CN110564295A - 一种硅基超薄防火涂层材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种硅基超薄防火涂层材料及制备方法，属于防火涂料技术领域，能够解决现有钢结构用防火涂料耐热性差、受热时释放有害气体的缺点。该硅基超薄防火涂层材料包含的原料组分及重量分数为：聚二甲基硅氧烷40‑50％；四烷氧基硅烷0‑3％，甲基三烷氧基硅烷2‑5％，氨丙基三乙氧基硅烷0.5‑2％，催化剂0.1‑0.5％，膨胀型石墨5‑30％，其它助剂1‑5％及适量溶剂。本发明所提供的硅基超薄防火涂层材料自身耐热性好，受热时体积膨胀大，具有优异的防火隔热性能，与钢结构具有良好的粘结性能，且该防火涂层材料的制备工艺简单，成本低廉，具有良好的经济价值。

Description

一种硅基超薄防火涂层材料及制备方法

技术领域

本发明涉及防火涂料技术领域，特别涉及一种钢结构用硅基超薄防火涂层材料及制备方法。

背景技术

钢结构建筑强度高、抗震性好，且设计灵活、施工方便，因此应用广泛。但也存在耐火极限低且易于生锈腐蚀等明显缺陷，尤其是在火场或温度高于500℃的条件下，钢结构的力学性能急剧下降，引起钢结构的破坏，造成人员伤亡及经济损失，因此在使用之前必须对钢结构进行涂装保护。

根据防火机理的不同，防火涂料可分为非膨胀型和膨胀型两种，非膨胀型防火涂料主要由不燃性基料、无机填料和阻燃剂等组分组成高温情况下通过一系列的物化反应吸收热量，材料熔融后在表面形成无机釉状保护层，隔绝空气与基材，起到保护作用，通常需要较厚的涂层(参见李博等，《化工新型材料》，2018，46：227)。膨胀型防火涂料通过在温度升高时发生的碳化反应、分解的难燃气体以及形成的蜂窝状碳材料，发挥隔热和隔质的作用，从而起到防火效果(参见杨志国，《当代化工》，2017,46：1923)。相比之下，由于膨胀型防火涂料可做成薄型和超薄型防火涂层，且施工方便，与基材的粘结性能较好，应用更为广泛。尤其是含有磷(聚磷酸铵)-碳(季戊四醇)-氮(三聚氰胺)组分的有机膨胀型防火涂料，广泛应用于室内外各种钢结构建筑(参见赵潘宇等，《涂层与防护》，2018,39：44)。

但是，这种有机膨胀型防火涂料也有其缺点(参见Gardelle B.等，《聚合物降解与稳定性》，2013,98:1052)：包括(1)防火涂料中的有机组分受热分解时常常会放热，类似于燃烧，降低了体系的热绝缘值；(2)形成的碳质蜂窝砖结构常常缺少结构的完整性，涂层难以禁受火焰冲击产生的机械应力，导致从金属表面脱落；(3)有机涂层释放的有机气体通常是有毒的，尤其在封闭的火灾环境中危害更大。因此，许多研究致力于在满足防火效果的基础上来改善这些缺点，提高其环境友好性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供一种钢结构用防火涂层材料及制备方法，依据该方法制备的硅基超薄防火涂层材料具有受热时膨胀速度快、体积膨胀倍数大的特点，具有良好的防火、阻燃、隔热效果，且在受热过程中没有毒性其他释放。

本发明提供了一种硅基超薄防火涂层材料及制备方法，其特征在于，包扩如下重量分数的组分：

聚二甲基硅氧烷：40-50％；

四烷氧基硅烷：0-3％；

甲基三烷氧基硅烷：2-5％；

氨丙基三乙氧基硅烷：0.5-2％；

催化剂：0.1-0.5％；

膨胀型石墨：5-30％；

其它助剂：1-5％；

溶剂：余量；

优选的，聚二甲基硅氧烷为端羟基聚二甲基硅氧烷，粘度在5000-20000cS之间。

可选的，四烷氧基硅烷为正硅酸甲酯和正硅酸乙酯中的至少一种。

可选的，甲基三烷氧基硅烷为甲基三甲氧基硅烷和甲基四烷氧基硅烷中的至少一种。

可选的，催化剂为聚钛酸丁酯或二月桂酸二丁基锡中的至少一种。

优选的，所述的膨胀型石墨的尺寸在50-500μm之间。

可选的，其它助剂包括氢氧化铝、氢氧化镁等辅助性试剂。

可选的，溶剂为乙醇、煤油、石油醚中的至少一种。

一种硅基超薄防火涂层材料及制备方法包括以下步骤：首先将聚二甲基硅氧烷、烷氧基硅烷分散于溶剂中，形成混合溶液；将混合溶液、膨胀型石墨和其它助剂逐步加入球磨机，分散，最后加入催化剂，得到硅基超薄防火涂层材料。

一种由上述方法所述的硅基超薄防火涂层材料及制备方法所制备得到的硅基超薄防火涂层材料。

本发明提供了一种硅基超薄防火涂层材料及制备方法，具有以下有益效果：

(1)本发明利用硅酮作为粘结基体，除了具备常规有机树脂所具有的粘结性能之外，具有突出的耐热性，且在受热后转化为耐温性更好的氧化硅和碳化硅，以其为粘合剂的防火涂料无疑将具有更佳的耐温性。

(2)以多官能度硅烷单体作为交联剂，一方面可以通过功能性硅烷单体与金属表面的羟基反应提高与基材的粘合力，另一方面，可以通过聚二甲基硅氧烷的分子大小、与多官能度硅烷单体的相对比例来调控涂层的交联密度，涂层的物化性质容易调控。反应过程无需加热等附加工艺，在室温、空气氛围下可以交联固化，便于施工。

(3)以膨胀型石墨作为膨胀试剂和耐热骨架材料，克服了单纯硅基涂层在高温下易于开裂的缺点，而且通过石墨片层在受热下沿c-轴的运动，使得含有膨胀型石墨的涂层在受热时能够快速膨胀，膨胀速率达到18％/s，体积膨胀可达原来的50倍以上，从而使其具有良好的防火、阻燃、隔热效果，导热系数最低可达0.2W/(m K),耐火极限可达120分钟以上。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种硅基超薄防火涂层材料及制备方法，包含如下含量的组分：聚二甲基硅氧烷：40-50％；四烷氧基硅烷：0-3％；甲基三烷氧基硅烷：2-5％；氨丙基三乙氧基硅烷：0.5-2％；催化剂：0.1-0.5％；膨胀型石墨：5-30％；其它助剂：1-5％；溶剂：余量。通过聚二甲基硅氧烷和多官能度硅烷单体的反应构建交联网络，并通过它们之间的相对含量调节交联密度。膨胀型石墨烯的引入一方面克服了单纯硅基防火涂层高温时易于开裂的缺点，另一方面通过受热膨胀以及与硅基材料的协同作用，提供更加优异的防火、隔热、抑烟效果。

在本发明的一实施例中，所述聚二甲基硅氧烷为端羟基聚二甲基硅氧烷，粘度在5000-20000cS之间。端羟基为与多官能度硅烷单体的交联反应提供可能，可以通过烷氧基和硅醇间的缩合反应形成共价键连接，使整个防护涂层成为一个整体。聚二甲基硅氧烷的粘度有其分子量决定，也就是说由其分子链长决定，粘度大，分子链长，形成交联结构后交联点间的距离长，交联密度小，涂层硬度降低而韧性提高，因此采用不同粘度的聚二甲基硅氧烷所制备得到的涂层的物化性质也会不同。另一方面，聚二甲基硅氧烷的粘度对涂料各组分间的混合以及在金属表面的涂覆也有一定的影响。在本实施例中，聚二甲基硅氧烷的粘度在5000-20000cS之间时，可以满足使用要求。

在本发明一实施例中，四烷氧基硅烷为正硅酸甲酯和正硅酸乙酯中的至少一种。四烷氧基硅烷含有四个可反应基团，可以与最多四个硅醇基团发生反应，形成网状结构，同时释放出甲醇或乙醇。其含量越多，交联的密度越大，所形成的的涂层越硬而脆。相比之下，正硅酸甲酯中甲氧基尺寸更小，反应活性更高。

在本发明的一实施例中，所述甲基三烷氧基硅烷为甲基三甲氧基硅烷和甲基四烷氧基硅烷中的至少一种。甲基三烷氧基硅烷含有三个可反应基团，与端羟基聚二硅氧烷反应也可以生成体型结构。与四烷氧基硅烷相比，在相同用量的情况下，交联密度较低。相比之下，甲基三甲氧基硅烷的活性较高，反应副产物是甲醇，而甲基三乙氧基硅烷反应活性略有降低，缩聚反应副产物是乙醇。在本实施例中，无论是采用甲基三甲氧基硅烷还是甲基三乙氧基硅烷，均可以满足要求。

在本发明的一实施例中，所述催化剂为聚钛酸丁酯或二月桂酸二丁基锡中的至少一种。以上两种催化剂均可以催化硅烷的水解缩聚反应，只是反应速率略有不同，使用者可根据实际情况加以选用。

在本发明的一实施例中，所述膨胀型石墨的尺寸在50-500μm之间。石墨具有片层结构，在受热时片层沿c轴运动，可以使其体积膨胀到原来的50倍以上，为防火涂层提供中空网络结构，降低涂层的导热率，阻止火焰和温度的传递。研究发现，当石墨与粘结树脂间发生协同作用时，防火效果更佳。因此，合适的配比以及石墨和硅基树脂间的相互作用促进了它们间的协同作用，当膨胀型石墨的尺寸在50-500μm之间时，能够达到较好的防火效果。

在本发明的一实施例中，所述其它助剂包括氢氧化铝、氢氧化镁等辅助性试剂。一方面氢氧化铝、氢氧化镁在受热时会产生部分的水蒸气，有一定的致孔作用，辅助石墨膨胀，会形成更加完善的孔结构。另一方面，氢氧化铝、氢氧化镁高温下变成氧化铝、氧化镁，分布在涂层中，与氧化硅、碳化硅间发生作用，提高涂层材料的耐热性。

在本发明的一实施例中，所述溶剂为乙醇、煤油、石油醚中的至少一种。溶剂的加入主要是为了提高材料的分散性和涂刷的均匀性。如要制备超薄防火涂层，需要采用较低粘度的溶剂。另外，所涉及的三种溶剂均为无毒、无色、无味溶剂，具有不同的挥发性，使用者可根据实际情况选用。

本发明还提供了一种硅基超薄防火涂层材料的制备方法，包括以下步骤：首先将聚二甲基硅氧烷、烷氧基硅烷分散于溶剂中，形成混合溶液；将混合溶液、膨胀型石墨和其它助剂逐步加入球磨机，分散，最后加入催化剂，得到硅基超薄防火涂层材料。

本发明还提供了一种由上述技术方案所述的硅基超薄防火涂层材料的制备方法所制备得到的硅基超薄防火涂层材料。所制备的硅基超薄防火涂层材料具有受热膨胀速度快、膨胀体积大、导热系数低和防火效果好的特点，适合用于钢结构防火涂层领域。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，以下将结合具体实施例对本发明产品作进一步详细的说明。

实施例一

将40g聚二甲基硅氧烷、2g甲基三乙氧基硅烷分散于50g乙醇中，形成混合溶液1；将混合溶液1、5g膨胀型石墨和1g氢氧化铝逐步加入球磨机，分散，然后加入0.5g聚钛酸丁酯，混匀得到硅基超薄防火涂层材料1。

实施例二

将50g聚二甲基硅氧烷、1g正硅酸乙酯、5g甲基三甲氧基硅烷分散于80g石油醚中，形成混合溶液2；将混合溶液2、30g膨胀型石墨和5g氢氧化铝逐步加入球磨机，分散，然后加入0.1g二月桂酸二丁基锡，混匀得到硅基超薄防火涂层材料2。

实施例三

将45g聚二甲基硅氧烷、1g正硅酸乙酯、3g甲基三乙氧基硅烷分散于60g煤油中，形成混合溶液3；将混合溶液3、20g膨胀型石墨和3g氢氧化镁逐步加入球磨机，分散，然后加入0.3g二月桂酸二丁基锡，混匀得到硅基超薄防火涂层材料3。

通过具体实验对比，得知本发明的使用效果：

综上所述，本发明提供了一种硅基超薄防火涂层材料及制备方法，该方法工艺简单，成本低廉。通过该方法制备得到的硅基超薄防火涂层材料具有良好的防火、阻燃、隔热效果，导热系数最低可达0.2W/(m K),耐火极限可达120分钟以上。

Claims (10)

1.一种硅基超薄防火涂层材料及制备方法，其特征在于，包扩如下重量分数的组分：

聚二甲基硅氧烷：40-50％；

四烷氧基硅烷：0-3％；

甲基三烷氧基硅烷：2-5％；

氨丙基三乙氧基硅烷：0.5-2％；

催化剂：0.1-0.5％；

膨胀型石墨：5-30％；

其它助剂：1-5％；

溶剂：余量。

2.根据权利要求1所述的一种硅基超薄防火涂层材料及制备方法，其特征在于，聚二甲基硅氧烷为端羟基聚二甲基硅氧烷，粘度在5000-20000cS之间。

3.根据权利要求1所述的一种硅基超薄防火涂层材料及制备方法，四烷氧基硅烷为正硅酸甲酯和正硅酸乙酯中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的一种硅基超薄防火涂层材料及制备方法，其特征在于，甲基三烷氧基硅烷为甲基三甲氧基硅烷和甲基四烷氧基硅烷中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的一种硅基超薄防火涂层材料及制备方法，其特征在于，催化剂为聚钛酸丁酯或二月桂酸二丁基锡中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的一种硅基超薄防火涂层材料及制备方法，其特征在于，膨胀型石墨的尺寸在50-500μm之间。

7.根据权利要求1所述的一种硅基超薄防火涂层材料及制备方法，其特征在于，其它助剂包括氢氧化铝、氢氧化镁等辅助性试剂。

8.根据权利要求1所述的一种硅基超薄防火涂层材料及制备方法，其特征在于，溶剂为乙醇、煤油、石油醚中的至少一种。

9.根据权利要求1-8所述的一种硅基超薄防火涂层材料及制备方法，其特征在于，包括以下步骤：首先将聚二甲基硅氧烷、烷氧基硅烷分散于溶剂中，形成混合溶液；将混合溶液、膨胀型石墨和其它助剂逐步加入球磨机，分散，最后加入催化剂，得到硅基超薄防火涂层材料。

10.根据权利要求1-9所述的一种硅基超薄防火涂层材料的制备方法所制备得到的硅基超薄防火涂层材料。