CN102850905B - 水性膨胀型钢结构防火涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水性膨胀型钢结构防火涂料及其制备。该防火涂料由A、B两部分组分，A组分的质量百分比为：改性聚磷酸铵20～35%、三聚氰胺15～25%、季戊四醇15～25%、改性可膨胀石墨2～5%、改性粉煤灰漂珠2～5%、改性纳米二氧化钛2～5%、分散剂0.1～1%、去离子水适量；B组分包括水性环氧乳液、固化剂、分散剂、消泡剂、流平增稠剂按比例混合。本发明将可膨胀石墨、粉煤灰漂珠和纳米二氧化钛分别作为耐火填料和纳米填料加入到防火涂料中，并对其材料进行表面改性，提高材料与基料的粘结性和分散性，利用材料在防火方面的特性大大提高了防火涂料的理化性能和耐火时间，在降低成本的同时改进和完善了防火涂料的各方面性能，做到环保、节能、性能优异。

Description

水性膨胀型钢结构防火涂料及其制备方法

技术领域

本发明属于防火涂料技术领域，涉及一种水性膨胀型钢结构防火涂料及其制备方法，适用于钢结构建筑内部的火灾防护。

背景技术

由于钢结构具有材质均匀、结构形式灵活、机械强度高、抗震效果好、施工方便、施工周期短、易于维护等优点，使得钢结构成为一种新型的建筑结构形式。钢也存在着无法克服的安全隐患，虽然钢结构是不燃材料，但其耐火性能差。在火灾高温作用下，其弹性模量、荷载能力等力学性能都会随温度的升高而降低。

提高钢结构抗火性能的主要方法有：单面屏蔽法、水冷却法、浇筑混凝土砌筑耐火砖、采用耐火轻质板材作为防火外包层、涂敷防火涂料。将防火涂料涂覆在被保护钢材的表面，改变钢材的燃烧特性，阻止火焰蔓延并形成隔热层，从而提高钢结构的耐火极限。防火涂料以其质量轻、施工简便、耐火时间长，不受钢构件几何形状限制而被广泛使用。

钢结构防火涂料按防火机理可分为膨胀型和非膨胀型，膨胀型钢结构防火涂料是利用涂层在火焰或高温下，表面涂层熔融、起泡、隆起，形成均匀致密的炭质泡沫隔热层，并释放不燃性气体，从而起到隔热阻燃的作用，生成的膨胀层厚度往往是原来涂层的几十倍甚至上百倍，涂层一般较薄；而非膨胀型钢结构防火涂料靠本身的难燃性或不燃性来达到阻燃的目的，燃烧时形成的保护层比较薄，隔热较差，只能抗瞬时的高温和火焰，且涂层较厚，因此无论从阻燃效果、装饰效果还是经济成本角度考虑，膨胀型防火涂料应用更为广泛，防火效果更好。钢结构防火涂料按溶剂类型可分为溶剂型和水性型，溶剂型钢结构防火涂料是以有机树脂为成膜物质，耐火性能优异，但该涂料以有机溶剂为分散介质，在生产及使用过程都存在易燃、污染等问题存在；水性型钢结构防火涂料是以高分子乳液为成膜物质，以水为分散介质，生产和施工安全环保，无毒低污染，挥发性有机化合物含量少。因此，水性超薄型钢结构防火涂料是当今防火涂料的发展趋势。

防火涂料一般由基料、膨胀体系、填料和助剂组成。基料是膨胀型防火涂料中的主要成膜物质，其作用是将防火涂料中的其他组分粘成一个整体，使涂层固化后附着在基材表面形成均匀、连续、坚韧的保护层。膨胀体系由脱水催化剂、发泡剂、成炭剂组成，经典的膨胀体系选用聚磷酸铵/三聚氰胺/季戊四醇体系，当涂层受热时，聚磷酸铵先受热分解生成磷酸，磷酸再进一步脱水形成偏磷酸和聚偏磷酸等强脱水剂，而季戊四醇融化后与强脱水剂反应促使其上的羟基基团脱水炭化，同时三聚氰胺产生大量的不燃性气体起到发泡作用，使得炭化层在不燃性气体的作用下形成均匀的泡沫炭质层。同时，聚磷酸和聚偏磷酸形成固相层覆盖在泡沫层的表面，隔绝空气和热量，在固相其阻止燃烧的作用。然而该体系也存在着用量多而影响材料性能、热稳定性差、水溶性和耐老化性差等缺点。

发明内容

本发明提供一种水性膨胀型钢结构防火涂料及其制备方法。本发明的涂料涂覆在钢结构表面，形成的涂层热稳定性强、耐老化性能高，耐火时间长、涂层的粘结性好、结构稳定，耐热性能强。

本发明采用的技术方案如下：

一种水性膨胀型钢结构防火涂料，其特征在于：包括A组分和B组分，其各组分组成原料的质量百分比为：

A组分：

改性聚磷酸铵20～35%

三聚氰胺15～25%

季戊四醇15～25%

改性可膨胀石墨2～5%

改性粉煤灰漂珠2～5%

改性纳米二氧化钛2～5%

分散剂0.1～1%

去离子水适量，

B组分：

水性环氧乳液15～35%

水性固化剂3～8%

消泡剂0.2～2%

分散剂0.1～1%

流平增稠剂0.2～2%。

所述的水性膨胀型钢结构防火涂料，其特征在于：所述的改性粉煤灰漂珠是通过下列工艺改性而得：具体步骤为：

（1）粉煤灰预处理

a、取一定量粉煤灰漂珠在350-450℃烧结48h，除去未燃尽炭及其他杂质；

b、将烧结后的粉煤灰先后依次置于稀酸、稀碱溶液中，在75-85℃温度下搅拌1.5-2.5h，然后将从碱浸液中滤出的粉煤灰，用去离子水冲洗至中性，并用PH试纸测试，加以确定，最后过滤，干燥；

（2）粉煤灰漂珠偶联剂表面改性处理

a、称取一定量预处理好的干燥粉煤灰；

b、采用硅烷/钛酸酯复配偶联剂对粉煤灰漂珠进行改性处理，具体的方法：取干燥粉煤灰质量2%的硅烷偶联剂和1%的钛酸酯偶联剂，按偶联剂：无水乙醇：水=1:8:1的比例配置好偶联剂溶液，并在磁力搅拌器下先进行水解反应，分解温度为78-82℃，时间25-35min，转速1500r/min；

c、将粉煤灰加入到偶联剂的醇水解液中，在75-85℃下搅拌2-3h；

d、将偶联剂处理好的粉煤灰取出，先用少量乙醇溶液清洗然后再用去离子水反复冲洗，过滤呈中性，将清洗干净的粉煤灰烘干，即可。

即得到改性粉煤灰漂珠；

所述的改性聚磷酸铵的是通过下列工艺改性而得：具体步骤为：

a、称取一定量预处理好的干燥聚磷酸铵；

b、取干燥聚磷酸铵质量的2%的硅烷偶联剂和1%的钛酸酯偶联剂，按偶联剂：无水乙醇：水=1:8:1的比例配置好偶联剂溶液，并在磁力搅拌器下先进行预分解反应，分解温度为78-82℃，时间30min，转速1500r/min；

c、将聚磷酸铵加入到偶联剂的水解液中，在80℃下搅拌3h；

d、将偶联剂处理好的粉末取出，先用少量乙醇溶液清洗然后再用去离子水反复冲洗，过滤呈中性，将清洗干净的粉煤灰烘干，即得到改性聚磷酸铵，所述的改性可膨胀石墨、改性纳米二氧化钛的改性工艺与聚磷酸铵的改性工艺相同。

所述的水性膨胀型钢结构防火涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、对部分原材料进行改性

首先对粉煤灰漂珠、聚磷酸铵、可膨胀石墨、纳米二氧化钛按照权利要求1的方法进行改性，得到改性后的改性粉煤灰漂珠、改性聚磷酸铵、改性可膨胀石墨、改性纳米二氧化钛；

b、将改性聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇、改性可膨胀石墨、改性纳米二氧化钛按配方比例加入到容器中，搅拌均匀；

c、按配方要求，将适量的去离子水和分散剂加入到步骤b的混合物料中，并高速搅拌25-35min，构成A组分；

d、将水性环氧乳液、固化剂、分散剂、消泡剂、流平剂按配方比例混合，高速搅拌30min，构成B组分；

e、将B组分在搅拌的情况下加入到A组分中，并放入球磨机内研磨1h，得到混合物料C组分；

f、按配方比例将步骤a改性后的粉煤灰漂珠加入到步骤C组分中，高速搅拌30min后，即制得水性膨胀型钢结构防火涂料。

所述的水性膨胀型钢结构防火涂料，其特征在于：所述的水性环氧乳液为广州市欧鹏化工有限公司提供的型号为环氧树脂乳液E571的水性环氧乳液；所述的水性固化剂由广州市欧鹏化工有限公司提供的型号为水固8#的水性固化剂；消泡剂由广州市欧鹏化工有限公司提供的水性涂料分散剂；所述分散剂由广州市欧鹏化工有限公司提供的型号为SYNTHRO®-PON DA-P 10的分散剂 ；所述流平增稠剂由广州市欧鹏化工有限公司提供的型号为PU40A的流平增稠剂。

所述的聚磷酸铵的聚合度＞1500，热分解温度≥275℃，P2O5含量≥72%，N含量≥14%，平均粒径5～15μm，密度1.9g/cm³。

所述的三聚氰胺，其熔点＞300℃，水中溶解度为0.33g，PH值为8，相对密度1.573g/cm³。

所述的季戊四醇，其熔点257～264℃，硫酸盐≤0.005%，氯化物≤0.003%，相对密度1.395g/cm³。

所述可膨胀石墨，膨胀倍率150～250ml/g，PH值3-7，含碳量90～99.5%，水分≤1%，挥发份≤15%。

所述粉煤灰漂珠来源于淮南平圩发电厂，粒度≤140目，主要成分包括SiO₂、 Al₂O₃ 、Fe₂O₃ 、CaO等，空隙率60～75%，比表面积0.3～0.45m²·g-1，松散干密度600～1000kg/m³，压实密度1300～1600 kg/m³。且漂珠经过硅烷偶联剂表面改性处理，使其表面包覆一层粘性薄膜，具有良好的粘结性和溶剂分散性，结构稳定，耐热性能强。

所述的纳米二氧化钛，其纯度＞99.8%，粒径5～10nm，锐钛，亲水亲油型，PH值6～8。

本发明的防火涂料与现有超薄膨胀型钢结构防火涂料比较，具有如下特点：

方案中加入了改性可膨胀石墨和改性粉煤灰漂珠为无机耐火材料，其中加入改性可膨胀石墨，是利用其在防火涂料中热降解、阻燃、耐老化性、耐候性等方面具有突出的优点，改善传统体系存在的热稳定性差、水溶性和耐老化性差等缺点。利用价格低廉且急需利用的漂珠代替价格昂贵、工艺复杂的空心玻璃微珠，加入到防火涂料中，利用漂珠的中空、密度小、质量轻、抗酸抗碱性好、耐高温、导热系数小等显著特点，提高防火涂料的耐火性能，做到变废为宝，是一个重大突破。同时，改性纳米二氧化钛的加入在对防火涂料的物理化学作用有着很大的影响，从物理角度不仅增强了涂层的强度，更重要的大大增强了燃烧后炭质层的强度，使燃烧后炭层与基体结合变好，不易脱落，从而延长耐火时间；从化学角度，纳米二氧化钛的加入使燃烧后残留的TiO₂和TiP₂O₇增加，在燃烧后期起到了相当重要的防火隔热作用。

对聚磷酸铵、可膨胀石墨、粉煤灰漂珠、纳米二氧化钛进行表面改性处理的目的在于，改善无机填料表面亲水性与基质的粘结性差、稳定性低的缺点。因此，表面改性处理后提高了材料与基料的粘结性和分散性，使得防火涂料在高温下结构更稳定，对防火涂料耐火极限有很大的影响。通过实验可知，相对于改性前材料的加入，该性后防火涂料耐火时间较大程度得到提高，粘结性和耐磨性的理化性能也得到改善。

采用的偶联剂为硅烷KH570和钛酸酯偶联剂，偶联剂表面改性后与未处理的对比发现，聚磷酸铵等物质表面包覆一层粘性薄膜，具有良好的粘结性和溶剂分散性，结构稳定，耐热性能强。

具体实施方式

表1原料采购厂家

表2本发明水性膨胀型钢结构防火涂料实施例配方组成

防火涂料的制备工艺如下：

a、对部分原材料进行改性

首先对粉煤灰漂珠、聚磷酸铵、可膨胀石墨、纳米二氧化钛按照权利要求1的方法进行改性，得到改性后的改性粉煤灰漂珠、改性聚磷酸铵、改性可膨胀石墨、改性纳米二氧化钛；

b、将改性聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇、改性可膨胀石墨、改性纳米二氧化钛按配方比例加入到容器中，搅拌均匀；

c、按配方要求，将适量的去离子水和分散剂加入到步骤b的混合物料中，并高速搅拌25-35min，构成A组分；

d、将水性环氧乳液、固化剂、分散剂、消泡剂、流平剂按配方比例混合，高速搅拌30min，构成B组分；

e、将B组分在搅拌的情况下加入到A组分中，并放入球磨机内研磨1h，得到混合物料C组分；

f、按配方比例将步骤a改性后的粉煤灰漂珠加入到步骤C组分中，高速搅拌30min后，即制得水性膨胀型钢结构防火涂料。

按本发明水性膨胀型钢结构防火涂料的实施例配方组分的重量百分比（见表2）及按上述制备工艺制备防火涂料，采取涂覆法将此防火涂料分多次涂刷与100mm×100mm×2mm的钢板一侧，室温干燥7天，分别制备实施例水性膨胀型钢结构防火涂层样品。

采用酒精喷灯对水性膨胀型 钢结构防火涂层样品进行耐火性能测试，样品垂直安装在自制的燃烧测试设备上，涂层面朝下，钢板背火面装有热电偶及数据采集仪，保证火焰外焰接触涂层，火焰接触涂层时开始计时，平均测试3块样板取平均值，得到表3。

表3本发明水性膨胀型钢结构防火涂料性能测试结果

由实验可以看出，由实例 3可以看出可膨胀石墨、纳米二氧化钛、粉煤灰的漂珠的加入，都在一定程度上对防火涂料的耐火时间由一定的提高，证实了各组分在防火涂料中的重要作用；通过实例4、5可以看出对聚磷酸铵、可膨胀石墨、纳米二氧化钛、粉煤灰漂珠的改性处理使得防火涂料的耐火时间提高了24min，效果显著。

Claims (3)

1.一种水性膨胀型钢结构防火涂料，其特征在于：包括A组分和B组分 ，其各组分组成原料的质量百分比为：

A组分：

改性聚磷酸铵 20～35%

三聚氰胺 15～25%

季戊四醇 15～25%

改性可膨胀石墨 2～5%

改性粉煤灰漂珠 2～5%

改性纳米二氧化钛 2～5%

分散剂 0.1～1%

去离子水 适量，

B组分：

水性环氧乳液 15～35%

水性固化剂 3～8%

消泡剂 0.2～2%

分散剂 0.1～1%

流平增稠剂 0.2～2%；

所述的改性粉煤灰漂珠是通过下列工艺改性而得：具体步骤为：

（1）粉煤灰预处理

a、取一定量粉煤灰漂珠在350-450℃烧结48h，除去未燃尽炭及其他杂质；

b、将烧结后的粉煤灰先后依次置于稀酸、稀碱溶液中，在75-85℃温度下搅拌1.5-2.5h，然后将从碱浸液中滤出的粉煤灰，用去离子水冲洗至中性，并用pH试纸测试，加以确定，最后过滤，干燥；

（2）粉煤灰漂珠偶联剂表面改性处理

a、称取一定量预处理好的干燥粉煤灰；

b、采用硅烷/钛酸酯复配偶联剂对粉煤灰漂珠进行改性处理，具体的方法：取干燥粉煤灰质量2%的硅烷偶联剂和1%的钛酸酯偶联剂，按偶联剂：无水乙醇：水=1:8:1的比例配置好偶联剂溶液，并在磁力搅拌器下先进行水解反应，分解温度为78-82℃，时间25-35min，转速1500r/min；

c、将粉煤灰加入到偶联剂的醇水解液中，在75-85℃下搅拌2-3h；

d、将偶联剂处理好的粉煤灰取出，先用少量乙醇溶液清洗然后再用去离子水反复冲洗，过滤呈中性，将清洗干净的粉煤灰烘干，即可；

即得到改性粉煤灰漂珠；

所述的改性聚磷酸铵是通过下列工艺改性而得：具体步骤为：

a、称取一定量预处理好的干燥聚磷酸铵；

b、取干燥聚磷酸铵质量的2%的硅烷偶联剂和1%的钛酸酯偶联剂，按偶联剂：无水乙醇：水=1:8:1的比例配置好偶联剂溶液，并在磁力搅拌器下先进行预分解反应，分解温度为78-82℃，时间30min，转速1500r/min；

c、将聚磷酸铵加入到偶联剂的水解液中，在80℃下搅拌3h；

d、将偶联剂处理好的粉末取出，先用少量乙醇溶液清洗然后再用去离子水反复冲洗，过滤呈中性，将清洗干净的粉末烘干，即得到改性聚磷酸铵；

所述的改性可膨胀石墨、改性纳米二氧化钛的改性工艺与聚磷酸铵的改性工艺相同。

2.根据权利要求1所述的水性膨胀型钢结构防火涂料，其特征在于：所述的水性环氧乳液为广州市欧鹏化工有限公司提供的型号为环氧树脂乳液E571的水性环氧乳液；所述的水性固化剂由广州市欧鹏化工有限公司提供的型号为水固8#的水性固化剂；消泡剂由广州市欧鹏化工有限公司提供的水性涂料分散剂；所述分散剂由广州市欧鹏化工有限公司提供的型号为SYNTHRO®-PON DA-P 10的分散剂；所述流平增稠剂由广州市欧鹏化工有限公司提供的型号为PU40A的流平增稠剂。

3.如权利要求1所述的水性膨胀型钢结构防火涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、对部分原材料进行改性

首先对粉煤灰漂珠、聚磷酸铵、可膨胀石墨、纳米二氧化钛进行改性，得到改性后的改性粉煤灰漂珠、改性聚磷酸铵、改性可膨胀石墨、改性纳米二氧化钛；

b、将改性聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇、改性可膨胀石墨、改性纳米二氧化钛按配方比例加入到容器中，搅拌均匀；

c、按配方要求，将适量的去离子水和分散剂加入到步骤b的混合物料中，并高速搅拌25-35min，构成A组分；

d、将水性环氧乳液、水性固化剂、分散剂、消泡剂、流平增稠剂按配方比例混合，高速搅拌30min，构成B组分；

e、将B组分在搅拌的情况下加入到A组分中，并放入球磨机内研磨1h，得到混合物料C组分；

f、按配方比例将步骤a改性后的粉煤灰漂珠加入到C组分中，高速搅拌30min后，即制得水性膨胀型钢结构防火涂料。