混合型膨胀型涂层的升温速率响应研究（从室温至1000°C）：一种多技术实验分析

《Materials Today Communications》：Investigating the Heating Rate Response of a Hybrid Intumescent Coating up to 1000oC: A Multi-Technique Experimental Analysis

　　

现有关于膨胀型涂层的研究通常集中在标准时间-温度火灾曲线（如ISO 834-1）下的热特性表征，并已应用于工业规模的结构构件。类似地，在实验室规模下，膨胀型涂层通常以低升温速率研究至设定的温度；该温度由约200^°C的膨胀起始温度、约800^°C的降解温度或钢材失去50%承载能力的约600^°C定义。迄今为止，尚无研究系统探讨实验室控制升温速率与增量温度条件（至1000^°C）对混合型膨胀涂层（Hybrid Intumescent Coating, HIC）（一种以其有机/无机组成、应用方法和耐久性为特征的涂层）的联合效应，尽管这与真实火灾条件密切相关。本研究采用多技术方法（即一系列经典技术，如热重分析（Thermogravimetric Analysis, TGA）、炉体测试（Furnace Testing）、热盘分析（Hot Disk Analysis）以及扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（Scanning Electron Microscopy with Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, SEM-EDS））来研究一种市售混合型膨胀涂层的升温速率响应。TGA测试允许确定质量损失和起始/终止温度，而炉体测试允许在每个升温速率（5^°C/min、20^°C/min、50^°C/min和100^°C/min）和温度（25^°C至1000^°C）后对涂层表面进行视觉检查。热盘测试用于评估热导率（Thermal Conductivity）、热扩散率（Thermal Diffusivity）和比热容（Specific Heat）随增量温度点和升温速率的演变。结果表明，涂层的质量损失是非线性的，在较低升温速率（5和20^°C/min）下质量差异为0.9-2.7%。然而，厚度、热导率、热扩散率和比热容均受到影响。炭层降解阶段在不同升温速率间的偏移平均为60^°C。本研究结果为膨胀型涂层的升温速率响应提供了宝贵见解，收集了适用于未来建模研究的数据，并拓宽了对类似和替代防火涂层的调查。

**论文解读：混合型膨胀涂层在升温速率下的响应行为——多技术实验分析**

研究背景、存在问题与研究意义

膨胀型涂层（Intumescent Coating, IC）是建筑和工业设施中常用的被动防火材料，在受热时通过膨胀和炭化形成低导热性保护层，从而延缓热量传递至基材。现有研究多基于标准时间-温度火灾曲线（如ISO 834-1）进行热特性表征，且测试通常集中在低升温速率（5-20^°C/min）和有限温度范围（通常低于700^°C），未能真实反映现代火灾（如电池热失控）中出现的极端升温速率和高温条件。对于混合型膨胀涂层（Hybrid Intumescent Coating, HIC），一种兼具有机/无机组成、单层施工和耐久性的先进防护材料，其在不同升温速率和直至1000^°C高温下的系统响应尚属空白。因此，本研究旨在通过多技术实验方法，系统评估升温速率和温度对HIC热物理性能的影响，为建模研究提供数据支持，并为开发更真实的火灾性能评估奠定基础。该论文发表在《Materials Today Communications》。

关键技术与方法

研究人员采用了四种主要表征技术：热重分析（TGA）用于测定质量损失和降解阶段；小型炉体测试（Furnace Testing）用于观察涂层膨胀与炭化过程，并测量厚度和质量变化；热盘分析（Hot Disk Analysis）用于测量热导率、热扩散率和比热容；扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDS）用于分析微观结构和元素组成。所有测试均在四种升温速率（5、20、50、100^°C/min）和五个温度增量点（200、400、600、800、1000^°C）下进行。样本取自市售TECNOFIRE E8M Mat混合型膨胀涂层，来源未指定样本队列。

研究结果

**4.1 热重分析（TGA）**
TGA结果表明，所有升温速率下均观察到两个主要质量损失阶段，其中初始阶段可分为三个子阶段。起始质量损失温度（约187.8^°C）与升温速率无关，但后续阶段（如第二阶段）的起始温度随升温速率升高而增大，例如5^°C/min时为291.8^°C，100^°C/min时为313.8^°C。最终质量损失阶段（炭层消失）的起始温度从5^°C/min的612.7^°C升至100^°C/min的730.1^°C，高升温速率（50-100^°C/min）下的最终质量损失比低速率高2-3%，归因于更快的分解和更多挥发物的释放。

**4.2 炉体测试**
炉体测试图像显示，200^°C时高升温速率（50和100^°C/min）下涂层开始变暗并膨胀；400^°C时出现最大膨胀和卷曲炭结构，且高升温速率产生的炭层更厚但均匀性差；600^°C后炭层开始收缩降解；800^°C后炭层消失，留下均匀多孔外观；1000^°C时所有样品呈海绵状结构，高升温速率下的孔隙更细。厚度测量表明，高升温速率（如50^°C/min）下的厚度大于低速率（5^°C/min），质量则随温度升高持续下降，但100^°C/min在400-600^°C间出现平台期。结论是膨胀和炭化对温度和升温速率敏感，质量损失受升温速率影响较小。

**4.3 热盘测试结果**
热导率和热扩散率在室温至600^°C间随温度升高而增大，在600^°C达到峰值（如5^°C/min时从0.074升至0.261 W/m-K，增加252%），随后下降；高升温速率下峰值更高（100^°C/min时达0.379 W/m-K）。比热容则呈相反趋势，600^°C时最低，1000^°C时回升但仅约为室温值的四分之一。这些结果表明，热性能受温度和升温速率共同调控，炭层并非唯一的隔热决定因素。

**4.4 扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）**
SEM-EDS分析确认了卷曲结构主要为炭（约93%碳、7%氧），而纤维区域含硅、钙、铁、铝等元素，与涂层矿物成分相符，并解释了外观从米色向黄灰色的转变。

**4.5 总结**
综合测试表明，高升温速率导致质量损失增大，炭层更厚但多孔非均匀；400-600^°C为最佳防护区间；超过600^°C后隔热能力显著下降；热导率、热扩散率和比热容均具有温度与升温速率依赖性。

讨论与结论

讨论部分指出，升温速率对炭降解起始温度的偏移（平均60^°C）与高分子材料中的热滞后现象一致。研究结论如下：本研究首次系统探究了实验室控制升温速率和增量温度（至1000^°C）对混合型膨胀涂层的联合效应。升温速率方面，在空气氛围中高升温速率（50和100^°C/min）下最终质量损失增加2-3%，归因于动力学和氧化效应；识别出升温速率依赖的三或四阶段（被动、膨胀、炭化、炭层分解）膨胀过程；升温速率变化使炭层降解起始温度延迟超过115^°C；峰值热导率随升温速率增加，5^°C/min与100^°C/min间增加45%。温度方面，从室温到600^°C，所有升温速率下热导率增加至少252%；1000^°C时所有样品呈海绵状。联合效应方面，热导率、热扩散率和比热容均具有温度与升温速率依赖性。该发现表明，升温速率和温度显著影响混合型膨胀涂层超出标准火灾曲线的热物理响应、降解路径和隔热性能，为真实火场下涂层行为评估和建模提供了关键数据。