CN101851457A - 一种水性无卤无苯钢结构超薄膨胀型防火涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及防火涂料技术领域，具体涉及一种以环氧乳液为基料的对环境友好的水性无卤无苯钢结构超薄膨胀型防火涂料及其制备方法。采用环氧乳液为成膜物质，可膨胀石墨为辅助膨胀剂、钛白粉和高岭土为填料，高聚合度的聚磷酸铵、双季戊四醇和三聚氰胺为复合防火助剂，有机多元胺为固化剂。在加入了可膨胀石墨后，可以显著地提高涂料的膨胀倍率，膨胀炭化层可达原涂层厚度的20倍左右，当涂层厚度为2mm时，耐火极限可达90min以上。该涂料的制备方法简单、无污染、成本低廉、应用广泛。

Description

一种水性无卤无苯钢结构超薄膨胀型防火涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种对环境友好的水性无卤无苯钢结构超薄膨胀型防火涂料及其制备方法。

背景技术

钢结构具有强度高、韧性好、施工制作方便、良好的延展性和抗震性等优点，在超高层建筑、超大跨度桥梁等方面得到了广泛的应用。但是它也有着致命的弱点，即钢结构建筑的耐火性却远比钢筋混凝土结构或砖石结构差。这主要是由于钢材极易导热，在高温作用下会迅速失去刚性而导致建筑物垮塌。根据大量惨重的钢结构火灾案例及研究结果表明，钢材的强度是温度的函数，并随着温度的上升而降低，当温度超过某一临界值时(普通钢材的临界温度一般为540℃)，钢材的强度将降至常温情况下的40～50％，导致其承载能力急剧下降并最终使建筑物坍塌，造成了重大的人员伤亡和经济损失。因此，对钢结构建筑进行防火保护具有很重要意义。

目前世界上对钢结构建筑进行防火保护的方法主要采用涂刷防火涂料。

超薄膨胀型钢结构防火涂料是指涂层厚度不超过3mm的钢结构防火涂料，这类钢结构防火涂料受火时发泡膨胀，能形成超过自身厚度十几倍的致密的耐火隔热层，是近年来防火涂料研究的热点。它可采用喷涂、刷涂或滚涂施工，一般使用在要求耐火极限2小时以内的建筑钢结构上。与其它两类防火涂料相比，超薄型膨胀钢结构防火涂料粒度更细、涂层更薄、施工方便、装饰性更好是其突出的优点。对裸露的钢结构在满足防火要求的同时又能满足高装饰要求。这类涂料是目前备受用户青睐的钢结构防火涂料。

目前市场上的超薄膨胀型钢结构防火涂料大多数为溶剂型，在施工过程中会释放出大量的有毒溶剂(甲苯、二甲苯等)，不仅对施工人员的健康有害，还会污染环境。同时，大多数的溶剂型防火涂料中存在含卤阻燃剂，在火灾中含卤阻燃剂生成的有毒气体对逃亡人员也会造成危害。水性无卤超薄膨胀型钢结构涂料在保持良好防火性能的同时，解决环境污染问题和火灾中卤素对人体的危害，可以解决钢结构防火涂料的广泛使用和挥发性溶剂与含卤阻燃剂污染的矛盾。综上所述，研制出一种水性无卤无苯钢结构超薄膨胀型防火涂料已经成为防火涂料行业的迫切需求。

目前国内市场上的高质量防火涂料均为溶剂型，水性防火涂料的研究虽然取得了一些进展，并也有产品问世，但是其综合性能远不如溶剂型防火涂料。目前水性防火涂料广泛采用的聚丙烯酸酯乳液的耐火极限时间较短，且膨胀炭化层的强度不高，在火焰的强烈冲击下，炭化层极易脱落，使钢材失去保护。所以，研制水性防火涂料关键问题是缺少一种性能优良的基料乳液。本发明采用环氧乳液为成膜物质，并采用可膨胀石墨作为辅助膨胀剂，从而提高防火涂料的膨胀倍率和炭化层质量，使其具有较高的耐火极限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对环境友好的水性无卤无苯钢结构超薄膨胀型防火涂料及其制备方法，能够克服目前钢结构溶剂性防火涂料存在的不足，提升水性防火涂料的性能，使其具有良好的防火、防水性能，涂刷、喷涂性能好，施工简单、方便，成本低廉，对环境友好等特点。

本发明提出的以环氧乳液为基料的水性无卤无苯钢结构超薄膨胀型防火涂料，包括有环氧乳液、防火助剂、辅助膨胀剂、填料和成膜助剂，防火助剂为聚磷酸铵、双季戊四醇和三聚氰胺，可膨胀石墨为辅助膨胀剂，钛白粉和高岭土为填料，有机多元胺为环氧乳液固化剂，组分配比如下：

组份                    重量百分比wt％

水                      18～25

环氧乳液                22～25

聚磷酸铵                17～23

三聚氰胺                10～15

双季戊四醇              5～10

钛白粉                  2～5

高岭土                  1～2.5

可膨胀石墨              2～3.5

成膜助剂                1～3

固化剂                  为环氧乳液量的5～15％

本发明中，以环氧乳液作为成膜物质，可在保持环氧树脂优良的耐热性、耐候性、保光性和抗紫外光等性能外，还具有无味、无嗅、无毒，对环境友好的特点；它提供了涂层对钢材的附着力，对涂料中其他组分的粘结力等。由于环氧乳液最终形成交联结构，可以显著的提高防火涂料的防水性能和耐候性能。所用的环氧乳液的固含量为35％～50％，环氧值为0.4～0.51。

本发明采用可膨胀石墨作为辅助膨胀剂。可膨胀石墨在受热后能够膨胀形成致密的蠕虫状炭化物质，并穿插在膨胀炭化层中，不仅可以提高膨胀炭化层的强度，还能发挥隔热、隔氧作用，能够有效地延缓涂料的热降解过程。同时可膨胀石墨在受热膨胀过程中能够吸收大量热量，从而进一步提高涂料的防火性能。所用的可膨胀石墨为鳞片状，其粒度为0.15mm～0.3mm，膨胀容积为100ml/g～200ml/g，起始膨胀温度为150℃～200℃。这种可膨胀石墨在涂料中分散均匀，膨胀体积大，起始膨胀温度与涂料中其他防火助剂的膨胀温度匹配性较好，并可显著提高涂料的发泡能力。该可膨胀石墨在温度高于150℃开始膨胀，其膨胀倍率可以高达100倍以上。在膨胀之后，可膨胀石墨由鳞片状变成密度很低的蠕虫状，蠕虫状的炭化物质穿插在涂料的膨胀炭化层中，不仅可以提高膨胀炭化层的强度，防止其开裂，还可以增加其膨胀倍率，增加防火涂料的防火性能。

本发明采用聚磷酸铵、双季戊四醇和三聚氰胺三者配合作为复合防火助剂，相互协同作用形成稳定的发泡层。其中聚磷酸铵采用高聚合度的，聚合度DP不低于1000。高聚合度的聚磷酸铵的溶解度较小，能够防止其在潮湿的环境或水中从涂层中析出，有效地提高涂料的防水性能。

本发明采用的固化剂为有机多元胺，包括乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺或多乙烯多胺。

本发明提出的以环氧乳液为基料的水性无卤无苯钢结构超薄膨胀型防火涂料的制备方法，具体步骤如下：

按原料配比称取防火涂料各组份，防火助剂为聚磷酸铵、双季戊四醇和三聚氰胺，辅助膨胀剂为可膨胀石墨，填料为钛白粉和高岭土；将环氧乳液与固化剂、、成膜助剂、可膨胀石墨、防火助剂、填料放在一起搅拌混合10～30分钟，再经砂磨机或球磨机研磨一次，混合均匀后即得本发明的成品。

或者，首先按原料配比称取防火涂料各组份，先将可膨胀石墨、防火助剂和填料等放在一起搅拌均匀，并将环氧乳液、固化剂、成膜助剂混合均匀，然后将此混合物在搅拌条件下加入到可膨胀石墨、防火助剂和填料的混合物中，继续搅拌混合10～30分钟，再经砂磨机或球磨机研磨一次，混合均匀后即得本发明的成品。

本发明经过无数次失败的实验，才得以总结得到了以上各成分的具体组合方式及含量的具体范围的配比，并通过本发明产品各个成分的相互配合，协同作用取得以下的优良的效果：可承受着火时快速升温的特点，在涂层厚度为2mm时，耐火极限可达90min以上；本发明的防火涂料在受热膨胀后炭化层强度得到增加，防火涂料的膨胀倍率也得了增加，因而能够起到提高涂料防火性能的作用；能够防止其在潮湿的环境或水中从涂层中析出，提高涂料的防水性能。另外，本发明的防火涂料无卤、无苯，具有鲜明的环保特征。

本发明的制备工艺简单、成本低廉、应用广泛。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

环氧乳液为市售，生产企业：浙江安邦新材料有限公司，牌号：AB-EP-44、AB-EP-51。

实施例1

请参阅表1列举的本发明的4个防火涂料配方。首先，按表1中配方1先将水、防火助剂(聚磷酸铵、三聚氰胺、双季戊四醇)、可膨胀石墨、填料(钛白粉、高岭土)等搅拌均匀，然后将环氧乳液、固化剂和成膜助剂加入到搅拌桶中，搅拌均匀后加入到预先搅拌均匀的粉料中，再搅拌30分钟后，经砂磨机研磨混合后，出料装桶。所得本发明的防火涂料的性能见表2的配方1。

实施例2

按表1中配方2先将水、防火助剂(聚磷酸铵、三聚氰胺、双季戊四醇)、可膨胀石墨、填料(钛白粉、高岭土)等搅拌均匀，然后将环氧乳液、固化剂和成膜助剂加入到搅拌桶中，搅拌均匀后加入到预先搅拌均匀的粉料中，再搅拌30分钟后，经砂磨机研磨混合后，出料装桶。所得本发明的防火涂料的性能见表2的配方2。

实施例3

按表1中配方3先将水、防火助剂(聚磷酸铵、三聚氰胺、双季戊四醇)、可膨胀石墨、填料(钛白粉、高岭土)等搅拌均匀，然后将环氧乳液、固化剂和成膜助剂加入到搅拌桶中，搅拌均匀后加入到预先搅拌均匀的粉料中，再搅拌30分钟后，经砂磨机研磨混合后，出料装桶。所得本发明的防火涂料的性能见表2的配方3。

实施例4

按表1中配方4先将水、防火助剂(聚磷酸铵、三聚氰胺、双季戊四醇)、可膨胀石墨、填料(钛白粉、高岭土)等搅拌均匀，然后将环氧乳液、固化剂和成膜助剂加入到搅拌桶中，搅拌均匀后加入到预先搅拌均匀的粉料中，再搅拌30分钟后，经砂磨机研磨混合后，出料装桶。所得防火涂料的性能见表2的配方4。

实施例5

按表1中配方5先将可膨胀石墨、防火助剂和填料等放在一起搅拌均匀，并将环氧乳液、固化剂、成膜助剂混合均匀，然后将此混合物在搅拌条件下加入到可膨胀石墨、防火助剂和填料的混合物中，继续搅拌混合30分钟，再经砂磨机或球磨机研磨一次，即得本发明的成品，出料装桶。所得防火涂料的性能见表2的配方5。

实施例6

按表1中配方6先将可膨胀石墨、防火助剂和填料等放在一起搅拌均匀，并将环氧乳液、固化剂、成膜助剂混合均匀，然后将此混合物在搅拌条件下加入到可膨胀石墨、防火助剂和填料的混合物中，继续搅拌混合20分钟，再经砂磨机或球磨机研磨一次，即得本发明的成品，出料装桶。所得防火涂料的性能见表2的配方6。

实施例7

按表1中配方7先将可膨胀石墨、防火助剂和填料等放在一起搅拌均匀，并将环氧乳液、固化剂、成膜助剂混合均匀，然后将此混合物在搅拌条件下加入到可膨胀石墨、防火助剂和填料的混合物中，继续搅拌混合10分钟，再经砂磨机或球磨机研磨一次，即得本发明的成品，出料装桶。所得防火涂料的性能见表2的配方7。

上述实施例说明：本发明由于采用了环氧乳液作为成膜物质，并采用可膨胀石墨作为膨胀增强填料以及本发明的其它材料相互配合和量的限定，对现有的钢结构超薄膨胀型进行改进，所得产品的流变性能较好，易于涂刷，同时涂层在受热膨胀后膨胀倍率高，炭化层强度高、泡孔致密均匀，因此防火涂料具有优异的防火性能。

表1本发明的水性钢结构超薄膨胀型防火涂料配比(单位：kg)

原料名称	配方1	配方2	配方3	配方4	配方5	配方6	配方7
								去离子水	18.6	20.8	22.6	23.9	23.9	23.9	23.9
环氧乳液(环氧值5.1)	25.0	24.0	23.0	22.0	-	22.0	22.0
								环氧乳液(环氧值4.0)	-	-	-	-	22.0	-	-
聚磷酸铵DP＞1000	23.0	21.8	20.4	19.7	19.7	19.7	19.7
								三聚氰胺	13.6	14.1	12.4	12.1	12.1	12.1	12.1
双季戊四醇	5.5	7.9	8.0	9.3	9.3	9.3	9.3
								可膨胀石墨(起始膨胀温度200℃)	3.0	2.6	2.8	3.1	3.1	-	-
可膨胀石墨(起始膨胀温度150℃)	-	-	-	-	-	3.1	3.1
								钛白粉	3.7	3.7	4.0	4.4	4.4	4.4	4.4
高岭土	2.1	1.9	1.7	2.0	2.0	2.0	2.0
								成膜助剂(醇酯-12)	2.5	2.7	2.9	2.3	2.3	2.3	2.3
固化剂(多乙烯多胺)	1.4	1.4	2.8	2.8	2.8	2.8	-
								固化剂(二乙烯三胺)	-	-	-	-	-	-	2.8

表2钢结构超薄膨胀型防火涂料的主要性能

性能项目	配方1	配方2	配方3	配方4	配方5	配方6	配方7
								干燥时间(h)	2～3	2～3	2～3	2～3	2～3	2～3	2～3
初期干燥抗裂性	无裂纹	无裂纹	无裂纹	无裂纹	无裂纹	无裂纹	无裂纹
								粘结强度(MPa)	0.45	0.50	0.60	0.40	0.42	0.44	0.41
耐水性(h)	＞24	＞24	＞24	＞24	＞24	＞24	＞24
								耐湿热性(h)	250	250	250	250	250	250	250
膨胀倍率	16	18	20	21	21	21	18
								涂层厚度(mm)	2.0	2.0	2.0	2.0	2.0	2.0	2.0
耐火极限(min)	90	92	94	95	90	91	90

Claims (6)

1.一种水性无卤无苯钢结构超薄膨胀型防火涂料，其特征在于，原料包括环氧乳液为基料，辅助膨胀剂、填料、防火助剂和固化剂，其中：防火助剂为聚磷酸铵、双季戊四醇和三聚氰胺，可膨胀石墨为辅助膨胀剂，填料为钛白粉和高岭土，固化剂为有机多元胺；配比为：

组份              重量百分比wt％

水                18～25

环氧乳液          22～25

聚磷酸铵          17～23

三聚氰胺          10～15

双季戊四醇        5～10

钛白粉            2～5

高岭土            1～2.5

可膨胀石墨        2～3.5

成膜助剂          1～3

固化剂            为环氧乳液量的5～15％。

2.根据权利要求1所述的防火涂料，其特征在于所用的环氧乳液的固含量为35％～50％，其中环氧树脂的环氧值为0.4～0.51。

3.根据权利要求1所述的防火涂料，其特征在于所用的可膨胀石墨为鳞片状，其粒度为0.15mm～0.3mm，膨胀容积为100ml/g～200ml/g，起始膨胀温度为150℃～200℃。

4.根据权利要求1所述的以环氧乳液为基料的钢结构超薄膨胀型防火涂料，其特征在于聚磷酸铵的聚合度不低于1000。

5.根据权利要求1所述的防火涂料，其特征在于所用的固化剂为乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺或多乙烯多胺。

6.一种如权利要求1所述的水性无卤无苯钢结构超薄膨胀型防火涂料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

按原料配比称取防火涂料各组份，防火助剂为聚磷酸铵、双季戊四醇和三聚氰胺，填料为钛白粉和高岭土，辅助膨胀剂为可膨胀石墨，将环氧乳液与固化剂、、成膜助剂、可膨胀石墨、防火助剂和填料放在一起搅拌混合10～30分钟，再经砂磨机或和球磨机研磨一次，即得。

或者，首先按原料配比称取防火涂料各组份，先将防火助剂和可膨胀石墨、填料放在一起搅拌均匀，并将环氧乳液和固化剂、成膜助剂混合均匀，然后将环氧乳液在搅拌下加入到防火助剂和填料的混合物中，继续搅拌混合10～30分钟，再经砂磨机或球磨机研磨后即得。