement l'hydroxyde d'aluminium, l'hydroxyde de magnésium, etc. Cependant, leurs particules sont généralement au niveau du micron, incapables d'obtenir des effets de charge de charge élevés, avec une faible efficacité ignifuge et affectant également les propriétés physiques et mécaniques du matériau. Par conséquent, en améliorant la force d'interaction interfaciale entre les charges ignifuges, il est possible de les disperser plus uniformément dans le revêtement en poudre, améliorant ainsi plus efficacement les propriétés mécaniques du matériau mélangé. L'ajout de charges ignifuges nanométriques spécifiques dans le revêtement en poudre pour l'ignifugation des charges réduira considérablement la charge de charge et améliorera efficacement l'efficacité ignifuge.
La recherche utilise de l'hydroxyde d'aluminium à l'échelle nanométrique, de l'hydroxyde de magnésium et de la poudre de silice pour des expériences comparatives visant à explorer l'effet des charges ignifuges sur les performances du revêtement en poudre.
Les données de test du tableau 1 montrent que les revêtements en poudre additionnés de charges nanométriques ont d'excellentes propriétés mécaniques et peuvent répondre aux exigences. Parmi eux, les revêtements en poudre additionnés d'hydroxyde de magnésium et d'hydroxyde d'aluminium ont les meilleures propriétés ignifuges, tous deux atteignant un effet ignifuge de niveau V-0. Les revêtements en poudre contenant uniquement de la poudre de silice comme charge ne peuvent pas répondre aux exigences ignifuges.
Étant donné que l'hydroxyde d'aluminium commence à se décomposer à 200 ~ 300 °C, après décomposition, il produira de la vapeur d'eau en raison de la réaction de déshydratation, provoquant une réaction endothermique sur le revêtement de surface, réduisant ainsi la température de la surface du revêtement. Dans le même temps, la vapeur d'eau générée dilue la concentration de gaz combustibles et d'oxygène, ce qui lui confère un bon effet ignifuge d'isolation thermique.
La température de décomposition de l'hydroxyde de magnésium est plus élevée, atteignant 340 ~ 490°C. Son mécanisme ignifuge est similaire à celui de l'hydroxyde d'aluminium, mais l'hydroxyde de magnésium peut favoriser la carbonisation de la surface revêtue. La couche carbonisée formée peut isoler le contact entre l'oxygène et la surface métallique. L'hydroxyde d'aluminium n'a pas cet effet. Par conséquent, dans les mêmes conditions, l’effet ignifuge de l’hydroxyde de magnésium est nettement meilleur que celui de l’hydroxyde d’aluminium.
Étant donné que la poudre de silice est composée de SiO2, la liaison Si-O dans la structure SiO2 forme une structure semblable à un silicate dans le produit durci, générant des forces chimiques, conférant au revêtement une meilleure résistance aux solvants et de meilleures propriétés isolantes, tout en ayant également un certain effet ignifuge. Cependant, les données expérimentales montrent que l'effet ignifuge de la poudre de silice est médiocre et ne répond pas aux exigences ignifuges de niveau V-0.
Pour explorer la combinaison des propriétés ignifuges et isolantes, l'hydroxyde de magnésium, l'hydroxyde d'aluminium et la poudre de silice sont combinés pour explorer la meilleure formule de revêtement en poudre combinant ignifuge et isolation. Les données sont présentées dans les tableaux 2 et 3.
Les résultats expérimentaux indiquent qu'après avoir mélangé de l'hydroxyde de magnésium, de l'hydroxyde d'aluminium et de la poudre de silice, les revêtements peuvent atteindre à la fois des caractéristiques d'ignifugation et de résistance à la tension d'isolation. Parmi eux, lorsque le rapport de composition de l'hydroxyde de magnésium à la poudre de silice est de 2 : 1, les performances globales du revêtement sont les meilleures, capables de répondre à la fois aux exigences d'ignifugation et de résistance à la tension d'isolation.
D'un point de vue environnemental, des additifs ignifuges sans halogène ont été sélectionnés pour la recherche, car les éléments halogènes libèrent des gaz nocifs à haute température, sont volatils et perméables et provoquent facilement une pollution de l'environnement par le biais d'états gazeux, liquides et solides.
Les retardateurs de flamme au phosphore sont actuellement les additifs ignifuges sans halogène les plus fréquemment utilisés sur le marché. Leurs structures diverses et leur efficacité ignifuge élevée ont attiré beaucoup d’attention. Selon différentes structures, les retardateurs de flamme inorganiques au phosphore peuvent être divisés en polyphosphate d'ammonium, phosphore rouge, etc., tandis que les retardateurs de flamme au phosphore organique sont divisés en divers retardateurs de flamme, tels que les esters de phosphate, les phosphates, etc. En raison des différences d'états d'oxydation et de liaisons de coordination, les retardateurs de flamme au phosphore présentent généralement différents mécanismes ignifuges. Habituellement, les retardateurs de flamme au phosphore à forte oxydation agissent principalement en condensant la phase ignifuge. L'acide phosphorique et ses dérivés se décomposent lors du chauffage, provoquant la déshydratation et la carbonisation des polymères, formant une couche carbonisée pour bloquer l'oxygène, minimisant le transfert de chaleur pendant la combustion, obtenant ainsi des effets ignifuges et d'isolation thermique. Les retardateurs de flamme au phosphore à faible oxydation agissent principalement par le biais d’un retardateur de flamme en phase gazeuse. Lors de leur décomposition thermique, ils produisent un grand nombre de radicaux libres à base de phosphore qui, par des réactions en chaîne lors de la trempe, inhibent la propagation de la flamme, mettant fin à la combustion des radicaux OH· et H·, obtenant ainsi un caractère ignifuge. Cependant, dans le même temps, les émissions de fumée augmenteront également. Actuellement, les retardateurs de flamme au phosphore se situent à un niveau de prix relativement élevé. Ces additifs ont de puissants effets ignifuges, mais lorsqu'ils sont utilisés seuls, ils affectent les propriétés mécaniques des revêtements en poudre. Par conséquent, actuellement, le plus souvent, tout en réduisant la quantité de retardateurs de flamme au phosphore, des additifs synergiques et des retardateurs de flamme au phosphore sont combinés pour obtenir des propriétés ignifuges et améliorer leurs propriétés mécaniques.
2. Ignifugation réactive
La résine époxy est un matériau clé qui permet aux revêtements en poudre d'avoir des effets ignifuges et d'isolation thermique, jouant un rôle important dans les poudres isolantes ignifuges. Les groupes époxy et hydroxyle de la résine époxy ont de bonnes propriétés isolantes, ayant ainsi une forte réactivité. Après réaction avec l'agent de durcissement, une structure de réseau réticulée se forme rapidement, obtenant ainsi des propriétés isolantes. La résine ignifuge n'est pas la résine époxy de bisphénol A largement utilisée sur le marché, mais plutôt une résine ignifuge correspondante préparée en introduisant des éléments ignifuges tels que le phosphore, l'azote et le silicium dans la résine époxy.
Les groupes contenant de l'azote ont des propriétés auto-extinguibles ignifuges, avec d'excellentes caractéristiques telles que la résistance à la température et la résistance à l'arc. L'introduction de groupes contenant de l'azote dans la résine époxy pour modification et optimisation permet au revêtement formé avec des agents de durcissement et d'autres matières premières d'avoir d'excellentes propriétés ignifuges, résistantes à la température et à la pression.
Le phosphore a une bonne résistance à la chaleur et des propriétés ignifuges. Après avoir introduit 1 % à 10 % de phosphore dans la résine époxy, les propriétés ignifuges et résistantes à la température sont excellentes. Les revêtements préparés avec une résine ignifuge génèrent des oxyacides contenant du phosphore lors du chauffage, qui peuvent catalyser la déshydratation et la carbonisation du composé, réduisant ainsi le taux de perte de masse du matériau, diminuant la génération de combustibles et obtenant un caractère ignifuge grâce à la couche carbonisée formée.
L'utilisation de silicium organique pour modifier la résine époxy réduit ses contraintes internes tout en favorisant la ténacité de la résine époxy, en optimisant la résistance aux températures élevées et d'autres propriétés. Les polymères de silicium organique contenant des groupes époxy peuvent tous être considérés comme des résines époxy de silicium organique. Lorsque leurs poids moléculaires diffèrent, l’état de dispersion de la phase organique de silicium présentera différents changements, modifiant fondamentalement ses propriétés. Par conséquent, la clé de l’utilisation de cette résine est de résoudre correctement les problèmes de compatibilité.
l Recherche sur l'ignifugation des agents de durcissement
L'introduction de groupes contenant du phosphore dans les agents de durcissement amine garantit que l'hydrogène actif contenu dans l'agent de durcissement amine permet un durcissement complet du produit. Après durcissement, le produit contient deux éléments ignifuges, à savoir P et N. Lors de l'ignifugation en phase gazeuse et en phase condensée, ces deux éléments ignifuges peuvent exercer des effets synergiques, obtenant certains effets ignifuges. Dans le même temps, grâce à la présence d’éléments P, N et C formant un système ignifuge intumescent, il permet également d’obtenir des effets ignifuges sur les matériaux composites.
Un autre agent de durcissement époxy courant est l’agent de durcissement anhydride. En introduisant du phosphore ou d'autres éléments ignifuges dans la molécule d'agent de durcissement, celui-ci est ensuite mélangé à l'état fondu avec des matières premières telles que la résine époxy pour former des revêtements en poudre ignifuges. La recherche montre que lorsque la teneur en phosphore dans le système atteint 1,5 %, il dépasse le niveau d'ignifugation UL94 V-0.
II. Conclusion
Actuellement, les revêtements en poudre ignifuges se développent rapidement et leurs propriétés ignifuges peuvent être obtenues à partir de différentes étapes de matières premières. Pour réaliser une combinaison fonctionnelle de l'ignifugation et de l'isolation, il est nécessaire de partir de la structure et du mécanisme des matières premières, en explorant les effets synergiques entre diverses matières premières pour réaliser une combinaison fonctionnelle. Cet article explore la structure et les caractéristiques de chaque système de matières premières, fournissant une base théorique pour la composition des performances. Cependant, les conditions réelles d’application doivent être déterminées sur la base des résultats de laboratoire.
La recherche d'une voie prête à l'emploi et sans halogène vers l'ignifugation et l'isolation haute tension peut se tourner vers la génération d'additifs organophosphorés proposés par Guangzhou Yinsu Flame Retardant. Les Yinsu YS-22E , YS-M220G et YS-9003 sont tous des systèmes à poudre blanche, à base de phosphore et sans halogène qui ont été activés en surface pour une dispersion à l'échelle nanométrique dans des poudres époxy. Ils fonctionnent en formant une barrière intumescente tout en maintenant l'intégrité diélectrique du revêtement.
