一种水性室内膨胀型钢结构防火涂料的制备

陈剑华，陈 卓，王建川，朱 远，黄维智

（1广州集泰化工股份有限公司，广东广州510670；2黄山联固新材料科技有限公司，安徽黄山245200）

2019年6月1日起正式实施的国家标准GB 14907-2018《钢结构防火涂料》，对水性室内膨胀型钢结构防火涂料提出了更高的要求，例如增加了钢结构防火涂料的隔热效率试验、pH值要求、隔热效率偏差性能测试以及提高了涂料的耐水性能要求[1]。目前市场上的水性涂料产品存在耐火极限不达标、耐水性不好、膨胀倍率不够、炭层不致密、炭层附着力差等种种缺陷[2]。

1 实验部分

1.1 材料

原料：纤维素，亚什兰；分散剂，陶氏；消泡剂，迪高；pH调节剂AMP-95，巴斯夫；成膜助剂，醇酯十二，陶氏化学；钛白粉，市售；APP，普塞呋；PER，柏斯托；MEL，欧希埃；乳液A和B，市售。

1.2 水性室内膨胀型钢结构防火涂料的制备

按照表1的实验配方及工艺，在设定的转速下，依次加入各物料，制备得水性防火涂料。

表 1 水性膨胀型钢结构防火涂料基础实验配方Table 1 Basic formulation of waterborne intumescent fire-retardant coating

1.3 样板的制备

样板的制备及主要性能测试方法按照GB 14907-2018 进行。

2 结果与讨论

2.1 乳液的选择

在水性膨胀型防火涂料中，树脂乳液是主要成膜物质，它既能将防火涂料中的各个组分粘结成一个整体，又能在火焰中熔融炭化，促进膨胀炭层的产生。因此，树脂乳液很大程度上影响涂料的理化性能。通常将两种或多种乳液复配，获得综合性能平衡的涂料产品。按照表1中的基础配方，将两种水性聚醋酸乙烯酯乳液A和B 按照表2不同比例混合，乳液总质量分数占配方25%，当w（A）∶w（B）为1∶1混合时，炭层的致密性较好，膨胀倍率为30倍，炭层不会脱落，48h自来水浸泡不会起泡，耐火极限达105min。从表2还可以发现，当A比例大时，膨胀炭层更致密；乳液B比例大时，膨胀倍率高，最高可达40倍。另外复配之后的乳液，玻璃化转变温度较低，添加较少比例的成膜助剂便可成膜。这两种乳液按表2各种比例混合，48h自来水浸泡都不会起泡。

表2 水性醋酸乙酯共聚物乳液不同配比时涂层性能测试结果Table 2 Coating performance test results of emulsions A and B in different proportions

2.2 三元膨胀阻燃体系的选择

本实验方案的防火涂料的膨胀阻燃体系由脱水成炭催化剂聚磷酸铵(APP)、成炭剂季戊四醇(PER)、发泡剂三聚氰胺(MEL)组成。防火涂层受热，温度升到200～300 ℃时，APP分解生成磷酸和挥发性物质；温度上升到280～350 ℃，PER在强酸催化作用下发生分子内或分子间脱水酯化，酯类最终分解炭化；温度上升到280～380 ℃，MEL逐步分解释放挥发性产物，涂层开始发泡膨胀形成蜂窝状或海绵状的炭质泡沫层和有机残留物，该炭化层热导率小且厚度大，它粘附在钢材上延滞了热量传向被保护基材的速度，避免火焰和高温直接进攻钢构件，起到了再阻隔作用；温度高于600℃，有机残留物热降解最终形成白色无机物[3-4]。

根据表3中各膨胀阻燃填料的比例，按照基础配方表1中各组分的用量，选择w（A）∶w（B）=1∶1作为混合乳液的配方，制备钢结构防火涂料，涂层性能见表3。当w（APP）∶w（PER）：w（MEL）比例为20∶10∶10时，炭层最致密，膨胀倍率为35，炭层不会脱落，自来水浸泡48h不起泡，耐火极限达100min。另外，填料在水中的溶解度（表4）影响涂层的耐水性，选用的高聚合度的APP（聚合度n＞1000）和MEL微溶于水，PER由于其分子结构有四个亲水性的羟基，水溶性在三者中最大，通过选择合适的比例，可以达到48h浸泡自来水不起泡。

表3 APP/PER/MEL不同配比时涂层性能测试结果Table 3 Coating performance test results of APP/PER/MEL in different proportions

表4 膨胀阻燃体系填料水溶性测试结果Table 4 Water solubility of flame retardants

2.3 填料的选择

钛白粉表面经过包膜处理后，可以提高其耐候性、分散性、光泽度及化学稳定性。选用金红石型（R型）钛白粉，它具有较低的吸油量，特殊的表面处理后其在水性体系中润湿分散性更佳，涂层附着力最强，最为致密，耐水性最好[5]。海泡石的层链状结构及陶瓷纤维的线状结构，使膨胀的炭层形成连续固相骨架，而气相则连续存在于纤维材料的骨架间隙之中。这种特殊的结构使炭层能经受火焰和气流的冲击，提高了中长期防火隔热效果。

钛白粉、海泡石和陶瓷纤维按照一定比例复配，如表5所示，w（钛白粉）∶w（海泡石）：w（陶瓷纤维）比例为9∶1∶2时，耐火极限达103min，其他各项性能指标都较优异。

表5 钛白粉/海泡石/陶瓷纤维不同配比时涂层性能测试结果Table 5 Coating performance test results of TiO2/ Sepiolite/Ceramic fiber in different proportions

2.4 涂料的综合性能

乳液、阻燃剂体系及填料以最佳比例投料，制备的水性室内膨胀性钢结构防火涂料各性能测试结果都符合技术标准，ⅤOC未检出，测试结果见表6。

表6 性能测试结果Table 6 Properties of paint sample

3 结论

(1)通过两种不同的醋酸乙烯酯乳液A和B的复配发现，乳液A炭层更致密，乳液B炭层膨胀倍率更高。当A和B按照1：1复配时，炭层的致密性和膨胀倍率得到较好平衡，涂层耐水性好，耐火极限达到105min。

(2)选用低水溶性的APP、PER及MEL，APP：PER：MEL质量比为20：10：10时，炭层致密，膨胀倍率高，耐火性能好，涂层泡水48h不起泡。

(3)选用金红石型（R型）钛白粉、特殊层链状结海泡石及线状结构的陶瓷纤维，当钛白粉：海泡石：陶瓷纤维质量比为9：1：2时，涂层综合性能优异。