0 引言
随着生活水平的提高，人们对纺织品的要求从美观舒适转向安全和健康。纺织品燃烧是引起火灾的重要原因，通过阻燃处理提高产品的阻燃性能，降低燃烧速度，可以减少损失。我国对铺地材料先后出台了一系列国家标准，包括《建筑内部装修设计防火规范》（GB 50222—1995）、《建筑内部装修防火施工及验收规范》（GB 50354—2005）、《新旧标准燃烧等级对应关系》（GB 8624—2012）、《建筑材料的燃烧等级分级》等等来控制和降低火灾的发生，尤其是公共场合的防火要求。
地毯厂家生产的地毯有两个途径可以有效地达到地毯的防火等级：一是对地毯纤维进行特殊处理，使它具有防火功能；二是通过涂布具有防火功能的涂料来达到防火要求。目前市售防火涂料的添加剂主要是卤素化合物，还有一些填料，如氢氧化镁、氢氧化铝、聚磷酸铵等等，尽管卤素化合物具有较强的防火功能，但是由于卤素化合物对环境和健康影响较大，很多欧美国家早已禁用，我国在很多产品中也不允许添加卤素化合物。由于很多填料的防火能力不能达到铺地材料要求的防火等级，尤其是公共场合地毯的防火等级要求较高，因而本文研究了氢氧化铝和聚磷酸铵的协同效应，以满足地毯涂料的防火要求。同时研究了两者在不同配比下涂料的黏度稳定性和涂层的黏结强度。
1 实验部分
1.1 原材料
丁苯胶乳（固含量52%，pH=7.2），斯泰隆丁苯胶乳有限公司；重质碳酸钙（500 目），上海碳酸钙厂；氢氧化铝（粒径：7 μm），上海旭森非卤消烟阻燃剂有限公司；聚磷酸铵（粒径：3.5 μm），上海旭升阻燃剂厂；丙烯酸增稠剂（固含量20%），中纺化学有限公司；丙纶针刺地毯，博优（日照）铺地材料有限公司。
1.2 试验方法
1.2.1 涂料的性能测试
黏度：采用美国Brookfield 黏度仪进行测试，测试温度为23℃，测试条件为2# 转子，50 r/min ；
pH ：采用Sartorius PB-10 型pH 测试仪进行测试；
固含量：采用美国CEM 微波仪加热进行测试。
1.2.2 涂布方法
采用STYRON 小型涂布机以辊涂的方式涂布，涂布速度为2.5 m/s，压力控制在0.25 MPa 左右。
1.2.3 黏结强度测试
采用美国Instron-3365 型万能拉力机测试黏结强度，样品尺寸为300 mm×5 mm，拉伸速度为100 mm/min，每个样品测试5 次，测试结果取平均值。
1.2.4 极限氧指数测试
按ASTM D 2863—1997 方法测试极限氧指数，样品尺寸为140 mm×53 mm×0.8 mm。
1.3 配方设计
根据针刺地毯涂料的典型配方，固含量设定在50%，填料比例控制在50 份（按100 份胶乳计）。为了探讨阻燃剂氢氧化铝和聚磷酸铵的阻燃效果，本次研究设定了6 个配方，其中2 个单组分阻燃剂的配方，3 个氢氧化铝和聚磷酸铵不同配比配方，1 个参考配方，以无阻燃作用的碳酸钙为填料，同时可根据参考配方，分析各个配方的物理机械性能。背胶的主要功能要提供地毯足够的黏结强度，所以在考虑阻燃效果的同时，要保证一定的黏结强度。地毯涂料配方设计见表1。
1.4 涂料的制备
在500 mL 的广口塑料罐中依次加入胶乳、水、填料和增稠剂。然后用IKA 低速搅拌机分散约15 min，转速为800 r/min。后将固含量控制在50%，黏度为12 000 mPa·s。地毯涂料配方见表2。
2 结果与讨论
2.1 涂料的基本性能
表3 给出了根据配方制得涂料的基本性能，在试验中控制涂料的基本性能，使各个涂料的固含量、pH 和黏度基本相同，这样更有利于不同配方之间的阻燃性能对比。
2.2 涂料的稳定性
由于涂布机的运转速率和上料速率是恒定的，因而在涂布过程中，稳定的涂料黏度更有利于得到均一的涂层。而且黏度稳定性较好的涂料，在实际生产过程中的可操作性好，连续使用几天，其流变性能不发生任何改变。图1 为涂料黏度随时间的变化曲线。
由图1 可见：配方2 的涂料黏度随时间的延长会明显上升，这是由于聚磷酸铵粒子的粒径非常小（4 μm），粒子之间极易形成团聚进而导致涂料黏度上升。而配方1 的涂料黏度随时间的延长会快速下降，这也与填料粒子的粒径有密切关系，大粒径的碳酸钙（14 μm）密度较高，容易产生沉降，导致黏度测试区域的粒子浓度偏低，黏度下降。另外，碳酸钙粒子的沉降还会导致地毯涂层的涂布量偏低、涂布不均匀、涂布头堵塞等一系列问题。配方4 的涂料黏度随时间的变化并未发生明显的改变，这是由于在该配方中，不同粒径的颜料粒子在浆料体系中错位分布，既避免了大粒径粒子过快的沉淀，也阻止了小粒径粒子之间形成团聚，得到了稳定性好、有利于涂布的涂料体系。
2.3 涂层的黏结强度
作为地毯涂布用涂料，黏结强度是衡量地毯性能的重要指标。由于地毯在使用过程中经常会接触到湿介质，因而在考量涂层干黏结强度的同时，还要兼顾到涂层的湿黏结强度。根据不同的涂料配方制得的涂层的黏结强度测试结果见图2。
由图2 可见：采用配方2 和配方4 制得的涂层的干黏结强度高，但是配方4 涂层的湿黏结强度明显高于配方2。这可能是由于两种不同粒径的填料在该配比下的排列方式得到了优化，使得涂料成膜后，填料粒子在涂层中形成了紧密的堆积方式，此时胶黏剂和填料粒子的接触面积大，得到了更高黏结强度的涂层。另外，由于形成了填料粒子致密排布的涂层结构，使得涂层对水分的侵入有更好的阻隔作用，有利于涂层湿黏结强度的提升。
2.4 阻燃性能
阻燃材料分为有机阻燃剂和无机阻燃剂。有机阻燃剂（如含卤化合物）阻燃效率高，但热稳定性差，有毒性；无机阻燃剂（如聚磷酸铵、氢氧化铝、氢氧化镁等）热稳定性好，无有害气体产生，安全性好，同时还可以作为填充材料降低成本。
聚磷酸铵（APP）是目前磷系阻燃剂比较活跃的研究领域，其阻燃机理是：在高温下，APP 能迅速分解成氨气和聚磷酸，氨气可稀释空气中的氧气浓度，从而起到阻燃的作用。另外，聚磷酸铵是强脱水剂，可使聚合物脱水碳化形成炭层，防止聚合物与氧气的接触。氢氧化铝阻燃机理是：高温分解后产生水并挥发，以降低环境温度，起到阻燃作用。基于这两种阻燃填料的不同阻燃机理，本文研究了聚磷酸铵和氢氧化铝在不同配比下的防火性能，以期能够得到佳的配方。
本文通过测试极限氧指数来评估涂层的耐燃性能。极限氧指数指聚合物在氧气和氮气混合气体中，当刚能支撑其燃烧时氧气的体积分数浓度，即材料在氧氮混合气流中进行有焰燃烧所需的低氧气浓度。它是表征材料燃烧行为的指数，极限氧指数越高代表材料越不易燃烧。极限氧指数的测试结果如图3 所示。
从图3 中可以看出，所选用的两种阻燃用填料的阻燃效果均好于传统的碳酸钙填料，而两者的复配效果更好，其中按照配方4 和配方5 制得的涂层的极限氧指数接近30%，和传统的卤素系阻燃剂基本相当。
3 结语
氢氧化铝和聚磷酸铵分别作为阻燃填料时，难以制得达到国家标准的阻燃涂料。但两者配用时，可以获得较好的协同效应。当聚磷酸铵和氢氧化铝的配比为7∶3 时，可以使阻燃协同效果大化。同时在该配比下，两种不同粒径的阻燃填料粒子可以在涂层中形成佳堆叠排布方式，大大提高了涂料的黏度稳定性和涂层的黏结强度。
