CN107652740A - 一种水性透明古建筑木材防火涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明申请公开了一种水性透明古建筑木材防火涂料，由如下重量份数的物料制成：碳化催化剂3～15份、吹气剂2～10份、成碳物质2～10份、季铵铜15～30份、UV‑531抗老化剂1～2份、增效剂2～4份、水65～93份；所述水性透明古建筑木材防火涂料的制备方法包括以下步骤：1)称量；2)制备磷酸胍结晶；3)将磷酸胍结晶研磨，真空烘干，得到磷酸胍粉末；4)向磷酸胍粉末加入成碳物质、季铵铜和抗老化剂，再加水，搅拌溶解，即得。该防火涂料使得古建筑木材在恶劣的环境下，仍然能够保持优异的防火性能。

Description

一种水性透明古建筑木材防火涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑涂料领域，具体涉及一种水性透明古建筑木材防火涂料及其制备方法。

背景技术

木材是一种可燃性材料，具有很大的火灾危险性。木材防火涂料是一种涂抹在木材基材表面，起到降低木材表面的可燃性、阻滞火灾迅速蔓延、以提高木材耐火极限的一种特种涂料。传统木结构文物的建筑是重要的历史文化遗产，也是全人类的宝贵财富。然而，由于受历史条件的限制，木结构建筑的防火基础设施薄弱，极容易发生火灾而遭到破坏。透明防火涂料对古建筑的防火保护其理想性不言而喻，对于那些本身就有较强装饰作用或不希望改变外观的古建筑等，可使用透明防火涂料涂刷在古建筑木结构表面，正常的情况不改变古建筑的外观和颜色等，受火时可膨胀并形成致密的蜂窝状或海绵状的碳质泡沫层，对可燃古建筑具有良好的保护作用。使古建筑不受火灾的侵害，以确保这些古建筑的防火安全，防火患于未然，在古建筑的防火安全保护措施中具有重要的作用。

膨胀型防火涂料是目前防火涂料使用的主要类型。其在火焰或高温时，涂层会发生膨胀形成多孔泡沫层，泡沫层不仅能够隔绝氧气，还具有良好的隔热性能，从而有效阻止了热量向基材的传播。除此之外，涂层膨胀形成泡沫层的过程是吸热反应，降低了整体的温度，所以膨胀型防火涂料的阻燃效果更加显著。为了改善阻燃性能，满足应用中的需求，需要对原本性能良好但单一的膨胀型防火涂料进行改性和加工。

早在1992年，CN88108689.4公开了一种膨胀型水性透明防火涂料，配方由如下重量份数的四种组分组成：(1)成膜剂或粘合剂25～55份：脲-甲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂、脲与三聚氰胺-甲醛树脂等；(2)吹气剂或发泡剂10～40份：脲、三聚氰胺、苯胺、双氰胺；(3)碳化催化剂或阻燃剂10～30份：磷酸氢二铵、磷酸二氢铵、聚磷酸铵；(4)成碳物质15～35份：多元醇类的丙三醇、乙二醇、季戊四醇、糊精、淀粉。反应工艺为：将上述配方中四种基本组分中至少各一种原料，加入到反应瓶中，经加热回流1～1.5小时，待粘度达到要求(通20秒4号粘度杯)后即为本发明之成品。该发明的配方和工艺经典传统，但其使用大量原料，得到的产品防火性能单一，如果遇到恶劣的环境(如臭氧、热、水、机械应力、高能辐射、工业气体、霉菌、细菌、昆虫等)，加速木材的老化，此时防火涂料无力抵抗火灾。

随着对古建筑防火保护工作越来越重视，性能化防火设计如今已经成为建筑消防设计发展的趋势，它是一个综合的防火攻略，能够充分的利用各个技术，提高了设备和人员的利用率，但不可否认的是，目前性能化设计作为一项新兴技术，还不够成熟，社会环境和技术条件都还没有为这门技术的推广和应用做好准备。所以，目前缺乏改性的防火涂料，应对恶劣的环境时，仍能保持优异的防火性能。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是，克服以上现有技术的缺陷，提供一种水性透明古建筑木材防火涂料，在恶劣的环境下，仍然能够保持优异的防火性能。

本发明的技术解决方案如下：一种水性透明古建筑木材防火涂料，由如下重量份数的物料制成：碳化催化剂3～15份、吹气剂2～10份、成碳物质2～10份、季铵铜15～30份、UV-531 抗老化剂1～2份、增效剂2～4份、水65～93份；所述水性透明古建筑木材防火涂料的制备方法包括以下步骤：

1)按如下重量份数称量物料：碳化催化剂3～15份、吹气剂2～10份、成碳物质2～10份、季铵铜15～30份、UV-531抗老化剂1～2份、增效剂2～4份、水65～93份；

2)将吹气剂和碳化催化剂在170℃～180℃反应50～70min，冷却至90～100℃，热过滤，滤液中添加增效剂后浓缩，得到磷酸胍结晶；

3)将磷酸胍结晶研磨，真空烘干，得到磷酸胍粉末；

4)向磷酸胍粉末加入成碳物质、季铵铜和抗老化剂，再加水，搅拌溶解，即得水性透明古建筑木材防火涂料。

优选地，所述水性透明古建筑木材防火涂料由如下重量份数的物料制成：碳化催化剂4～10 份、吹气剂3～9份、成碳物质3～9份、季铵铜20～25份、UV-531抗老化剂1～2份、增效剂2～4 份、水73～90份。

优选地，所述增效剂为重量份数为3:1～5:1的羟乙基纤维素和氯化锌。添加增效剂，明显增强防火性能和力学性能，涂料透明光亮，表面光滑平整，防火性能优越，无明火燃烧，强制燃烧时发烟很少且无有害气体发生，燃点高达600℃。

优选地，所述热过滤是加入80～100℃热水进行热过滤。热过滤是为了快速除杂，同时增加产率。

优选地，所述磷酸胍粉末的粒径为10～30μm。该粒径的磷酸胍粉末是将结晶研磨、真空烘干后得到，未破坏磷酸胍的孔状结构，涂覆于木材后仍然具备完整规则的网状结构，粉末不仅纯度高，而且能很好的溶解，有助于涂料的充分利用。

优选地，所述抗老化剂为UV-531。木材在室外的天然环境中经受着紫外线的光化降解作用，其表面形态就会发生一些变化。本发明使用了抗老化剂，不仅改善膨胀型防火涂料对紫外线的耐久性，同时改善其阻燃性能。

季铵铜(ACQ)的活性成分是铜和四价铵的混合物，是一种环保型的木材防腐剂，ACQ 防腐剂木材抵抗工业气体、霉菌、细菌、昆虫等的性能接近于传统的铜、铬、砷的化合物(CCA) 防腐剂，且对人体无毒，对环境无污染。ACQ木材防腐剂渗透性强，浸注于木材后固着性好，抗流失，耐久性强，对金属腐蚀性小；处理后不影响木材的油漆彩绘；不降低木材的绝缘性能和力学强度。

优选地，所述碳化催化剂为磷酸氢二铵、磷酸二氢铵、聚磷酸铵中的一种。

优选地，所述吹气剂为脲、三聚氰胺、苯胺、双氰胺中的一种。

优选地，所述成碳物质为丙三醇、乙二醇、季戊四醇、糊精、淀粉中的一种。

本发明所要解决的另一个技术问题是，克服以上现有技术的缺陷，提供一种水性透明古建筑木材防火涂料的制备方法，能够高产率、低成本的获得内部结构明确、性能优异的防火涂料。

一种水性透明古建筑木材防火涂料的制备方法，包括以下步骤：

1)按如下重量份数称量物料：碳化催化剂3～15份、吹气剂2～10份、成碳物质2～10份、季铵铜15～30份、UV-531抗老化剂1～2份、增效剂2～4份、水65～93份；

2)将吹气剂和碳化催化剂在170℃～180℃反应50～70min，冷却至90～100℃，热过滤，滤液中添加增效剂后浓缩，得到磷酸胍结晶；

3)将磷酸胍结晶研磨，真空烘干，得到磷酸胍粉末；

4)向磷酸胍粉末加入成碳物质、季铵铜和抗老化剂，再加水，搅拌溶解，即得水性透明古建筑木材防火涂料。

制备时以吹气剂和碳化催化剂发生特殊的化学反应为基础，即加入成碳物质和水，先在170℃～180℃反应50～70min，该条件合成的磷酸胍产率高，反应速度快；然后进行热过滤、浓缩，这是为了得到结构规整、纯度高的磷酸胍结晶。由于产品是水溶性的涂料，最终要在水中溶解，为了磷酸胍更好地溶解于水，也为了保持磷酸胍的纯度，本发明设计了研磨和真空烘干的步骤，得到粒径为10～30μm的磷酸胍粉末，不仅纯度高，而且能很好的溶解；而真空烘干则能避免外界杂质的污染，保持磷酸胍的纯度，有助于木材的炭层结构为完整封闭的网格孔状结构。多孔网状结构表面积增大，当工业气体、霉菌、细菌、昆虫等靠近涂料层时，季铵铜与增效剂发挥着主要作用，抵抗工业气体、霉菌、细菌、昆虫的腐蚀；当木材长期接触臭氧、热、高能辐射的环境时，UV-531抗老化剂与增效剂发挥着主要作用，保持涂料优异的防火性能。

本发明是在单一的膨胀型防火涂料内添加季铵铜、UV-531抗老化剂和增效剂，得到了改性的防火涂料。根据目前古建筑木结构火灾特征和防火要求，本发明对该防火涂料进行了力学性能、老化、阻燃性能等试验，大量试验结果表明：改性后的防火涂料涂覆古建筑木材后，在恶劣的环境下(如臭氧、热、水、机械应力、高能辐射、工业气体、霉菌、细菌、昆虫等)，仍然能够长期(40年以上)保持优异的防火性能。经过360h加速老化试验表明，改性后的防火涂料老化前后的防火性能变化较小，具有较好的耐老化性。运用改性后的防火涂料进行阻燃防火保护，不仅工艺技术简单，而且在达到优良的阻燃效果的同时还兼具了防腐防虫，抗紫外线的功效。

本发明的有益效果是：

1)在传统原料中添加防腐防虫剂、UV-531抗老化剂和增效剂，得到了改性的防火涂料，涂覆该防火涂料的木材的炭层结构为完整封闭的网格孔状结构，在恶劣的环境下，仍然能够保持优异的防火性能；

2)中间产物磷酸胍结构明确，制备过程产率高，不会闲置多余原料，原料较传统技术用量大大减少；

3)燃点高达600℃，强制燃烧时发烟很少且无有害气体发生，接触600℃以下的火焰不会有火焰发生，是少有的水溶性阻燃剂；

4)选用少量无毒原料，配比合理，不会伤害皮肤，吸湿性很小，对木材、金属无腐蚀作用；

5)涂抹无需过量，少量涂抹即可形成透明的保护层，涂抹后的木材色彩几乎无变化，不会对古建筑的外观产生影响；

6)施工操作简便，涂装容易不费力，涂装后的效力持久，阻燃效果不会随时间延长而减弱。

附图说明

图1为未处理的原木构件(炭层之间的间距为5～10μm)。

图2为涂覆有本发明设计的改性防火涂料(孔洞的孔径为20±5μm)。

具体实施方式

下面用具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不仅局限于以下具体实施例。

以下所提供的实施例并非用以限制本发明所涵盖的范围，所描述的步骤也不是用以限制其执行顺序。本领域技术人员结合现有公知常识对本发明做显而易见的改进，亦落入本发明要求的保护范围之内。

实施例一

一种水性透明古建筑木材防火涂料，由如下重量份数的称量物料制成：磷酸氢二铵10份、双氰胺9份、乙二醇9份、水72份、增效剂2份、ACQ15份、UV-531抗老化剂1份；所述增效剂为重量份数为3:1的羟乙基纤维素和氯化锌。

一种水性透明古建筑木材防火涂料的制备方法，包括以下步骤：

1)按如下重量份数称量物料：磷酸氢二铵10份、双氰胺9份、乙二醇9份、水72份、增效剂2份、ACQ15份、UV-531抗老化剂1份；所述增效剂为重量份数为3:1的羟乙基纤维素和氯化锌；

2)将吹气剂和碳化催化剂在170℃反应70min，冷却至90℃，加入80℃热水进行热过滤，滤液中添加增效剂后浓缩，得到磷酸胍结晶；

3)将磷酸胍结晶研磨，真空烘干，得到磷酸胍粉末；所述磷酸胍粉末的粒径为10μm；

4)向磷酸胍粉末加入成碳物质、季铵铜和抗老化剂，再加水，搅拌溶解，即得水性透明古建筑木材防火涂料。

实施例二

一种水性透明古建筑木材防火涂料，由如下重量份数的称量物料制成：磷酸二氢铵4份、双氰胺6份、乙二醇9份、水81份、ACQ30份、UV-531抗老化剂2份、增效剂4份；所述增效剂为重量份数为5:1的羟乙基纤维素和氯化锌。

一种水性透明古建筑木材防火涂料的制备方法，包括以下步骤：

1)按如下重量份数称量物料：磷酸二氢铵4份、双氰胺6份、乙二醇9份、水81份、ACQ30份、UV-531抗老化剂2份、增效剂4份；所述增效剂为重量份数为5:1的羟乙基纤维素和氯化锌；

2)将吹气剂和碳化催化剂在170℃反应70min，冷却至100℃，加入80℃热水进行热过滤，滤液中添加增效剂后浓缩，得到磷酸胍结晶；

3)将磷酸胍结晶研磨，真空烘干，得到磷酸胍粉末；所述磷酸胍粉末的粒径为20μm；

4)向磷酸胍粉末加入成碳物质、季铵铜和抗老化剂，再加水，搅拌溶解，即得水性透明古建筑木材防火涂料。

实施例三

一种水性透明古建筑木材防火涂料，由如下重量份数的称量物料制成：聚磷酸铵10份、脲9份、季戊四醇9份、水72份、ACQ20份、UV-531抗老化剂1份、增效剂2份；所述增效剂为重量份数为4:1的羟乙基纤维素和氯化锌。

一种水性透明古建筑木材防火涂料的制备方法，包括以下步骤：

1)按如下重量份数称量物料：聚磷酸铵10份、脲9份、季戊四醇9份、水72份、ACQ20份、UV-531抗老化剂1份、增效剂2份；所述增效剂为重量份数为4:1的羟乙基纤维素和氯化锌；

2)将吹气剂和碳化催化剂在180℃反应50min，冷却至100℃，加入100℃热水进行热过滤，滤液中添加增效剂后浓缩，得到磷酸胍结晶；

3)将磷酸胍结晶研磨，真空烘干，得到磷酸胍粉末；所述磷酸胍粉末的粒径为30μm；

4)向磷酸胍粉末加入成碳物质、季铵铜和抗老化剂，再加水，搅拌溶解，即得水性透明古建筑木材防火涂料。

实施例四

一种水性透明古建筑木材防火涂料，由如下重量份数的称量物料制成：磷酸二氢铵4份、苯胺6份、丙三醇9份、水81份、ACQ25份、UV-531抗老化剂2份、增效剂4份；所述增效剂为重量份数为3:1的羟乙基纤维素和氯化锌。

一种水性透明古建筑木材防火涂料的制备方法，包括以下步骤：

1)按如下重量份数称量物料：磷酸二氢铵4份、苯胺6份、丙三醇9份、水81份、ACQ25份、UV-531抗老化剂2份、增效剂4份；所述增效剂为重量份数为3:1的羟乙基纤维素和氯化锌；

2)将吹气剂和碳化催化剂在180℃反应60min，冷却至90℃，加入90℃热水进行热过滤，滤液中添加增效剂后浓缩，得到磷酸胍结晶；

3)将磷酸胍结晶研磨，真空烘干，得到磷酸胍粉末；所述磷酸胍粉末的粒径为20μm；

4)向磷酸胍粉末加入成碳物质、季铵铜和抗老化剂，再加水，搅拌溶解，即得水性透明古建筑木材防火涂料。

对比例一

与实施例四不同之处在于，没有添加增效剂。

对比例二

与实施例四不同之处在于，没有添加季铵铜。

对比例三

与实施例四不同之处在于，没有添加抗老化剂。

对比例四

与实施例四不同之处在于，没有添加抗老化剂、季铵铜和增效剂。

产品测试：

根据目前古建筑木结构火灾特征和防火要求，本发明对该防火涂料进行了力学性能、老化、阻燃性能等试验，大量试验结果表明：改性后的防火涂料涂覆后，对木构件的外观(色度、光泽度、形貌等)影响相对较小；同时，进行了燃烧前后的轴向抗压试验和抗弯强度试验等力学性能测试，涂覆改性后的防火涂料后，增大了构件燃烧后力学性能的变化；经过360h加速老化试验表明，改性后的防火涂料老化前后的防火性能变化较小，具有较好的耐老化性。运用改性后的防火涂料进行阻燃防火保护，不仅工艺技术简单，而且在达到优良的阻燃效果的同时还兼具了防腐防虫，抗紫外线的功效。

具体地，一种水性透明古建筑木材防火涂料的施工工艺，包括以下步骤：

1)对古建筑木材的表面喷涂油漆，置于通风干燥处20～30h，得到带漆木料；

2)将此防火涂料喷涂于带漆木料上，置于通风干燥处40～60h。

一、阻燃试验

按照实施例一～实施例四、对比例一～对比例四的配方将此水性透明古建筑木材防火涂料喷涂于无漆木材构件上，置于通风干燥处48h，测量木料喷涂前后的阻燃效果，结果见表1。

对木材构件进行老化处理，老化过程为在温度38℃、湿度70％的条件下，开启紫外灯光照，试验时间120h，循环三次共360h，待晾干后在进行阻燃试验。对不同处理的木材构件进行1000℃燃烧，对比老化前后的炭化体积，评估阻燃性能。

经过360h加速老化试验表明，涂有水性透明古建筑木材防火涂料的老化前后的防火性能变化较小，具有较好的耐老化性。跟踪测试显示，使用该防火涂料的古建筑木材至少能够保持 40年以上，说明其耐老化性能优异。

表1：水性透明古建筑木材防火涂料的阻燃测试

对比例参照实施例四设计，由上表可知，增效剂对阻燃效果的贡献最大，抗老化剂、季铵铜也都增加了古建筑木材的防火性能。

二、力学性能测试

按照实施例一～实施例四的配方将此水性透明古建筑木材防火涂料喷涂于木材构件上，置于通风干燥处48h，与未处理的木材构件做对比，进行力学性能测试，结果见表2。

1.硬度。结果表明，相对于未处理的木料，喷涂此水性透明古建筑木材防火涂料的木材构件的硬度有所提高。

2.抗压强度。试样尺寸的长度为40mm，宽度为30mm，测试抗压强度，观察破坏形态。结果表明，未处理的木材构件达到破坏荷载后，出现纵向裂缝的同时还伴随着横向裂缝，而喷涂水性透明古建筑木材防火材料的木材构件只出现了纵向裂缝，且抗压强度有所增强。

3.抗弯强度，施加2MPa的应力，测试其应变，变形量与原来的尺寸的比值。结果表明，涂有水性透明古建筑木材防火涂料的木料的应变均有所减小，抗弯能力增强。

表2：水性透明古建筑木材防火涂料的力学性能测试

上述力学性能测试表明，喷涂此水性透明古建筑木材防火涂料的木材构件的硬度、抗压强度和抗弯强度均有所提高，这样更加有助于长期保持木材的结构，不受外界损坏。

三、电镜扫描测试

扫描电镜测试主要表征木构件样品涂覆防火涂料后的表面微观结构形貌变化，根据炭层形貌的有效观测进行比较，推断阻燃效果。本实验过程为用工具在燃烧后的木构件的各个单元格子的表面取下一小块，然后进行电镜扫描，见图1、图2。

详细扫描电镜图图1为未处理的原木构件，炭层结构为间距为5～10μm的片层；图2为涂覆有本发明设计的改性防火涂料，其炭层结构为致密的网状结构(孔洞的孔径为20±5μm)。

根据电镜基于木材的原理，结果表明，改性后的防火涂料的混合涂覆方式在燃烧后，其炭层结构为完整封闭的网格形状，即木材表面涂覆该防火涂料后形成表面致密网状的炭层结构，从而有效的降低了炭层的导热系数，提高耐燃时间，说明该防火涂料的阻燃性能良好。

Claims (9)

1.一种水性透明古建筑木材防火涂料，其特征在于，由如下重量份数的物料制成：碳化催化剂3～15份、吹气剂2～10份、成碳物质2～10份、季铵铜15～30份、UV-531抗老化剂1～2份、增效剂2～4份、水65～93份；所述水性透明古建筑木材防火涂料的制备方法包括以下步骤：

1)按上述重量份数称量物料；

2)将吹气剂和碳化催化剂在170℃～180℃反应50～70min，冷却至90～100℃，热过滤，滤液中添加增效剂后浓缩，得到磷酸胍结晶；

3)将磷酸胍结晶研磨，真空烘干，得到磷酸胍粉末；

4)向磷酸胍粉末加入成碳物质、季铵铜和抗老化剂，再加水，搅拌溶解，即得水性透明古建筑木材防火涂料。

2.根据权利要求1所述的水性透明古建筑木材防火涂料，其特征在于，所述增效剂为重量比为3:1～5:1的羟乙基纤维素和氯化锌。

3.根据权利要求1所述的水性透明古建筑木材防火涂料，其特征在于，所述水性透明古建筑木材防火涂料由如下重量份数的物料制成：碳化催化剂4～10份、吹气剂3～9份、成碳物质3～9份、季铵铜20～25份、UV-531抗老化剂1～2份、增效剂2～4份、水73～90份。

4.根据权利要求1所述的水性透明古建筑木材防火涂料，其特征在于，所述热过滤是加入80～100℃热水进行热过滤。

5.根据权利要求1所述的水性透明古建筑木材防火涂料，其特征在于，所述磷酸胍粉末的粒径为10～30μm。

6.根据权利要求1所述的水性透明古建筑木材防火涂料，其特征在于，所述碳化催化剂为磷酸氢二铵、磷酸二氢铵、聚磷酸铵中的一种。

7.根据权利要求1所述的水性透明古建筑木材防火涂料，其特征在于，所述吹气剂为脲、三聚氰胺、苯胺、双氰胺中的一种。

8.根据权利要求1所述的水性透明古建筑木材防火涂料，其特征在于，所述成碳物质为丙三醇、乙二醇、季戊四醇、糊精、淀粉中的一种。

9.一种水性透明古建筑木材防火涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)按如下重量份数称量物料：碳化催化剂3～15份、吹气剂2～10份、成碳物质2～10份、季铵铜15～30份、UV-531抗老化剂1～2份、增效剂2～4份、水65～93份；

2)将吹气剂和碳化催化剂在170℃～180℃反应50～70min，冷却至90～100℃，热过滤，滤液中添加增效剂后浓缩，得到磷酸胍结晶；

3)将磷酸胍结晶研磨，真空烘干，得到磷酸胍粉末；

4)向磷酸胍粉末加入成碳物质、季铵铜和抗老化剂，再加水，搅拌溶解，即得水性透明古建筑木材防火涂料。