高性能膨胀型钢结构防火涂料制备研究

吕金秋，宋维华，张爱黎

( 沈阳理工大学 环境与化学工程学院， 辽宁 沈阳110168)

超薄型钢结构防火涂料之所以受到广泛应用，是因为它具有用量少，成膜厚度薄，装饰性好，施工方便等一系列优点。超薄型钢结构防火涂料多为膨胀型，基料与膨胀阻燃体系配合，形成致密的碳化层起到阻燃作用[1]。高有机硅含量的硅丙乳液耐候性好，成膜性能优异，同时水性涂料减少了VOC含量。氢氧化铝是种应用广泛的无机阻燃剂，受热分解成氧化铝和水，氧化铝和其他成膜物质附着在钢结构表面，起到隔热阻燃效果，反应吸热；同时生成的水分气化吸收热量，使钢结构表面降温。可膨胀石墨是近年来用于改善防火涂料性能较多的一种改性剂，但单独使用容易导致形成的碳层疏松破裂[2]。研究以自制高硅含量硅丙乳液作为防火涂料基料，配合P-N-C膨胀阻燃体系，适量的纳米氢氧化镁与可膨胀石墨复配为无机阻燃剂，研制高效阻燃的膨胀型防火涂料。

1 试验部分

1.1 试剂

基料硅丙乳液（自制）[3]，膨胀体系中成炭剂季戊四醇，发泡剂三聚氰胺与酸源聚磷酸铵为化学纯，可膨胀石墨与氢氧化铝为工业级。

1.2 防火涂料的制备

称取配方量无机阻燃剂可膨胀石墨和氢氧化铝，放入研钵中研磨30 min后在称取配方量的季戊四醇、三聚氰胺及聚磷酸铵研磨；称取水、定量的助剂（分散剂、成膜助剂、增稠剂等）放入烧杯中，电磁搅拌，混合均匀；将研磨好的填料分批量（每次加入量约为0.25 g）放入混合液的烧杯中，继续分散；在分散好的混合液中加入硅丙乳液，再次分散得到稳定的分散体系。

1.3 涂层制备

将80 mm×80 mm×0.8 mm的钢片除油、除锈、磷化处理，干燥。 涂料使用水和增稠剂调粘后刷涂在处理好的钢板上。刷涂第1道涂料后，等待表干（即手指轻触涂膜表面，有些粘，但无涂料粘在手上，可认为表面干燥）后，刷涂第2道，直到达到目标厚度。自然晾干，待实干后再养护7天，进行耐火性能测试。涂料初始配方见表1。

表1 防火涂料初始配方

初始配方中涂料固含量为43%，颜基比为2.67。

1.4 涂层防火性能的检测

采用垂直燃烧法进行耐火极限检测[4]。当火焰燃烧涂层时，用红外温度测定仪测试防火涂层的背面，即未涂防火涂料的一面温度，记录温度达到350 ℃时需要的时间。达到350 ℃所需的时间即为涂层的耐火时间。观察并记录涂层发生的形态变化，着重观察达到耐火极限的表面状态，游标卡尺测量涂层的膨胀高度。

2 结果与讨论

2.1 颜基比对防火涂料性能的影响

在初始配方基础上研究颜基比对钢结构防火涂料性能的影响。实验结果见表2。

表2 颜基比对防火涂料性能的影响

表2中看到，当颜基比为2时，涂层实干状态、耐火时限、膨胀状态都是最好的，当颜基比不断增加时 ，耐火时限不断下降，膨胀高度降低，且膨胀层出现脱落和膨胀速度慢等问题。

2.2 P-C-N配比对防火涂料性能的影响

研究了膨胀阻燃体系中发泡剂、成炭剂和酸性催化剂配比对涂料阻燃性能的影响，结果见表3。

表3 P-C-N配比对理化性能的影响

由表3可见，当P-N-C配比为6:2:2时，涂层实干状态最好，耐火时限最长，膨胀层无明显缺陷，且致密均匀。同时，通过表3可以看出，当碳源所占比例为0时，膨胀层无法膨胀，是由于当没有碳源的存在时，膨胀层中没有碳骨架的支撑。

2.3 可膨胀石墨的用量对防火涂料性能的影响

考察了膨胀石墨不同用量时，与P-C-N膨胀阻燃体系的协同阻燃效果，实验结果见表4。

由表4可见，可膨胀石墨的加入对阻燃时间有增强效果。但当可膨胀石墨的用量达到 4%时，涂层颜色呈暗灰色，有固体颗粒。且耐火时限下降。所以可膨胀石墨虽然对阻燃效果有增强效果，但用量应该适当。

表4 可膨胀石墨的用量对涂料阻燃性能影响

2.4 P-C-N总量对防火涂料性能的影响

研究 P-C-N总量对涂料防火效果和理化性能影响，其实验结果见表5。

表5 P-C-N总量对防火性能的影响

表5表明，当用量为20%时，涂层呈暗灰色，有明显固体颗粒，膨胀层脱落，但是耐火时限可以达到60 min。当用量分别为30%和40%时，涂层状态虽然比用量为20%时好，但耐火时限有所降低。

2.5 无机阻燃剂Al(OH)3与Mg(OH)2对防火涂料性能的影响

比较了常用无机阻燃剂Al(OH)3与Mg(OH)2在涂料膨胀阻燃体系中的协同作用，结果见表6。

表6 Al(OH)3与Mg(OH)2对本涂料防火性能影响比较

由表6中看到，无论是从涂层实干状态、膨胀高度、膨胀层状态来看，还是耐火时限来看，加入氢氧化铝的防火涂料都优于加入氢氧化镁的的防火涂料。

2.6 涂料优化后的性能检测

防火涂料的主要成分包括基料、季戊四醇、三聚氰胺以及聚磷酸铵。各个成分之间相互影响，相互制约，对碳质层耐火性能有较大影响。优化配方下涂料的性能检测结果如表7。

实测表干时间为1.2 h，涂层厚度1.00 mm时，耐火时间为87 min。

表7 优化配方下防火涂料性能检测结果

3 结 论

以自制较高硅含量硅丙乳液为基料、三聚氰胺、聚磷酸盐及季戊四醇为膨胀阻燃体系，可膨胀石墨和氢氧化铝作为无机阻燃剂研制了阻燃性能良好的超薄型钢结构防火涂料。优化配方为：颜基比2:1，可膨胀石墨和氢氧化铝用量占阻燃剂用量 3%和2%，膨胀阻燃体系聚磷酸铵-季戊四醇-三聚氰胺三组分配比 6.46:2.77:2.77。优化条件下，涂料细度10～15μm、涂层厚度为1 mm、耐燃时间为87 min，膨胀层致密，膨胀厚度为7 mm，强度高。理化性能均符合超薄型钢结构防火涂料 GB14907-2002要求。

[1]王锦成. 膨胀型防火涂料的阻燃机理及其研究进展[J]. 化工新型材料,2005,33(10):21-24.

[2]Guojian Wang, Jianyun Yang. Influences of expandable graphite modified by polyethylene glucol on fire protection of waterborne intumescent fire resistive coating[J]. Surface and Coatings Technology, 2010, 204(21-22):3599-3605.

[3]辛转红, 张爱黎.高硅含量硅丙乳液的性能研究[J].沈阳理工大学学报，2010,29(4)：63-67．

[4]张爱黎，刘万鹏，辛转红等. 超薄钢结构水性防火涂料的研制及耐火性能[J]. 材料保护, 2010, 10: 20-22.