CN108003739A - 一种水性防火涂料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于化工涂料制备领域，尤其涉及一种水性防火涂料的制备方法。该复合型水性防火涂料由水凝胶包覆热活化聚磷酸铵和水性涂料基体以及其他涂料助剂复合而成。本发明采用聚乙烯醇水凝胶为包覆“壳材”，热活化的聚磷酸铵为“核材”，两者包覆过程可形成氢键，包覆稳定，并且聚乙烯醇分子结构中的碳骨架与羟基在受热时可为热活化聚磷酸铵提供大量的碳炭，促进涂层基体成炭，大幅度提升涂料的防火性能。
Description
技术领域
本发明属于化工涂料制备领域，尤其涉及一种水性防火涂料的制备方法。
技术背景
随着社会经济的不断发展，钢结构建筑材料的应用越来越广泛，尤其在我国建筑行业中，钢结构建筑材料具有很好的应用前景。与传统的砖石结构、钢筋混凝土结构、木结构相比较，钢结构具有质量轻、机械强度高、抗震性好、施工方便等优点，其更加符合绿色环保建筑的趋势。钢材虽然是不燃材料，但其耐高温性能较差。当发生火灾时，钢结构框架温度急剧上升，当达到临界温度时，钢结构便会失去支撑能力，造成建筑倒塌；特别是高层钢结构建筑发生火灾时，钢结构的坍塌使营救工作难度明显增大。研究发现，在钢结构材料表面喷涂防火涂料是一种有效提升钢结构火灾安全性的方法。
目前，市场中钢结构防火涂料选用的防火填料大多与基体的相容性很差，少量添加火灾防护效果不理想，大量添加涂料基体的基本性能严重恶化，甚至缺失了最基本的附着性能和防腐蚀性能。因此，研究一种与涂料基体相容性好的防火填料，在大量添加的情况下既能保证防火性能，又能兼具涂料本身的机械性能和防护性能，是一个亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种水性防火涂料的制备方法，该水性防火涂料具有良好的防火性能、附着性能以及防腐蚀性能。
为实现上述目的，本发明提供的水性防火涂料的制备方法，包括以下步骤。
步骤1、水凝胶包覆热活化聚磷酸铵的制备。
a.将100-500g聚磷酸铵放入瓷舟中，聚磷酸铵粉体在瓷舟中的厚度为1-5mm，再将瓷舟放入反应釜中，同时在瓷舟旁放置一个烧杯，向烧杯中加入10-50mL浓硫酸，在200-250℃条件下高温处理5-10h，冷却至室温，先用无水乙醇洗涤1-3次，再用蒸馏水洗涤1-2次，在40-60℃下干燥15-20h，制得热活化的聚磷酸铵。
b.将5-10g聚乙烯醇添加到装有100mL去离子水的烧杯中，在80-100℃条件下机械搅拌15-30min，搅拌转速为500-1000转/分钟；搅拌结束，将溶液冷却至15-25℃，用0.5-1mol/L的碳酸钠水溶液，调节溶液pH值到8-9，称取1-3g三聚氰胺、2-5mL质量分数为37％的甲醛溶液加入到溶液中，升高温度至50-70℃，反应10-15min，后向体系中加入10-30g热活化聚磷酸铵；再用0.05-0.1mol/L的盐酸水溶液调节体系pH至3-5，继续反应1-3h，既得低交联度的水凝胶包覆热活化聚磷酸铵溶液。
c.将上述低交联度的水凝胶包覆热活化聚磷酸铵溶液放置在零下20-30℃环境中，冷冻24-48h，再将其在室温下解冻；后对溶液进行辐射处理，辐射剂量为10-30kGy，辐射速率为1-5kGy/h，辐射时间为10-25min；将产物抽滤，在30-60℃下真空干燥10-20h，既得水凝胶包覆热活化聚磷酸铵。
步骤2、水性防火涂料的制备。
(1)将50-100g水凝胶包覆热活化聚磷酸铵在球磨机中球磨10-15h，球磨后粉料目数为50-100目。
(2)将各原料放置在容器中，机械搅拌共混10-30min，搅拌转速为100-200转/分钟，原料的添加量及加料顺序为：水性涂料基体25-40g，去离子水1-8g，水凝胶包覆热活化聚磷酸铵30-55g，防腐填料10-15g，水性涂料固化剂5-10g，搅拌共混1-5h，制得水性防火涂。
所述的聚磷酸铵为聚合度大于1000的Ⅱ型聚磷酸铵。
所述的聚乙烯醇为聚乙烯醇1799、聚乙烯醇1788、聚乙烯醇1778或聚乙烯醇0588。
所述水性涂料基体是水性环氧树脂和水性丙烯酸树脂中的一种树脂或两种树脂任意比例混合，所述的重量比优选为m(水性环氧树脂)：m(水性丙烯酸树脂)＝1:3。
所述防腐填料为介孔二氧化钛、三聚磷酸铝中的一种。
所述水性涂料固化剂为三乙烯四胺、二亚乙基三胺、氨基树脂中的一种。
所述的氨基树脂为甲醚化氨基树脂、丁醚化氨基树脂、甲醇-乙醇混合醚化氨基树脂中的一种。
本发明的显著效果。
本发明公开了一种水性防火涂料及其制备方法，该复合型水性防火涂料由水凝胶包覆热活化聚磷酸铵和水性涂料基体以及其他涂料助剂复合而成。本发明采用聚乙烯醇水凝胶为包覆“壳材”，热活化的聚磷酸铵为“核材”，两者包覆过程可形成氢键，包覆稳定，并且聚乙烯醇分子结构中的碳骨架与羟基在受热时可为热活化聚磷酸铵提供大量的碳炭，促进涂层基体成炭，大幅度提升涂料的防火性能。
本发明的水凝胶包覆热活化聚磷酸铵是一种具有稳定壳-核结构的阻燃剂填料，可以与水性涂料基体很好的相容，是一种能在水相中分散均匀的阻燃填料，可在水性涂料中大量添加，与传统阻燃填料相比添加量可提升30％，并且水凝胶包覆热活化聚磷酸铵与水性涂料树脂都具有很好的亲水性，所以涂料成膜性、力学性能不会被损害，以此保证了涂料基本的附着性能和防腐性能。本发明采用的水凝胶包覆热活化聚磷酸铵制备成本低廉，该阻燃填料的大量添加可减少涂料基体树脂的用量，节约涂料10-20％的生产成本。本发明适用于生产生活的多个领域，如：钢结构屋架、彩钢活动房、钢结屋顶等。
附图说明
图1.水凝胶包覆热活化聚磷酸铵制备机理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做详细的说明。
实施例1。
(1)水凝胶包覆热活化聚磷酸铵制备：
a.将500gⅡ型聚磷酸铵(聚合度为5000)放入瓷舟中，聚磷酸铵粉体在瓷舟中的厚度为5mm，再将瓷舟放入反应釜中，同时在瓷舟旁放置一个烧杯，向烧杯中加入50mL浓硫酸，在250℃条件下高温处理10h，冷却至室温，先用无水乙醇洗涤3次，再用蒸馏水洗涤2次，在60℃下干燥20h，制得热活化的聚磷酸铵。
b.将10g聚乙烯醇添加到装有100mL去离子水的烧杯中，在100℃条件下机械搅拌30min，搅拌转速为1000转/分钟；搅拌结束，将溶液冷却至25℃，用1mol/L的碳酸钠水溶液，调节溶液pH值到9，称取3g三聚氰胺、5mL质量分数为37％的甲醛溶液加入到溶液中，升高温度至,70℃，反应15min，后向体系中加入30g热活化聚磷酸铵；再用0.1mol/L的盐酸水溶液调节体系pH至5，继续反应3h，既得低交联度的水凝胶包覆热活化聚磷酸铵溶液。
c.将上述低交联度的水凝胶包覆热活化聚磷酸铵溶液放置在零下30℃环境中，冷冻48h，再将其在室温下解冻；后对溶液进行辐射处理，辐射剂量为30kGy，辐射速率为5kGy/h，辐射时间为25min；将产物抽滤，在60℃下真空干燥20h，既得水凝胶包覆热活化聚磷酸铵。
(2)水性防火涂料制备：
a.将100g水凝胶包覆热活化聚磷酸铵在球磨机中球磨12h。
b.将35g水性丙烯酸树脂放置在容器中，打开机械搅拌，搅拌转速为120转/分钟，搅拌50min。
c.按照以下添加顺序和添加量将填料加入水性涂料中，添加顺序以及添加份数如下：去离子水5g，球磨后的水凝胶包覆热活化聚磷酸铵30g，介孔二氧化钛10g，固化剂三乙烯四胺8g，搅拌共混时间为2h。
实施例2。
(1)水凝胶包覆热活化聚磷酸铵制备：
a.将500gⅡ型聚磷酸铵(聚合度为5000)放入瓷舟中，聚磷酸铵粉体在瓷舟中的厚度为5mm，再将瓷舟放入反应釜中，同时在瓷舟旁放置一个烧杯，向烧杯中加入50mL浓硫酸，在250℃条件下高温处理10h，冷却至室温，先用无水乙醇洗涤3次，再用蒸馏水洗涤2次，在60℃下干燥20h，制得热活化的聚磷酸铵。
b.将10g聚乙烯醇添加到装有100mL去离子水的烧杯中，在100℃条件下机械搅拌30min，搅拌转速为1000转/分钟；搅拌结束，将溶液冷却至25℃，用1mol/L的碳酸钠水溶液，调节溶液pH值到9，称取3g三聚氰胺、5mL质量分数为37％的甲醛溶液加入到溶液中，升高温度至,70℃，反应15min，后向体系中加入30g热活化聚磷酸铵；再用0.1mol/L的盐酸水溶液调节体系pH至5，继续反应3h，既得低交联度的水凝胶包覆热活化聚磷酸铵溶液。
c.将上述低交联度的水凝胶包覆热活化聚磷酸铵溶液放置在零下30℃环境中，冷冻48h，再将其在室温下解冻；后对溶液进行辐射处理，辐射剂量为30kGy，辐射速率为5kGy/h，辐射时间为25min；将产物抽滤，在60℃下真空干燥20h，既得水凝胶包覆热活化聚磷酸铵。
(2)水性防火涂料制备：
a.将100g水凝胶包覆热活化聚磷酸铵在球磨机中球磨12h。
b.将35g水性丙烯酸树脂放置在容器中，打开机械搅拌，搅拌转速为120转/分钟，搅拌50min。
c.按照以下添加顺序和添加量将填料加入水性涂料中，添加顺序以及添加份数如下：去离子水5g，球磨后的水凝胶包覆热活化聚磷酸铵55g，介孔二氧化钛10g，固化剂三乙烯四胺8g，搅拌共混时间为2h。
对比例1。
未采用水凝胶包覆热活化聚磷酸铵。
水性涂料制备：a.将30份水性涂料基体放置在容器中，打开机械搅拌，搅拌转速为120转/分钟，搅拌50min。
b.按照以下添加顺序和添加量将填料加入水性涂料中，添加顺序以及添加份数如下：去离子水5g，介孔二氧化钛10g，固化剂三乙烯四胺8g，搅拌共混时间为2h。
对比例2。
采用未改性的聚磷酸铵。
a.将30g聚磷酸铵在球磨机中球磨12h。
b.将35g水性丙烯酸树脂放置在容器中，打开机械搅拌，搅拌转速为120转/分钟，搅拌50min。
c.按照以下添加顺序和添加量将填料加入水性涂料中，添加顺序以及添加份数如下：去离子水5g，球磨后的聚磷酸铵55g，介孔二氧化钛10g，固化剂三乙烯四胺8g，搅拌共混时间为2h。
对比例3。
水凝胶包覆未活化的聚磷酸铵。
(1)水凝胶包覆聚磷酸铵制备：
a.将10g聚乙烯醇添加到装有100mL去离子水的烧杯中，在100℃条件下机械搅拌30min，搅拌转速为1000转/分钟；搅拌结束，将溶液冷却至25℃，用1mol/L的碳酸钠水溶液，调节溶液pH值到9，称取3g三聚氰胺、5mL质量分数为37％的甲醛溶液加入到溶液中，升高温度至70℃，反应15min，后向体系中加入30g聚磷酸铵；再用0.1mol/L的盐酸水溶液调节体系pH至5，继续反应3h，既得低交联度的水凝胶包覆聚磷酸铵溶液。
b.将上述低交联度的水凝胶包覆聚磷酸铵溶液放置在零下30℃环境中，冷冻48h，再将其在室温下解冻；后对溶液进行辐射处理，辐射剂量为30kGy，辐射速率为5kGy/h，辐射时间为25min；将产物抽滤，在60℃下真空干燥20h，既得水凝胶包覆聚磷酸铵。
(2)水性防火涂料制备：
a.将100g水凝胶包覆聚磷酸铵在球磨机中球磨12h。
b.将35g水性丙烯酸树脂放置在容器中，打开机械搅拌，搅拌转速为120转/分钟，搅拌50min。
c.按照以下添加顺序和添加量将填料加入水性涂料中，添加顺序以及添加份数如下：去离子水5g，球磨后的水凝胶包覆聚磷酸铵55g，介孔二氧化钛10g，固化剂三乙烯四胺8g，搅拌共混时间为2h。
对比例4。
水凝胶包覆活化聚磷酸铵(非Ⅱ型的)。
(1)水凝胶包覆热活化聚磷酸铵制备：
a.将500gⅠ型聚磷酸铵(聚合度n<100)放入瓷舟中，聚磷酸铵粉体在瓷舟中的厚度为5mm，再将瓷舟放入反应釜中，同时在瓷舟旁放置一个烧杯，向烧杯中加入50mL浓硫酸，在250℃条件下高温处理10h，冷却至室温，先用无水乙醇洗涤3次，再用蒸馏水洗涤2次，在60℃下干燥20h，制得热活化的聚磷酸铵。
b.将10g聚乙烯醇添加到装有100mL去离子水的烧杯中，在100℃条件下机械搅拌30min，搅拌转速为1000转/分钟；搅拌结束，将溶液冷却至25℃，用1mol/L的碳酸钠水溶液，调节溶液pH值到9，称取3g三聚氰胺、5mL质量分数为37％的甲醛溶液加入到溶液中，升高温度至,70℃，反应15min，后向体系中加入30g热活化聚磷酸铵；再用0.1mol/L的盐酸水溶液调节体系pH至5，继续反应3h，既得低交联度的水凝胶包覆热活化聚磷酸铵溶液。
c.将上述低交联度的水凝胶包覆热活化聚磷酸铵溶液放置在零下30℃环境中，冷冻48h，再将其在室温下解冻；后对溶液进行辐射处理，辐射剂量为30kGy，辐射速率为5kGy/h，辐射时间为25min；将产物抽滤，在60℃下真空干燥20h，既得水凝胶包覆热活化聚磷酸铵。
(2)水性防火涂料制备：
a.将100g水凝胶包覆热活化聚磷酸铵在球磨机中球磨12h。
b.将35g水性丙烯酸树脂放置在容器中，打开机械搅拌，搅拌转速为120转/分钟，搅拌50min。
c.按照以下添加顺序和添加量将填料加入水性涂料中，添加顺序以及添加份数如下：去离子水5g，球磨后的水凝胶包覆热活化聚磷酸铵55g，介孔二氧化钛10g，固化剂三乙烯四胺8g，搅拌共混时间为2h。
一、对本发明实施例和对比例进行性能测试，测试数据见表1。
表1 3个实施例和4个对比例性能测试数据。
Claims (8)
1.一种水性防火涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、水凝胶包覆热活化聚磷酸氨的制备。
a.将100-500g聚磷酸铵放入瓷舟中，聚磷酸铵粉体在瓷舟中的厚度为1-5mm，再将瓷舟放入反应釜中，同时在瓷舟旁放置一个烧杯，向烧杯中加入10-50mL浓硫酸，在200-250℃条件下高温处理5-10h，冷却至室温，先用无水乙醇洗涤1-3次，再用蒸馏水洗涤1-2次，在40-60℃下干燥15-20h，制得热活化的聚磷酸铵；
b.将5-10g聚乙烯醇添加到装有100mL去离子水的烧杯中，在80-100℃条件下机械搅拌15-30min，搅拌转速为500-1000转/分钟；搅拌结束，将溶液冷却至15-25℃，用0.5-1mol/L的碳酸钠水溶液，调节溶液pH值到8-9，称取1-3g三聚氰胺、2-5mL质量分数为37％的甲醛溶液加入到溶液中，升高温度至50-70℃，反应10-15min，后向体系中加入10-30g热活化聚磷酸铵；再用0.05-0.1mol/L的盐酸水溶液调节体系pH至3-5，继续反应1-3h，既得低交联度的水凝胶包覆热活化聚磷酸铵溶液；
c.将上述低交联度的水凝胶包覆热活化聚磷酸铵溶液放置在零下20-30℃环境中，冷冻24-48h，再将其在室温下解冻；后对溶液进行辐射处理，辐射剂量为10-30kGy，辐射速率为1-5kGy/h，辐射时间为10-25min；将产物抽滤，在30-60℃下真空干燥10-20h，既得水凝胶包覆热活化聚磷酸铵；
步骤2、水性防火涂料的制备。
(1)将50-100g水凝胶包覆热活化聚磷酸铵在球磨机中球磨10-15h，球磨后粉料目数为50-100目；
(2)将各原料放置在容器中，机械搅拌共混10-30min，搅拌转速为100-200转/分钟，原料的添加量及加料顺序为：水性涂料基体25-40g，去离子水1-8g，水凝胶包覆热活化聚磷酸铵30-55g，防腐填料10-15g，水性涂料固化剂5-10g，搅拌共混1-5h，制得水性防火涂。
2.如权利要求1所述的水性防火涂料的制备方法，其特征在于，所述的聚磷酸铵为聚合度大于1000的Ⅱ型聚磷酸铵。
3.如权利要求1所述的水性防火涂料的制备方法，其特征在于，所述的聚乙烯醇为聚乙烯醇1799、聚乙烯醇1788、聚乙烯醇1778和聚乙烯醇0588。
4.如权利要求1所述的水性防火涂料的制备方法，其特征在于，所述水性涂料基体是水性环氧树脂和水性丙烯酸树脂中的一种树脂或两种树脂任意比例混合。
5.如权利要求1所述的水性防火涂料的制备方法，其特征在于，所述的重量比优选为m(水性环氧树脂)：m(水性丙烯酸树脂)＝1:3。
6.如权利要求1所述的水性防火涂料的制备方法，其特征在于，所述防腐填料为介孔为氧化钛、三聚磷酸铝中的一种。
7.权利要求1所述的水性防火涂料的制备方法，其特征在于，所述水性涂料固化剂为三乙烯四胺、二亚乙基三胺、氨基树脂中的一种。
8.权利要求7所述的水性防火涂料的制备方法，其特征在于，所述的氨基树脂为甲醚化氨基树脂、丁醚化氨基树脂、甲醇-乙醇混合醚化氨基树脂中的一种。
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