CN112322167A - 一种膨胀型钢结构防火涂料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种膨胀型钢结构防火涂料，属于高分子材料领域，所述产品包括以下质量分数的组分：20～40％水性基料树脂乳液、31～40％膨胀型阻燃剂、5～10％无机填料、0.2～1％纤维填料、1～3％粘结剂、1～3％助剂及余量水；所述膨胀型阻燃剂包括改性聚磷酸铵、三嗪类成炭剂和可膨胀石墨。所述产品以改性聚磷酸铵、三嗪类成炭剂和可膨胀石墨代替传统的聚磷酸铵、季戊四醇和三聚氰胺作为阻燃剂成分，在合理搭配其他功效成分后，不仅可保持传统防火涂料的阻燃效果，其耐水及耐热效率明显提高，可用于更加严格环境下的钢结构防护中。本发明还提供了所述膨胀型钢结构防火涂料的制备方法。该方法操作步骤简单，可实现工业化大规模生产。

Description

一种膨胀型钢结构防火涂料
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，具体涉及一种膨胀型钢结构防火涂料。
背景技术
在火灾发生时，承重的钢铁构件会因为环境的高温高热而失去承载能力，导致建筑物的坍塌。而钢结构防火涂料，可以通过受热时产生大量具有隔热隔氧的泡沫碳层，降低了钢铁构件的升温速率，延缓建筑物的坍塌，为消防救援争取了时间。
目前市面上常规的膨胀型阻燃剂由聚磷酸铵、季戊四醇和三聚氰胺组成，一般具有非常好的防火效果。但是，这三种原料的耐水性都比较差，在室外应用中容易出现析出、起皱和鼓泡等现象，而在国标检测中，这些阻燃剂的耐水测试通过率也普遍较低。
发明内容
基于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有高耐水性以及高隔热效率的膨胀型钢结构防火涂料，该材料可有效防止现有材料在耐水耐候过程中产生的析出、起皱以及鼓泡问题。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种膨胀型钢结构防火涂料，包括以下质量分数的组分：20～40％水性基料树脂乳液、31～40％膨胀型阻燃剂、5～10％无机填料、0.2～1％纤维填料、1～3％粘结剂、1～3％助剂及余量水；所述膨胀型阻燃剂包括改性聚磷酸铵、三嗪类成炭剂和可膨胀石墨。
本发明通过加入特定组分及含量的膨胀型阻燃剂，其目的是在有效提高材料的防火性能的同时，保持涂料的力学粘性：(1)膨胀型阻燃剂一般由酸源、碳源、气源组成。火灾发生时，酸源能够提供酸性催化剂与碳源进行酯化成碳反应，同时气源提供惰性气体使碳层膨胀，三者结合形成膨胀型隔热隔氧的碳层。本发明所述膨胀型阻燃剂中，改性聚磷酸铵在受热时，能够分解形成磷酸、聚磷酸等酸性物质与成炭剂发生反应形成碳层，同时释放出少量的氨气；三嗪类成炭剂在受热时熔融，并与改性聚磷酸铵分解出的酸性物质进行酯化成碳反应，同时释放除少量的氮氧化合物气体(氮气、氨气等)；可膨胀石墨在受热时膨胀，体积增大至原来的100～300倍，固体残留物主要为难燃的碳，气体挥发物主要为惰性气体(二氧化硫、二氧化碳等)。(2)若膨胀型阻燃剂含量过多，则容易导致涂料粘结力变差；含量过少则无法保证涂料的防火性能。
本发明所提供的膨胀型钢结构防火涂料，以改性聚磷酸铵、三嗪类成炭剂和可膨胀石墨代替传统的聚磷酸铵、季戊四醇和三聚氰胺作为阻燃剂成分，在合理搭配其他功效成分后，不仅可保持传统防火涂料的阻燃效果，其耐水及耐热效率明显提高，可用于更加严格环境下的钢结构防护中。
优选地，所述膨胀型阻燃剂中改性聚磷酸铵、三嗪类成炭剂和可膨胀石墨的质量比为改性聚磷酸铵：三嗪类成炭剂：可膨胀石墨＝3.5～4.5:0.5～1.5:1.5～2.5。改性聚磷酸铵的用量过大，会导致涂料成本过高，产生多余的酸不能完全反应，达不到理想的防火效果；若添加量过低，酯化反应不完全，碳层致密度降低，导致防火效果下降。三嗪类成炭剂主要与改性聚磷酸铵反应，用量增多或者减少都会影响碳层的致密度，降低防火效果。增加可膨胀石墨的用量，受热时形成的碳层会变得疏松，发泡倍率增大，碳层强度低，容易被火灾中的气流冲散，最终导致防火效果大大变低；若降低膨胀石墨的用量，则膨胀倍率不够，形成的碳层隔热隔氧效果差，防火效果降低。通过所述比例复配的膨胀型阻燃剂其在使用过程中的耐热性及耐水性具有显著提高。更优选地，所述膨胀型阻燃剂中改性聚磷酸铵、三嗪类成炭剂和可膨胀石墨的质量比为改性聚磷酸铵：三嗪类成炭剂：可膨胀石墨＝4:1:2。在此配比下制备得到的膨胀型钢结构防火涂料其综合性能最佳。
优选地，所述改性聚磷酸铵为包覆层包覆改性后的Ⅱ型聚磷酸铵，所述包覆层包括三聚氰胺甲醛树脂、环氧树脂和硅烷中的至少一种。聚磷酸铵的分子结构中，存在着少量不稳定的分子基团，如低聚的小分子、未氨化的羟基等。这些分子容易在涂料生产过程或者在应用过程中容易受到其它化学物质(水分、盐雾、酸碱等)的攻击，部分聚磷酸铵可能出现断链、降解的情况，导致涂料在存储过程中变稠或者分层，在应用中可能出现析出、脱落等不良现象。经过改性包覆后，聚磷酸铵的分子结构多了一层惰性物质(硅烷、交联树脂)的保护，避免了出现上述的问题。
优选地，所述三嗪类成炭剂包括N,N-双(甲氧基乙基)-1,3,5三嗪、N-吗啉代-1,3,5-三嗪、1-N-羟乙基-4-吗啉代-6-氨基-1,3,5-三嗪、2-N,N-二(羟乙基)-4,6-吗啉代-1,3,5-三嗪、2,6-双(N-甲基-N-羟乙基)-4-吗啉代-1,3,5-三嗪、2-N-叔丁基-4-吗啉代-1,3,5-三嗪、2-N-烯丙基-4-吗啉代-6-氨基-1,3,5-三嗪中至少一种。
优选地，所述可膨胀石墨的平均粒径为50～80μm，膨胀容积为180～350mL/g。
优选地，所述水性基料树脂乳液包括水性聚氨酯乳液、水性环氧树脂乳液和水性丙烯酸酯乳液中的至少一种。
优选地，所述无机填料包括硅酸铝、膨润土、硼酸锌、高岭土、氢氧化铝、二氧化锆、硫酸钡中的至少一种。
优选地，所述纤维填料包括碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维、氧化锆纤维中的至少一种；所述纤维填料的长度为1.3～1.8mm。
优选地，所述粘结剂包括磷酸铝、磷酸二氢铝、硅溶胶中的至少一种。
优选地，所述助剂包括增稠剂、润湿分散剂和pH调节剂。
本发明的另一目的还在于提供了所述膨胀型钢结构防火涂料的制备方法，所述制备方法为：将部分水性基料树脂乳液和水混合后，依次加入助剂、无机填料、粘结剂、膨胀型阻燃剂和纤维填料后，再加入余量水性基料树脂乳液和水并搅拌均匀后，即得所述膨胀型钢结构防火涂料。
所述水性基料树脂乳液及水首先混合后作为载体，依次加入各种组分，再以剩余载体进行整体混合，可使所述涂料各组分充分混合；所述载体根据实际混合情况进行先后添加，而不是按特定比例添加或一次性加入。
本发明所述膨胀型钢结构防火涂料的制备方法操作步骤简单，可实现工业化大规模生产。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种膨胀型钢结构防火涂料，所述产品以改性聚磷酸铵、三嗪类成炭剂和可膨胀石墨代替传统的聚磷酸铵、季戊四醇和三聚氰胺作为阻燃剂成分，在合理搭配其他功效成分后，不仅可保持传统防火涂料的阻燃效果，其耐水及耐热效率明显提高，可用于更加严格环境下的钢结构防护中。本发明还提供了所述膨胀型钢结构防火涂料的制备方法。
附图说明
图1为本发明所制备的膨胀型钢结构防火涂料与常规对比产品经过耐水测试后的实物示意图；
图2为本发明所制备的膨胀型钢结构防火涂料与常规对比产品经过耐火测试后的实物示意图。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明，其目的在于详细地理解本发明的内容，而不是对本发明的限制。
若无特别说明，下述具体实施例所用原料均为市购的普通商品。
实施例1
本发明所述膨胀型钢结构防火涂料的一种实施例。所述膨胀型钢结构防火涂料，包括以下质量分数的组分：40％水性基料树脂乳液、35％膨胀型阻燃剂(20％环氧树脂包覆的聚磷酸铵+5％2-N-烯丙基-4-吗啉代-6-氨基-1,3,5-三嗪+10％可膨胀石墨)、5％无机填料(0.5％氢氧化铝+0.5％膨润土+4％硼酸锌)、1％纤维填料、1％粘结剂、2.7％助剂(0.2％增稠剂+0.5％润湿分散剂+2％pH调节剂)及15.3％水；所述可膨胀石墨的平均粒径为60μm，膨胀容积为250mL/g；所述水性基料树脂乳液为水性聚氨酯乳液；所述纤维填料为1.5mm玻璃纤维短切丝；所述粘结剂为磷酸二氢铝。
所述膨胀型钢结构防火涂料的制备方法为：将总添加量中的一半水性基料树脂乳液和水混合后，依次加入助剂、无机填料、粘结剂、膨胀型阻燃剂和纤维填料，再加入余量水性基料树脂乳液和水并搅拌均匀，即得所述膨胀型钢结构防火涂料。
实施例2
本发明所述膨胀型钢结构防火涂料的一种实施例。所述膨胀型钢结构防火涂料，包括以下质量分数的组分：33％水性基料树脂乳液、42％膨胀型阻燃剂(24％三聚氰胺甲醛包覆的聚磷酸铵+3％N,N-双(甲氧基乙基)-1,3,5三嗪+3％2,6-双(N-甲基-N-羟乙基)-4-吗啉代-1,3,5-三嗪+12％可膨胀石墨)、5％无机填料(0.5％硫酸铝+4.5％硼酸锌)、1％纤维填料、1％粘结剂、2.7％助剂(0.2％增稠剂+0.5％润湿分散剂+2％pH调节剂)及15.3％水；所述可膨胀石墨的平均粒径为75μm，膨胀容积为300mL/g；所述水性基料树脂乳液为水性丙烯酸乳液；所述纤维填料为1.5mm玻璃纤维短切丝；所述粘结剂为磷酸二氢铝。
所述膨胀型钢结构防火涂料的制备方法同实施例1。
实施例3
本发明所述膨胀型钢结构防火涂料的一种实施例。所述膨胀型钢结构防火涂料，包括以下质量分数的组分：33％水性基料树脂乳液、42％膨胀型阻燃剂(24％硅烷包覆的聚磷酸铵+3％N,N-双(甲氧基乙基)-1,3,5三嗪+3％2,6-双(N-甲基-N-羟乙基)-4-吗啉代-1,3,5-三嗪+12％可膨胀石墨)、5％无机填料(0.5％氧化锌+4.5％硼酸锌)、1％纤维填料、1％粘结剂、2.7％助剂(0.2％增稠剂+0.5％润湿分散剂+2％pH调节剂)及15.3％水；所述可膨胀石墨的平均粒径为55μm，膨胀容积为250mL/g；所述水性基料树脂乳液为水性丙烯酸乳液；所述纤维填料为1.5mm碳纤维短切丝；所述粘结剂为硅溶胶。
所述膨胀型钢结构防火涂料的制备方法同实施例1。
实施例4
本发明所述膨胀型钢结构防火涂料的一种实施例。所述膨胀型钢结构防火涂料，包括以下质量分数的组分：26％水性基料树脂乳液、42％膨胀型阻燃剂(24％三聚氰胺甲醛包覆的聚磷酸铵+6％N-吗啉代-1,3,5-三嗪+12％可膨胀石墨)、5％无机填料(0.5％氢氧化铝+0.5％高岭土+4.5％硼酸锌)、1％纤维填料、1％粘结剂、2.7％助剂(0.2％增稠剂+0.5％润湿分散剂+2％pH调节剂)及15.3％水；所述可膨胀石墨的平均粒径为60μm，膨胀容积为180mL/g；所述水性基料树脂乳液为水性丙烯酸乳液；所述纤维填料为1.5mm碳纤维短切丝；所述粘结剂为磷酸铝。
所述膨胀型钢结构防火涂料的制备方法同实施例1。
对比例1
本对比例所述防火涂料，包括以下质量分数的组分：45％水性基料树脂乳液、25％膨胀型阻燃剂(环氧树脂包覆的聚磷酸铵：2-N-烯丙基-4-吗啉代-6-氨基-1,3,5-三嗪：可膨胀石墨＝4:1:2)、5％无机填料(0.5％氢氧化铝+0.5％膨润土+4％硼酸锌)、1％纤维填料、1％粘结剂、2.7％助剂(0.2％增稠剂+0.5％润湿分散剂+2％pH调节剂)及20.3％水；所述可膨胀石墨的平均粒径为60μm，膨胀容积为250mL/g；所述水性基料树脂乳液为水性聚氨酯乳液；所述纤维填料为1.5mm玻璃纤维短切丝；所述粘结剂为磷酸二氢铝。
所述防火涂料的制备方法同实施例1。
对比例2
本对比例所述防火涂料，包括以下质量分数的组分：15％水性基料树脂乳液、45％膨胀型阻燃剂(环氧树脂包覆的聚磷酸铵：2-N-烯丙基-4-吗啉代-6-氨基-1,3,5-三嗪：可膨胀石墨＝4:1:2)、5％无机填料(0.5％氢氧化铝+0.5％膨润土+4％硼酸锌)、1％纤维填料、1％粘结剂、2.7％助剂(0.2％增稠剂+0.5％润湿分散剂+2％pH调节剂)及30.3％水；所述可膨胀石墨的平均粒径为60μm，膨胀容积为250mL/g；所述水性基料树脂乳液为水性聚氨酯乳液；所述纤维填料为1.5mm玻璃纤维短切丝；所述粘结剂为磷酸二氢铝。
所述防火涂料的制备方法同实施例1。
实施例5
本实施例与实施例1的差别仅在于，所述35％膨胀型阻燃剂中包括25％环氧树脂包覆的聚磷酸铵+5％2-N-烯丙基-4-吗啉代-6-氨基-1,3,5-三嗪+5％可膨胀石墨)。
实施例6
本实施例与实施例1的差别仅在于，所述35％膨胀型阻燃剂中包括20％环氧树脂包覆的聚磷酸铵+10％2-N-烯丙基-4-吗啉代-6-氨基-1,3,5-三嗪+5％可膨胀石墨。
实施例7
本实施例与实施例1的差别仅在于，所述35％膨胀型阻燃剂中包括10％环氧树脂包覆的聚磷酸铵+5％2-N-烯丙基-4-吗啉代-6-氨基-1,3,5-三嗪+20％可膨胀石墨。
对比例3
本对比例与实施例1的差别仅在于，所述35％膨胀型阻燃剂包含20％聚磷酸铵+5％2-N-烯丙基-4-吗啉代-6-氨基-1,3,5-三嗪+10％可膨胀石墨。
对比例4
本对比例与实施例1的差别仅在于，所述膨胀型阻燃剂的包含20％环氧树脂包覆的聚磷酸铵+5％2-N-烯丙基-4-吗啉代-6-氨基-1,3,5-三嗪+10％硅灰石。
实施例8
本实施例与实施例1的差别仅在于，所述可膨胀石墨的平均粒径为40μm。
实施例9
本实施例与实施例1的差别仅在于，所述可膨胀石墨的平均粒径为90μm。
将实施例1～9以及对比例1～4所得到的产品进行耐水性能及耐火性能测试，同时以市售的膨胀型阻燃涂料产品作为对比产品，所述产品在测试时涂覆在玻璃板上，所述涂层厚度为1mm，涂层不刷面漆且使用松香和石蜡封边。所述耐水性能的测试方法为将各涂有产品的玻璃板置入常温水中浸泡24h后观察是否出现开裂、脱落或起泡现象；所述耐火测试使用中航百慕新材料技术工程股份有限公司出产的膨胀型防火涂料快速测试装置测试其耐火时间。测试结果如表1所示。
表1
测试产品 耐水性能 耐火时间/min
对比产品 不开裂、不脱落、起泡严重 53
实施例1 不开裂、不脱落、不起泡 61
实施例2 不开裂、不脱落、不起泡 68
实施例3 不开裂、不脱落、不起泡 66
实施例4 不开裂、不脱落、不起泡 65
对比例1 不开裂、不脱落、不起泡 52
对比例2 开裂、不脱落、不起泡 54
实施例5 不开裂、不脱落、不起泡 54
实施例6 不开裂、不脱落、不起泡 54
实施例7 不开裂、不脱落、不起泡 51
对比例3 不开裂、不脱落、不起泡 53
对比例4 不开裂、不脱落、不起泡 45
实施例8 不开裂、不脱落、不起泡 52
实施例9 不开裂、不脱落、不起泡 53
从表1可以看出，相比于市售对比产品和实施例5～9以及对比例的产品，实施例1～4所制备的膨胀型结构防火涂料具有良好的耐水性能和耐火性能，而所述产品中膨胀型阻燃剂的各组分及比例的选择可有效决定整体材料的防火及储存性能。将对比常规市售产品和实施例1～4产品耐水测试后进行比对，如图1所示，可明显看出相比于常规产品，本发明所制备的膨胀型结构防火涂料具有更优异的耐水性，而经过耐火性能测试后，本发明所制备的不仅其耐火时间更长，如图2所示，燃烧后其保持形貌及膨胀体积与市售产品相当，可有效代替现有市售防火涂料产品。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种膨胀型钢结构防火涂料，其特征在于，包括以下质量分数的组分：20～40％水性基料树脂乳液、31～40％膨胀型阻燃剂、5～10％无机填料、0.2～1％纤维填料、1～3％粘结剂、1～3％助剂及余量水；所述膨胀型阻燃剂包括改性聚磷酸铵、三嗪类成炭剂和可膨胀石墨。
2.如权利要求1所述膨胀型钢结构防火涂料，其特征在于，所述膨胀型阻燃剂中改性聚磷酸铵、三嗪类成炭剂和可膨胀石墨的质量比为改性聚磷酸铵：三嗪类成炭剂：可膨胀石墨＝3.5～4.5:0.5～1.5:1.5～2.5。
3.如权利要求2所述膨胀型钢结构防火涂料，其特征在于，所述膨胀型阻燃剂中改性聚磷酸铵、三嗪类成炭剂和可膨胀石墨的质量比为改性聚磷酸铵：三嗪类成炭剂：可膨胀石墨＝4:1:2。
4.如权利要求1或2所述膨胀型钢结构防火涂料，其特征在于，所述改性聚磷酸铵为包覆层包覆改性后的Ⅱ型聚磷酸铵，所述包覆层包括三聚氰胺甲醛树脂、环氧树脂和硅烷中的至少一种。
5.如权利要求1或2所述膨胀型钢结构防火涂料，其特征在于，所述三嗪类成炭剂包括N,N-双(甲氧基乙基)-1,3,5三嗪、N-吗啉代-1,3,5-三嗪、1-N-羟乙基-4-吗啉代-6-氨基-1,3,5-三嗪、2-N,N-二(羟乙基)-4,6-吗啉代-1,3,5-三嗪、2,6-双(N-甲基-N-羟乙基)-4-吗啉代-1,3,5-三嗪、2-N-叔丁基-4-吗啉代-1,3,5-三嗪、2-N-烯丙基-4-吗啉代-6-氨基-1,3,5-三嗪中至少一种。
6.如权利要求1或2所述膨胀型钢结构防火涂料，其特征在于，所述可膨胀石墨的平均粒径为50～80μm，膨胀容积为180～350mL/g。
7.如权利要求1所述膨胀型钢结构防火涂料，其特征在于，所述水性基料树脂乳液包括水性聚氨酯乳液、水性环氧树脂乳液和水性丙烯酸酯乳液中的至少一种。
8.如权利要求1所述膨胀型钢结构防火涂料，其特征在于，所述无机填料包括硅酸铝、膨润土、硼酸锌、高岭土、氢氧化铝、二氧化锆、硫酸钡中的至少一种。
9.如权利要求1所述膨胀型钢结构防火涂料，其特征在于，所述纤维填料包括碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维、氧化锆纤维中的至少一种；所述纤维填料的长度为1.3～1.8mm；所述粘结剂包括磷酸铝、磷酸二氢铝、硅溶胶中的至少一种；所述助剂包括增稠剂、润湿分散剂和pH调节剂。
10.如权利要求1～9任一项所述的膨胀型钢结构防火涂料的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：将部分水性基料树脂乳液和水混合后，依次加入助剂、无机填料、粘结剂、膨胀型阻燃剂和纤维填料，再加入余量水性基料树脂乳液和水并搅拌均匀，即得所述膨胀型钢结构防火涂料。
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