一種水性室內(nèi)膨脹型鋼結構防火涂料的制備

陳劍華，陳 卓，王建川，朱 遠，黃維智

（1廣州集泰化工股份有限公司，廣東廣州510670；2黃山聯(lián)固新材料科技有限公司，安徽黃山245200）

2019年6月1日起正式實施的國家標準GB 14907-2018《鋼結構防火涂料》，對水性室內(nèi)膨脹型鋼結構防火涂料提出了更高的要求，例如增加了鋼結構防火涂料的隔熱效率試驗、pH值要求、隔熱效率偏差性能測試以及提高了涂料的耐水性能要求[1]。目前市場上的水性涂料產(chǎn)品存在耐火極限不達標、耐水性不好、膨脹倍率不夠、炭層不致密、炭層附著力差等種種缺陷[2]。

1 實驗部分

1.1 材料

原料：纖維素，亞什蘭；分散劑，陶氏；消泡劑，迪高；pH調(diào)節(jié)劑AMP-95，巴斯夫；成膜助劑，醇酯十二，陶氏化學；鈦白粉，市售；APP，普塞呋；PER，柏斯托；MEL，歐希埃；乳液A和B，市售。

1.2 水性室內(nèi)膨脹型鋼結構防火涂料的制備

按照表1的實驗配方及工藝，在設定的轉(zhuǎn)速下，依次加入各物料，制備得水性防火涂料。

表 1 水性膨脹型鋼結構防火涂料基礎實驗配方Table 1 Basic formulation of waterborne intumescent fire-retardant coating

1.3 樣板的制備

樣板的制備及主要性能測試方法按照GB 14907-2018 進行。

2 結果與討論

2.1 乳液的選擇

在水性膨脹型防火涂料中，樹脂乳液是主要成膜物質(zhì)，它既能將防火涂料中的各個組分粘結成一個整體，又能在火焰中熔融炭化，促進膨脹炭層的產(chǎn)生。因此，樹脂乳液很大程度上影響涂料的理化性能。通常將兩種或多種乳液復配，獲得綜合性能平衡的涂料產(chǎn)品。按照表1中的基礎配方，將兩種水性聚醋酸乙烯酯乳液A和B 按照表2不同比例混合，乳液總質(zhì)量分數(shù)占配方25%，當w（A）∶w（B）為1∶1混合時，炭層的致密性較好，膨脹倍率為30倍，炭層不會脫落，48h自來水浸泡不會起泡，耐火極限達105min。從表2還可以發(fā)現(xiàn)，當A比例大時，膨脹炭層更致密；乳液B比例大時，膨脹倍率高，最高可達40倍。另外復配之后的乳液，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較低，添加較少比例的成膜助劑便可成膜。這兩種乳液按表2各種比例混合，48h自來水浸泡都不會起泡。

表2 水性醋酸乙酯共聚物乳液不同配比時涂層性能測試結果Table 2 Coating performance test results of emulsions A and B in different proportions

2.2 三元膨脹阻燃體系的選擇

本實驗方案的防火涂料的膨脹阻燃體系由脫水成炭催化劑聚磷酸銨(APP)、成炭劑季戊四醇(PER)、發(fā)泡劑三聚氰胺(MEL)組成。防火涂層受熱，溫度升到200～300 ℃時，APP分解生成磷酸和揮發(fā)性物質(zhì)；溫度上升到280～350 ℃，PER在強酸催化作用下發(fā)生分子內(nèi)或分子間脫水酯化，酯類最終分解炭化；溫度上升到280～380 ℃，MEL逐步分解釋放揮發(fā)性產(chǎn)物，涂層開始發(fā)泡膨脹形成蜂窩狀或海綿狀的炭質(zhì)泡沫層和有機殘留物，該炭化層熱導率小且厚度大，它粘附在鋼材上延滯了熱量傳向被保護基材的速度，避免火焰和高溫直接進攻鋼構件，起到了再阻隔作用；溫度高于600℃，有機殘留物熱降解最終形成白色無機物[3-4]。

根據(jù)表3中各膨脹阻燃填料的比例，按照基礎配方表1中各組分的用量，選擇w（A）∶w（B）=1∶1作為混合乳液的配方，制備鋼結構防火涂料，涂層性能見表3。當w（APP）∶w（PER）：w（MEL）比例為20∶10∶10時，炭層最致密，膨脹倍率為35，炭層不會脫落，自來水浸泡48h不起泡，耐火極限達100min。另外，填料在水中的溶解度（表4）影響涂層的耐水性，選用的高聚合度的APP（聚合度n＞1000）和MEL微溶于水，PER由于其分子結構有四個親水性的羥基，水溶性在三者中最大，通過選擇合適的比例，可以達到48h浸泡自來水不起泡。

表3 APP/PER/MEL不同配比時涂層性能測試結果Table 3 Coating performance test results of APP/PER/MEL in different proportions

表4 膨脹阻燃體系填料水溶性測試結果Table 4 Water solubility of flame retardants

2.3 填料的選擇

鈦白粉表面經(jīng)過包膜處理后，可以提高其耐候性、分散性、光澤度及化學穩(wěn)定性。選用金紅石型（R型）鈦白粉，它具有較低的吸油量，特殊的表面處理后其在水性體系中潤濕分散性更佳，涂層附著力最強，最為致密，耐水性最好[5]。海泡石的層鏈狀結構及陶瓷纖維的線狀結構，使膨脹的炭層形成連續(xù)固相骨架，而氣相則連續(xù)存在于纖維材料的骨架間隙之中。這種特殊的結構使炭層能經(jīng)受火焰和氣流的沖擊，提高了中長期防火隔熱效果。

鈦白粉、海泡石和陶瓷纖維按照一定比例復配，如表5所示，w（鈦白粉）∶w（海泡石）：w（陶瓷纖維）比例為9∶1∶2時，耐火極限達103min，其他各項性能指標都較優(yōu)異。

表5 鈦白粉/海泡石/陶瓷纖維不同配比時涂層性能測試結果Table 5 Coating performance test results of TiO2/ Sepiolite/Ceramic fiber in different proportions

2.4 涂料的綜合性能

乳液、阻燃劑體系及填料以最佳比例投料，制備的水性室內(nèi)膨脹性鋼結構防火涂料各性能測試結果都符合技術標準，ⅤOC未檢出，測試結果見表6。

表6 性能測試結果Table 6 Properties of paint sample

3 結論

(1)通過兩種不同的醋酸乙烯酯乳液A和B的復配發(fā)現(xiàn)，乳液A炭層更致密，乳液B炭層膨脹倍率更高。當A和B按照1：1復配時，炭層的致密性和膨脹倍率得到較好平衡，涂層耐水性好，耐火極限達到105min。

(2)選用低水溶性的APP、PER及MEL，APP：PER：MEL質(zhì)量比為20：10：10時，炭層致密，膨脹倍率高，耐火性能好，涂層泡水48h不起泡。

(3)選用金紅石型（R型）鈦白粉、特殊層鏈狀結海泡石及線狀結構的陶瓷纖維，當鈦白粉：海泡石：陶瓷纖維質(zhì)量比為9：1：2時，涂層綜合性能優(yōu)異。