船用级阻燃涂层涂覆于复合玻璃纤维表面：商用添加剂与磷酸铝的作用研究

《Materials Chemistry and Physics》：Marine Grade Fire Retardant Coating Coated on Composite Fiberglass Surface: The Effect of Commercial Additives and Aluminum Phosphate

　　

阻燃涂层是一种高效的材料防火保护方式，能够在火灾发生时作为首层屏障阻止热量与火焰向基体传递。磷酸盐基团被证实可提升阻燃剂的成炭性能并保持炭层稳定。近年来，磷酸铝(AlPO4)被用于改善不饱和聚酯树脂体系内部的阻燃反应，但在外部防护涂层中的应用尚未见报道。本研究旨在评估单独及与商用阻燃添加剂联合使用磷酸铝对涂层的热学、结构与阻燃性能的影响。研究人员采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、热重分析(TGA)及UL-94垂直燃烧测试进行表征。结果表明，磷酸铝可显著提高船用涂料(MP)的成炭量。将磷酸铝与商用阻燃剂复配，在含10 wt%聚磷酸铵(APP)、5 wt%氢氧化铝(ATH)和5 wt% AlPO4的配方中，获得了优异的阻燃效果，同时具备良好的耐热性和结构稳定性。

研究背景方面，复合玻璃纤维船体主要由玻璃纤维与不饱和聚酯树脂(UPR)构成，具有轻质高强、耐腐蚀和成本低的优势，但UPR在特定条件下易燃，带来安全隐患。现有阻燃策略分为反应型与添加型两类：反应型通过改变聚合物链结构实现阻燃，工艺复杂且成本高；添加型则通过在基体中引入阻燃剂提升耐火性，成本低且适用性广。阻燃机理主要包括气相抑制、凝聚相成炭以及吸热物理过程，其中卤系阻燃剂因环境与健康问题逐渐被限制使用，磷系、金属氢氧化物及新型纳米材料成为研究热点。近年来，金属有机框架(MOFs)、生物基阻燃剂和纳米复合材料等新兴体系在实验室取得进展，但存在合成复杂、成本高及海洋环境耐久性不足等问题。因此，开发兼具高性能、低成本与易施工的外部阻燃涂层具有重要工程价值。

本研究由马来西亚吉隆坡大学的Mohd Rafie Johan、Asmalina Mohamed Saat等学者完成，发表于《Materials Chemistry and Physics》。研究人员首次将磷酸铝(AlPO₄)应用于船用级外部阻燃涂层，并与聚磷酸铵(APP)、氢氧化铝(ATH)复配，系统评价其热学与阻燃性能，填补了该体系在外部防护应用方面的空白。

技术方法方面，研究人员采用手糊法制备三层玻璃纤维增强复合材料板，分别引入不同比例的AlPO₄、APP及ATH，制备共计15种涂层样品。利用FTIR分析化学键变化，TGA测定热稳定性与成炭率，UL-94测试评估燃烧等级。实验均在海洋环境相关条件下进行，不涉及新型化合物合成，而是通过优化配方实现协同阻燃效应。

结果与讨论部分，首先研究了AlPO₄对船用涂料性能的影响。FTIR结果显示，含5 wt% AlPO₄的样品在O-P-O、C-O、CH₂和C-H键处信号强度最高，表明AlPO₄与环氧树脂形成强烈相互作用；随AlPO₄含量从10 wt%增至50 wt%，这些信号逐渐减弱。TGA结果表明，AlPO₄显著提高了涂层在高温下的残炭量，并在凝聚相形成致密的阻隔层，有效延缓热量与氧气向基材扩散。UL-94测试中，含10 wt% APP、5 wt% ATH与5 wt% AlPO₄的配方达到最优阻燃等级，燃烧自熄时间最短且无滴落现象。

结论部分，研究人员指出，单独使用AlPO₄时，5 wt%为最佳比例；与APP复配的成炭效果优于ATH。复配体系在FTIR、TGA及UL-94中均表现出协同作用，提升了涂层的整体热稳定性与阻燃效率。该外部涂层策略避免了内部改性可能导致的力学性能下降，并可在已有船体结构上直接施工，具有良好的工程推广价值。研究强调，AlPO₄在外涂层中的作用机制不同于其在基体内部的分解行为，外涂层中其成炭与隔热功能在火灾初期发挥关键作用，这种位置差异带来的动力学变化是本研究的重要发现之一。该研究为船用复合材料提供了一种低成本、高耐久性的防火解决方案，也为其他领域的外部阻燃设计提供了参考。