Impact of various binding resins and formulation on the characteristics of intumescent fire-retardant paints

賦予木材耐燃效應，目的在於考量安全問題。因此本研究之目的，在於探討膨脹型防火塗料在使用不同載體樹脂下其塗膜的各種性能和耐燃效應。 研究的方法採用不同載體樹脂及不同比例的兩種方式配置防火塗料，並利用表面耐燃試驗機、熱重分析儀和彈氧熱卡計進行了解塗膜之耐燃、熱解和標準燃燒熱。試驗結果發現： （一）在同一的塗佈量之下變化不同種類的載體樹脂。載體樹脂和碳源劑間的最佳關係為15/35。四種載體樹脂的比較以含有苯乙烯單體的其耐燃效果最差，水性壓克力樹脂次之，最佳的為乙烯醋酸乙烯樹脂（EVA）和醋酸乙烯壓克力共聚合樹脂（VAC）。 （二）乙烯醋酸乙烯樹脂和醋酸乙烯壓克力共聚合樹脂兩者皆含有醋酸乙烯（Vinyl acetate）的成分，此兩組的耐燃效果亦為最佳。 （三）試驗結果中發熱量（tdθ）和絕對發熱量（tdθ1）有隨異戊四醇（PER）的添加比例增加而減少的趨勢。因此光靠載體樹脂是無法形成足夠的炭化層來阻燃，而必須添加另外的碳源劑。 （四）以彈氧熱卡計進行標準燃燒熱之測量，發現減少或改變容易發出熱量的高分子物質做為防火材料可以有效的降低物質的燃燒熱，亦可使物質在著火後越不易燃燒。The main purpose of wood treated with fire retardants is to improve safety in case of fire. The objective of this study is to discuss the effective fire-retardant property and coating performance of intumescent fire retardant paint in using different binding resin. The research methods are using different mixing ratios of different binding resins with acid precursor, carbon source and blowing agent to manufacture intumescent fire retardant paints. In order to know coating property of fire retardant, pyrolysis and heat of combustion, the intumescent fire retardant paint was evaluated by surface testing machine, thermalgravimetric analyzer and oxygen bomb calorimeter. The experimental results are summarized as follows: 1. In fire-retardant test, the best combination ratio of binding resin and carbon source is 15/35. The worst performance of four binding resins is the styrene monomer contained resin. The best two are EVA and VAC resin. 2. The best fire-retardant performance of four binding resins is the Vinyl acetate contained resin. 3. In terms of tdθ and tdθ1 values of CNS 6532, utilizing binding resin only is not enough to form the layer of char to be fire-retardant; therefore, the said resin must add extra carbon sources to form the said layer. 4. To reduce or change the heat of combustion in polymer materials will make protect material being uneasy to burn after firing.摘 要---------------------------------------------------------------------------I Abstract----------------------------------------------------------------------------II 目 錄-------------------------------------------------------------------------III 表 目 錄-------------------------------------------------------------------------VI 圖 目 錄-----------------------------------------------------------------------VIII 壹、前言---------------------------------------------------------------------------1 貳、文獻回顧---------------------------------------------------------------------4 一、火災發生的過程-------------------------------------------------------4 （一）起始階段-------------------------------------------------------4 （二）成長階段-------------------------------------------------------4 （三）穩定階段-------------------------------------------------------5 （四）衰退階段-------------------------------------------------------5 二、高分子的燃燒與木材的難燃化------------------------------------6 （一）高分子燃燒----------------------------------------------------6 （二）木材的難燃化-------------------------------------------------7 1. 木材的難燃化理論---------------------------------------7 （1） 障礙原理-----------------------------------------------7 （2） 熱原理--------------------------------------------------7 （3） 產生不然性氣體稀釋原理--------------------------8 （4） 自由基陷阱原理--------------------------------------8 （5） 增加炭，減少揮發性物質原理--------------------8 （6） 降低揮發物的熱容量原理--------------------------8 （7） 燻燒原理-----------------------------------------------8 2. 難燃化的處理方式---------------------------------------8 三、防火塗料之分類-----------------------------------------------------10 （一）非膨脹性防火塗料------------------------------------------11 1. 不燃性塗料-----------------------------------------------11 2. 難燃性塗料-----------------------------------------------11 （二）膨脹型防火塗料---------------------------------------------12 1. 定義--------------------------------------------------------12 2. 膨脹型防火塗料的組成份-----------------------------13 3. 膨脹型防火塗料的塗膜受熱膨脹過程中的 作用性------------------------------------------------------16 4. 膨脹過程中各種藥劑的效用--------------------------17 （三）防火塗料的阻燃原理---------------------------------------18 1. 非膨脹型防火塗料的阻燃機構-----------------------18 2. 膨脹型防火塗料之塗膜膨脹成碳化層的 成形機構---------------------------------------------------19 四、標準燃燒熱------------------------------------------------------------22 （一）熱卡計試驗原理----------------------------------------------22 （二）熱卡計的應用-------------------------------------------------22 五、熱重量分析------------------------------------------------------------23 參、材料與方法-----------------------------------------------------------------24 一、試驗流程---------------------------------------------------------------24 二、試驗材料---------------------------------------------------------------25 （一）合板-------------------------------------------------------------25 （二）樹脂及藥品-----------------------------------------------------25 （三）試驗方法-------------------------------------------------------26 1. 防火塗料配方--------------------------------------------26 2. 調製與塗佈-----------------------------------------------28 （1） 調製---------------------------------------------------28 （2） 塗佈---------------------------------------------------28 （3） 表面燃燒試驗前之調濕處理---------------------29 3. CNS 6532表面加熱試驗法----------------------------29 （1） 依據方法---------------------------------------------29 （2） 試驗裝置---------------------------------------------29 （3） 試驗方法---------------------------------------------31 （4） 計算與判定------------------------------------------32 4. 熱重分析儀（TGA）-----------------------------------36 5. 彈氧熱卡計（Oxygen bomb calorimeter）----------38 肆、結果與討論-----------------------------------------------------------------41 一、不同含量之載體樹脂和碳源劑表面試驗結果-----------------41 二、載體樹脂和碳源劑間的相關性-----------------------------------43 三、不同含量之載體樹脂和碳源劑防火效果之比較--------------46 四、不同含量之之發泡劑和脫水劑表面試驗結果-----------------48 五、發泡劑和脫水劑間的相關性--------------------------------------51 六、不同含量之之發泡劑和脫水劑防火效果之比較--------------54 七、熱膨脹性質試驗結果-----------------------------------------------56 八、最佳原料比例之熱卡計試驗結果--------------------------------61 伍、結論--------------------------------------------------------------------------63 陸、參考文獻--------------------------------------------------------------------66 表目錄 頁次 表2-1 常用於膨脹型防火塗料的混合物 Table.2-1 Compounds commonly use in intumescent fire retardant paint -------------------------------------------------15 表3-1 載體樹脂的種類和特性 Table.3-1 Character and category of binding resin-------------------------26 表3-2 防火塗料配方 Table.3-2 Formula of fire retardant paint------------------------------------27 表3-3 CNS 6532表面加熱試驗之耐燃級別判定標準 Table.3-3 Criteria for incombustibility for surface tests-------------------36表4-1 異戊四醇和載體樹脂不同重量比CNS 6532表面試驗結果 Table.4-1 Results of surface test ---------------------------------------------42 表4-2 三聚氰胺和聚磷酸胺不同重量比CNS 6532表面試驗結果 Table.4-2 Results of surface test ----------------------------------------------50 圖目錄 頁次 圖1-1 鋼鐵與木材強度變化比較 Fig.1-1 Comparison chart of steel and wood strength variance-----------3 圖 2-1 建築物火災成長過程示意圖 Fig.2-1 Stages of fire growth --------------------------------------------------5 圖 2-2 高分子裂解的過程所產生的產物 Fig.2-2 Schematic representation of many processes involved in polymer combustion --------------------------------------------------------------7 圖2-3 難燃劑的分類 Fig. 2-3 The classification of fire retardant -----------------------------------9 圖2-4 防火塗料的分類 Fig.2-4 Classification of fire retardant paint ---------------------------------11 圖2-5 阻燃反應圖 Fig.2-5 Schematic diagram of intumescent reaction------------------------13 圖2-6 酯類裂解機制 Fig. 2-6 Ester pyrolysis mechanism-------------------------------------------21 圖3-1 試驗流程圖 Fig.3-1 Schematic diagram of experiment flow chart ----------------------24 圖3-2 表面試驗機全圖（單位：cm） Fig.3-2 Apparatus of surface test（unit:cm）-------------------------------30 圖3-3 表面試驗加熱裝置（單位：mm） Fig.3-3 Heating furnace（uint:mm）-----------------------------------------30 圖3-4 光量測定裝置（單位：mm） Fig.3-4 Actinometer（unit:mm）---------------------------------------------31 圖3-5 CNS 6532表面燃燒試驗之代表性曲線 Fig.3-5 Schematic diagram of standard heat release（tdθ）--------------34 圖3-6 絕對發熱量（tdθ1）計算方式 Fig.3-6 Schematic diagram of absolute heat release（tdθ1）--------------35 圖3-7 TGA試驗儀器全圖 Fig.3-7 Schematic of TGA -----------------------------------------------------37 圖3-8 TGA 測試樣品盤 Fig.3-8 TGA sample pan -------------------------------------------------------37 圖3-9 彈體剖面圖 Fig.3-9 Profile of bomb --------------------------------------------------------40 圖3-10 熱卡計儀器全圖 Fig.3-10 Schematic of Oxygen bomb calorimeter --------------------------40 圖4-1異戊四醇和載體樹脂不同重量比CNS 6532測定參數之影響 （EVAc、VAC為載體樹脂） Fig.4-1 Surface test of different gram ratios of different binding resin （The binding resin are EVAc and VAC）------------------------------44 圖4-2異戊四醇和載體樹脂不同重量比CNS 6532測定參數之影響 （AC、SAC為載體樹脂） Fig.4-2 Surface test of different gram ratios of different binding resin （The binding resin are AC and SAC）---------------------------------46 圖4-3不同載體樹脂其防火效果之比較 Fig.4-3 Fire performance of different binding resin ------------------------47 圖4-4三聚氰胺和聚磷酸胺不同重量比CNS 6532測定參數之影響 （AC、SAC為載體樹脂） Fig.4-4 Surface test of different gram ratios of different binding resin （The binding resin are AC and SAC）---------------------------------52 圖4-5三聚氰胺和聚磷酸胺不同重量比CNS 6532測定參數之影響 （EVAc、VAC為載體樹脂） Fig.4-5 Surface test of different gram ratios of different binding resin （The binding resin are EVAc and VAC）------------------------------53 圖4-6不同載體樹脂其防火效果之比較 Fig.4-6 Fire performance of different binding resin ------------------------54 圖4-7 AC系列試材在氮氣下TGA表示之重量損失 Fig.4-7 Weight loss of AC group under nitrogen flow ---------------------57 圖4-8 AC系列試材在空氣下TGA表示之重量損失 Fig.4-8 Weight loss of AC group under air flow ----------------------------57 圖4-9 EVAc系列試材在氮氣下TGA表示之重量損失 Fig.4-9 Weight loss of EVAc group under nitrogen flow ------------------59 圖4-10 EVAc系列試材在空氣下TGA表示之重量損失 Fig.4-10 Weight loss of EVAc group under air flow -----------------------59 圖4-11 SAC系列試材在氮氣下TGA表示之重量損失 Fig.4-11 Weight loss of SAC group under nitrogen flow ------------------60 圖4-12 SAC系列試材在空氣下TGA表示之重量損失 Fig.4-12 Weight loss of SAC group under air flow ------------------------61 圖4-13 AC組和SAC組標準燃燒熱 Fig.4-13 Heat of combustion for AC and SAC group ----------------------62 圖4-14 VAC組和EVAc組標準燃燒熱 Fig.4-11 Heat of combustion for VAC and EVAc group-------------------6