CN107083129A - 一种水性超薄型钢结构防火涂料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水性超薄型钢结构防火涂料，其由如下重量百分比的组分制成：醋叔乳液17～23.5％，MF树脂改性多聚磷酸铵18～25％，三聚氰胺7～12％，季戊四醇7.5～12.5％，成膜助剂0.8～1.5％，消泡剂0.20～0.50％，分散剂0.30～0.60％，防腐剂0.10～0.30％，增稠剂0.2～0.8％，钛白粉4～8％，无机填料2％～6％，pH调节剂0.15～0.30％，余量为水。该涂料耐火性能合适，并且具有优秀的耐水性能，抗开裂性能好，所制备的防火涂层物理机械性能稳定，抗开裂性能及耐水性能优秀，耐火性能优异，在涂层厚度为1.8mm时，耐火时间达到90min以上。

Description

一种水性超薄型钢结构防火涂料及其制备方法
技术领域
本发明涉及水性涂料技术领域，具体为一种水性超薄型钢结构防火涂料及其制备方法。
背景技术
钢结构作为现代建筑的主要形式，因具有质量轻、强度高、抗震性能好、施工周期短、建筑工业化程度高、空间利用率大、节省投资等优点、而被大量应用，在机场、车站、生产厂房、桥梁、展览场馆、体育场馆、大型商场、高级宾馆、海上平台、水工、石化等建筑中得到大量应用，在地震活跃区或震后周边地区，钢结构优异的抗震性能和高强度特别适合于灾后建筑重建、国防及民用重建工程。
钢结构虽然属于非可燃材料，但导热系数较大(约为钢筋混凝土的40倍)，传热速度快，其物理和机械性能都会随温度的升高而降低，耐火性能差。当钢结构温度高于200℃时，常出现蓝脆现象；当温度在300～400℃时，出现徐变现象；当温度达到500℃时，钢结构强度约下降50％；当温度达到600℃时，钢结构基本丧失全部强度和刚度而失去承载能力，最终导致钢结构整体坍塌而失去承载能力，故高温下或火灾时钢结构产生的威胁远比钢筋混凝土大。20世纪90年代初，我国科研工作者通过对裸露钢梁(全负荷状态下)的耐火极限(钢结构失去承载能力的时间)进行探索，得到标准工资钢梁(I36b、I40b)的耐火极限为15min左右，此时钢梁完全失去承载能力，其内部温度达到临界值(最高温度649℃，平均温度538℃)。火灾引起的钢结构破坏，不但造成大量的房屋倒塌，还会造成大量人员伤亡和经济损失，如结构损失产生的直接经济损失，工厂停工引起的间接经济损失等，国内外统计表明，火灾引起的间接经济损失为直接经济损失的3倍左右。因此，对钢结构进行防火保护是必须的，而使用防火涂料就是一种理想的保护方法。将钢结构防火涂料喷涂在钢结构表面，在发生火灾时起防火隔热保护作用，防止钢材在火灾中迅速升温而失去承载能力，以便为消防人员灭火救人赢得时间。
20世纪80年代初，公安部四川消防研究所率先在国内开展钢结构防火保护技术的研究，先后开发了厚涂型、薄涂型钢结构防火涂料等产品，90年代又开发了超薄膨胀型钢结构防火涂料。随着我国消防法规的建立和健全，各部门对钢结构防火涂料的要求也日益严格，其研究、生产及应用越来越受到重视。目前，国内外钢结构防火涂料正在向涂层超薄、装饰性强、施工方便、防火性能高、应用范围广的趋势发展。
目前在市场上应用的超薄型钢结构防火涂料基本上为溶剂型，水性产品还占不到一成。溶剂型产品含有机溶剂，在施工过程中会挥发到大气中，造成环境污染和损害施工工人的身体健康。而真正在市场上应用的水性超薄型钢结构防火涂料，仍然存在着涂层耐水性差，易开裂等等问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，本发明提出一种耐火性能合适，并且具有优秀的耐水性能，抗开裂性能好的水性超薄型钢结构防火涂料，所制备的防火涂层物理机械性能稳定，抗开裂性能及耐水性能优秀，耐火性能优异，在涂层厚度为1.8mm时，耐火时间达到90min以上。
本发明的另一目的是提供一种上述涂料的制备方法。
本发明的目的可以通过以下措施达到：
一种水性超薄型钢结构防火涂料，其特征在于其由如下重量百分比的组分制成：醋叔乳液17～23.5％，MF树脂改性多聚磷酸铵18～25％，三聚氰胺7～12％，季戊四醇7.5～12.5％，成膜助剂0.8～1.5％，消泡剂0.20～0.50％，分散剂0.30～0.60％，防腐剂0.10～0.30％，增稠剂0.2～0.8％，钛白粉4～8％，无机填料2％～6％，pH调节剂0.15～0.30％，余量为水。
优选的，本改性醋酸乙烯酯-叔碳酸乙烯酯共聚物乳液中包含一种烷氧基甲硅烷基的官能团，所述官能团作为侧基和/或端基存在于所述乳液中。
进一步的，所述乳液为改性醋酸乙烯酯-叔碳酸乙烯酯共聚物乳液，其包含一种烷氧基甲硅烷基官能团作为侧基和/或端基，该改性醋酸乙烯酯-叔碳酸乙烯酯共聚物乳液固含50％，pH值5.0，产品粘度为12000mPa·s，产品玻璃化转变温度23℃，产品最低成膜温度18℃。
在一种优选方案中，醋叔乳液采用由3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷改性的醋酸乙烯酯-叔碳酸乙烯酯乳液。
本发明中的MF树脂改性多聚磷酸铵为MF树脂改性微粉化多聚磷酸铵。其改性树脂为三聚氰胺-甲醛树脂，改性多聚磷酸铵的水溶性≤0.04g/100ml(25℃)，pH值4.0～7.0，，平均粒径18μm。
本发明中的成膜助剂为醇酯-12(即2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇单异丁酸酯)，二丙二醇丁醚，二丙二醇甲醚中的一种或几种。
本发明中的消泡剂为TEGO Airex 902W,TEGO Airex 901W,TEGO Foamex 810中的一种或几种。
本发明中的分散剂为含高亲颜料基团的改性聚醚类分散剂。
本发明中的防腐剂为DOW UCARCIDE 250。
进一步的，本发明中的钛白粉为DuPont Ti-pure R902+,美利联RCL 696，龙蟒LR996中的一种。
本发明中的无机填料为绢云母和滑石粉的混合物，两者的比例优选(1：5)～(5：1)，更优选(1:4)～(2:1)
进一步的，所述的水性超薄型钢结构防火涂料的制备方法，具有如下步骤：
(1)首先在反应釜中投入98.5份的Synthomer公司的Emultex 5717醋酸乙烯酯-叔碳酸乙烯酯乳液，升温至35-40℃，保持300～400R/min的搅拌速度下，在10～20分钟内滴加1.5份的3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷，滴加完毕后在该温度范围内保温2h后降温，测定乳液的固含量为40～60％，pH值4.5～5.5，粘度为11000～13000mPa·s检验合格后为即得改性醋酸乙烯酯-叔碳酸乙烯酯乳液。
(2)在立式干粉搅拌机中加入94份的杭州捷尔斯阻燃化工有限公司的JLS-APP101R II型多聚磷酸铵和6份江苏力强化工有限公司的A5密胺粉料，开动分散机混合分散20～30分钟出料，混合均匀的粉料经流化床在120～130℃条件下，加热3～10分钟后冷却，检验该多聚磷酸铵水溶性≤0.04g/100ml(25℃)，pH值4.0～7.0，平均粒径18μm，合格后出料即得MF树脂改性多聚磷酸铵。
(3)按照各组分的重量百分比：醋叔乳液17～23.5％,MF树脂改性多聚磷酸铵18～25％，三聚氰胺7～12％，季戊四醇7.5～12.5％，成膜助剂0.8～1.5％，消泡剂0.20～0.50％，pH调节剂0.15～0.30％，分散剂0.30～0.60％，防腐剂0.10～0.30％，增稠剂0.2～0.8％，钛白粉4～8％，无机填料2％～6％，余量为水，准备物料；
(4)制备季戊四醇骨架浆，将分散剂的一半、消泡剂的一半、季戊四醇和水在配料罐充分混合均匀；将混合好的物料抽入砂磨机，进行高速砂磨分散，制成110-130μm的季戊四醇骨架浆；
(5)按顺序将剩余的分散剂、pH调节剂、增稠剂、MF树脂改性多聚磷酸铵、三聚氰胺、钛白粉、无机填料加入到季戊四醇骨架浆中，充分混合均匀；
(6)将混合好的物料抽入砂磨机，进行高速砂磨分散，制成细度110～130μm的浆料；
(7)将浆料放入调漆罐，调低转速至400～550r/min，先加入成膜助剂搅拌均匀，再加入醋叔乳液混合均匀后，加入剩余消泡剂和防腐剂，低速搅拌15min后进行检测过滤，即得成品。
本发明提出的水性超薄型钢结构防火涂料及其制备方法具有以下优点：
(1)本发明采用的改性醋酸乙烯酯-叔碳酸乙烯酯共聚物乳液，不仅熔融温度与阻燃体系的分解温度匹配性好，而且改性的作为侧基和/或端基存在于所述乳液中的一种烷氧基甲硅烷基的官能团，提高了乳液和防火涂层在成膜后的耐水性能，这使得水性超薄型防火涂料在受热时能形成发泡效果优秀，气室微小均匀，膨胀倍数高的密实碳化层。而钢结构涂装完成防火涂料后，当涂层长期处于潮湿环境或受到水浸湿，由于该水性超薄型防火涂料的优秀的耐水性能，可以避免或减少防火涂层的防火性能随时间的增长而降低。
(2)本发明采用了MF树脂改性多聚磷酸铵作为水性超薄型钢结构防火涂料膨胀组分中的酸源，该改性多聚磷酸铵克服了一般多聚磷酸铵水溶性高，耐水性差的缺点，使得水性超薄型钢结构防火涂料具有优异的耐水性能。
(3)本发明采用的无机填料，优选了高长径比的针状滑石粉和高径厚比的绢云母作为无机填料，克服了水性超薄型防火涂层在常温状态下的易开裂的缺点，提高了高温受热状态下碳化层的强度和对钢结构的粘附力，间接提高了水性超薄型钢结构防火涂料的耐火性能。
(4)本发明采用的先制备季戊四醇骨架浆，再将其他填料进行研磨的工艺，一方面使作为高温下成炭的主要组分的季戊四醇在涂层中可以获得较好的分散，另一方面可以避免共混后研磨的工艺中，由于结晶状的季戊四醇难以分散导致的能耗增加。
具体实施方式
本发明中以下各例中的改性醋叔乳液由如下方法制备：
首先在反应釜中投入98.5份的Synthomer公司的Emultex 5717醋酸乙烯酯-叔碳酸乙烯酯乳液，升温至35-40℃，保持300～400R/min的搅拌速度下，在10～20分钟内滴加1.5份的3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷，滴加完毕后在该温度范围内保温2h后降温，测定乳液的固含量为40～60％，pH值4.5～5.5，粘度为11000～13000mPa·s检验合格后为即得改性醋酸乙烯酯-叔碳酸乙烯酯乳液。
本发明中以下各例中的MF树脂改性多聚磷酸铵的制备方法如下：
在立式干粉搅拌机中加入94份的杭州捷尔斯阻燃化工有限公司的JLS-APP101RII型多聚磷酸铵和6份江苏力强化工有限公司的A5密胺粉料，开动分散机混合分散20～30分钟出料，混合均匀的粉料经流化床在120～130℃条件下，加热3～10分钟后冷却，检验该多聚磷酸铵水溶性≤0.04g/100ml(25℃)，pH值4.0～7.0，平均粒径18μm，合格后出料即得MF树脂改性多聚磷酸铵。
实施例1
改性醋叔乳液175g，MF改性多聚磷酸铵200g，季戊四醇105g，三聚氰胺95g，消泡剂TEGO Airex 902W 2g，增稠剂5g，pH调节剂5g，成膜助剂醇酯-12 10g，分散剂4g，防腐剂2g，绢云母20g，滑石粉40g，钛白粉70g，水270g。
制备工艺：将分散剂2g、消泡剂1g、季戊四醇，水在配料罐充分混合均匀；将混合好的物料抽入砂磨机，进行高速砂磨分散，制成110～130μm的季戊四醇骨架浆；然后把MF改性聚磷酸铵、三聚氰胺、分散剂2g、增稠剂、钛白粉、绢云母、滑石粉、pH调节剂加入季戊四醇骨架浆中，混合均匀，抽入砂磨机进行高速砂磨分散，制成110～130μm的浆料；将浆料放入调漆罐，在转速400r/min条件下加入成膜助剂搅拌均匀，再加入醋叔乳液混合均匀后，加入剩余消泡剂1g和防腐剂，低速搅拌15min后进行检测过滤，既得成品。
对实施例1所述水性超薄型钢结构防火涂料按GB 14907-2002技术指标进行性能检测，检测结果如1所示。
表1实施例1所述水性超薄型钢结构防火涂料检测结果
实施例2
改性醋叔乳液180g，MF改性多聚磷酸铵220g，季戊四醇110g，三聚氰胺100g，消泡剂TEGO Airex 901W 3g，增稠剂4g，pH调节剂2g，成膜助剂醇酯-12 10g，分散剂3g，防腐剂2g，绢云母10g，滑石粉20g，钛白粉40g，水296g。
制备工艺：将分散剂1.5g、消泡剂1.5g、季戊四醇，水在配料罐充分混合均匀；将混合好的物料抽入砂磨机，进行高速砂磨分散，制成110～130μm的季戊四醇骨架浆；然后把MF改性聚磷酸铵、三聚氰胺、分散剂1.5g、增稠剂、钛白粉、绢云母、滑石粉、pH调节剂加入季戊四醇骨架浆中，混合均匀，抽入砂磨机进行高速砂磨分散，制成110～130μm的浆料；将浆料放入调漆罐，在转速400r/min条件下加入成膜助剂搅拌均匀，再加入醋叔乳液混合均匀后，加入剩余消泡剂1.5g和防腐剂，低速搅拌15min后进行检测过滤，既得成品。
对实施例2所述水性超薄型钢结构防火涂料按GB 14907-2002技术指标进行性能检测，检测结果如2所示。
表2实施例2所述水性超薄型钢结构防火涂料检测结果
实施例3
改性醋叔乳液220g，MF改性多聚磷酸铵200g，季戊四醇100g，三聚氰胺90g，消泡剂TEGO Foamex 810 2g，增稠剂4g，pH调节剂3g，成膜助剂12g，分散剂4g，防腐剂2g，绢云母15g，滑石粉25g，钛白粉50g，水272g。
制备工艺：将分散剂2g、消泡剂1g、季戊四醇，水在配料罐充分混合均匀；将混合好的物料抽入砂磨机，进行高速砂磨分散，制成110～130μm的季戊四醇骨架浆；然后把MF改性聚磷酸铵、三聚氰胺、分散剂2g、增稠剂、钛白粉、绢云母、滑石粉、pH调节剂加入季戊四醇骨架浆中，混合均匀，抽入砂磨机进行高速砂磨分散，制成110～130μm的浆料；将浆料放入调漆罐，在转速450r/min条件下加入成膜助剂搅拌均匀，再加入醋叔乳液混合均匀后，加入剩余消泡剂1g和防腐剂，低速搅拌15min后进行检测过滤，既得成品。
对实施例3所述水性超薄型钢结构防火涂料按GB 14907-2002技术指标进行性能检测，检测结果如3所示。
表3实施例3所述水性超薄型钢结构防火涂料检测结果
实施例4
改性醋叔乳液220g，MF改性多聚磷酸铵190g，季戊四醇80g，三聚氰胺75g，消泡剂TEGO Airex 902W 4g，增稠剂7g，pH调节剂3g，成膜助剂二丙二醇丁醚12g，分散剂4g，防腐剂2g，绢云母40g，滑石粉20g，钛白粉50g，水293g。
制备工艺：将分散剂2g、消泡剂2g、季戊四醇，水在配料罐充分混合均匀；将混合好的物料抽入砂磨机，进行高速砂磨分散，制成110～130μm的季戊四醇骨架浆；然后把MF改性聚磷酸铵、三聚氰胺、分散剂2g、增稠剂、钛白粉、绢云母、滑石粉、pH调节剂加入季戊四醇骨架浆中，混合均匀，抽入砂磨机进行高速砂磨分散，制成110～130μm的浆料；将浆料放入调漆罐，在转速500r/min条件下加入成膜助剂搅拌均匀，再加入醋叔乳液混合均匀后，加入剩余消泡剂2g和防腐剂，低速搅拌15min后进行检测过滤，既得成品。
对实施例4所述水性超薄型钢结构防火涂料按GB 14907-2002技术指标进行性能检测，检测结果如4所示。
表4实施例4所述水性超薄型钢结构防火涂料检测结果
实施例5
改性醋叔乳液170g，MF改性多聚磷酸铵240g，季戊四醇120g，三聚氰胺115g，消泡剂TEGO Airex 902W 4.5g，增稠剂3g，pH调节剂3g，成膜助剂醇酯-12 12g，分散剂4g，防腐剂2g，绢云母30g，滑石粉30g，钛白粉30g，水236.5g。
制备工艺：将分散剂2g、消泡剂2g、季戊四醇，水在配料罐充分混合均匀；将混合好的物料抽入砂磨机，进行高速砂磨分散，制成110～130μm的季戊四醇骨架浆；然后把MF改性聚磷酸铵、三聚氰胺、分散剂2g、增稠剂、钛白粉、绢云母、滑石粉、pH调节剂加入季戊四醇骨架浆中，混合均匀，抽入砂磨机进行高速砂磨分散，制成110～130μm的浆料；将浆料放入调漆罐，在转速500r/min条件下加入成膜助剂搅拌均匀，再加入醋叔乳液混合均匀后，加入剩余消泡剂2.5g和防腐剂，低速搅拌15min后进行检测过滤，既得成品。
对实施例5所述水性超薄型钢结构防火涂料按GB 14907-2002技术指标进行性能检测，检测结果如5所示。
表5实施例5所述水性超薄型钢结构防火涂料检测结果
由表1～5中数据可知，本发明所述水性超薄型钢结构防火涂料综合性能好，抗开裂性和耐水性能优异。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所算定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种水性超薄型钢结构防火涂料，其特征在于其由如下重量百分比的组分制成：醋叔乳液17～23.5％，MF树脂改性多聚磷酸铵18～25％，三聚氰胺7～12％，季戊四醇7.5～12.5％，成膜助剂0.8～1.5％，消泡剂0.20～0.50％，分散剂0.30～0.60％，防腐剂0.10～0.30％，增稠剂0.2～0.8％，钛白粉4～8％，无机填料2％～6％，pH调节剂0.15～0.30％，余量为水。
2.根据权利要求1所述的水性超薄型钢结构防火涂料，其特征在于所述醋叔乳液为改性醋酸乙烯酯-叔碳酸乙烯酯共聚物乳液，该改性醋酸乙烯酯-叔碳酸乙烯酯共聚物乳液的固含量为40～60％，pH值4.5～5.5，粘度为11000～13000mPa·s。
3.根据权利要求2所述的水性超薄型钢结构防火涂料，其特征在于所述改性醋酸乙烯酯-叔碳酸乙烯酯共聚物乳液中包含一种烷氧基甲硅烷基的官能团，所述官能团作为侧基和/或端基存在于所述乳液中。
4.根据权利要求1所述水性超薄型钢结构防火涂料，其特征在于所述MF树脂改性多聚磷酸铵为MF树脂改性微粉化多聚磷酸铵，其改性树脂为三聚氰胺-甲醛树脂，改性多聚磷酸铵的水溶性≤0.04g/100ml(25℃)，pH值4.0～7.0。
5.根据权利要求1所述水性超薄型钢结构防火涂料，其特征在于所述成膜助剂为醇酯-12、二丙二醇丁醚、二丙二醇甲醚中的一种或几种；所述消泡剂为TEGO Airex 902W、TEGOAirex 901W、TEGO Foamex 810中的一种或几种，所述分散剂为含高亲颜料基团的改性聚醚类分散剂，所述防腐剂为DOW UCARCIDE 250。
6.根据权利要求1所述的水性超薄型钢结构防火涂料，其特征在于钛白粉为DuPontTi-pure R902+、美利联RCL 696、龙蟒LR 996中的一种；所述无机填料为绢云母和滑石粉的混合物。
7.根据权利要求6所述的水性超薄型钢结构防火涂料，其特征在于所述无机填料中绢云母和滑石粉的质量比为1：5～5：1，优选1:4～2:1。
8.一种权利要求1所述的水性超薄型钢结构防火涂料的制备方法，其特征是：具有如下步骤：
(1)首先在反应釜中投入98.5份的Synthomer公司的Emultex 5717醋酸乙烯酯-叔碳酸乙烯酯乳液，升温至35-40℃，保持300～400R/min的搅拌速度下，在10～20分钟内滴加1.5份的3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷，滴加完毕后在该温度范围内保温2h后降温，测定乳液的固含量为40～60％，pH值4.5～5.5，粘度为11000～13000mPa·s检验合格后为即得改性醋酸乙烯酯-叔碳酸乙烯酯乳液。
(2)在立式干粉搅拌机中加入94份的杭州捷尔斯阻燃化工有限公司的JLS-APP101R II型多聚磷酸铵和6份江苏力强化工有限公司的A5密胺粉料，开动分散机混合分散20～30分钟出料，混合均匀的粉料经流化床在120～130℃条件下，加热3～10分钟后冷却，检验该多聚磷酸铵水溶性≤0.04g/100ml(25℃)，pH值4.0～7.0，平均粒径18μm，合格后出料即得MF树脂改性多聚磷酸铵。
(3)按照各组分的重量百分比：醋叔乳液17～23.5％,MF树脂改性多聚磷酸铵18～25％，三聚氰胺7～12％，季戊四醇7.5～12.5％，成膜助剂0.8～1.5％，消泡剂0.20～0.50％，pH调节剂0.15～0.30％，分散剂0.30～0.60％，防腐剂0.10～0.30％，增稠剂0.2～0.8％，钛白粉4～8％，无机填料2％～6％，余量为水，准备物料；
(4)制备季戊四醇骨架浆，将分散剂的一半、消泡剂的一半、季戊四醇和水在配料罐充分混合均匀；将混合好的物料抽入砂磨机，进行高速砂磨分散，制成110-130μm的季戊四醇骨架浆；
(5)按顺序将剩余的分散剂、pH调节剂、增稠剂、MF树脂改性多聚磷酸铵、三聚氰胺、钛白粉、无机填料加入到季戊四醇骨架浆中，充分混合均匀；
(6)将混合好的物料抽入砂磨机，进行高速砂磨分散，制成细度110～130μm的浆料；
(7)将浆料放入调漆罐，调低转速至400～550r/min，先加入成膜助剂搅拌均匀，再加入醋叔乳液混合均匀后，加入剩余消泡剂和防腐剂，低速搅拌15min后进行检测过滤，即得成品。
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