CN115011181B - 具有双层结构的水性超薄型防火涂料及制备方法和应用 - Google Patents

具有双层结构的水性超薄型防火涂料及制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

为提高水性超薄型防火涂料的耐火焰冲刷和防火隔热性能，本发明提供一种具有双层结构的水性超薄型防火涂料及其制备方法，其特征在于内层和外层除含有聚合物乳液、聚磷酸铵、三聚氰胺、双季戊四醇、针状填料、纳米填料及各类助剂外，内层组分还包括可膨胀石墨，外层组分还包括熔融填料和片层填料。本发明提供的防火涂料内层在高温下能够形成高膨胀率的多孔炭层，起到隔热作用，外层引入的熔融填料在高温下可修补表面炭层缺陷，使膨胀的炭层在火焰持续冲刷过程中不易破损，提高炭层的高温稳定性。本发明的防火涂料具有超薄、抗火焰冲刷且对环境友好，便于施工的特点，具有广阔的应用前景。

Description

具有双层结构的水性超薄型防火涂料及制备方法和应用
技术领域
本发明属于防火涂料技术领域，具体涉及一种具有双层结构的水性超薄型防火涂料及其制备方法和应用。
背景技术
防火涂料是一种涂覆在木材、纺织物、塑料等可燃基材表面，用以降低基材表面的可燃性，或涂覆于金属工件表面，起到防火隔热作用，并可以阻碍火灾蔓延。超薄型防火涂料会在高温或者火焰下迅速膨胀，形成大于自身厚度数十倍的海绵状炭层，实现隔热防火的功能。传统的溶剂型防火涂料在涂覆过程中由于挥发性有机物排放高，会造成环境污染问题。水性防火涂料分别以水性聚合物为成膜物，以水为分散介质，减少了挥发性有机物的排放量，是一种绿色环保防火涂料。然而，目前的水性超薄型防火涂料受热膨胀后形成的炭层强度较低，在火焰持续冲刷作用下，膨胀后的炭层容易破损，导致防火功能失效。此外，一般将干膜厚度小于3mm的防火涂料称为超薄型防火涂料，但目前市场上的超薄型防火涂料的有效厚度大都在2～3mm，而电子工业、航空航天等高端装备制造业领域需要防火有效厚度更低(≤1mm)的防火涂料，因此，急需开发一种耐火焰冲刷并具有良好防火隔热性能的超薄型防火涂料。
公开号为CN 107778933B的中国专利公开了一种以无机物为主的双层结构防火涂料，内层起到膨胀隔热作用，外层起阻燃、耐高温作用，提高了涂层耐火焰冲刷的能力。该专利虽然采用双层结构，但无机外层较为坚硬，抑制了内层膨胀，涂层整体防火隔热性能一般，同时，该双层涂层的总厚度为3±0.2mm，厚度仍然较大。公开号为CN 112940611A的中国专利公开了一种高性能膨胀型三明治结构超薄防火涂层，以有机硅陶瓷涂料为底层和外层，以膨胀防火涂层为中间层，有机硅陶瓷涂料在高温下能够形成坚硬的釉面陶瓷层，增加了膨胀炭层的强度和抗火焰冲刷性。该专利虽然具有较好的防火隔热性能，但三层结构增加了工艺的复杂性，同时，涂料的整体厚度为2.5～3mm，仍然较厚，很难满足航空航天等高端装备制造业领域对超薄防火涂层的性能需求。
发明内容
为提高水性超薄型防火涂料耐火焰冲刷和隔热性能，本发明提供了一种具有双层结构的水性超薄型防火涂料，防火涂料内层在高温下能够形成高膨胀率的多孔炭层，起到隔热作用，外层引入的熔融填料在高温下可修补表面炭层缺陷，使膨胀的炭层在火焰持续冲刷过程中不易破损，提高炭层的高温稳定性。同时，本发明还提供该双层结构涂料的制备方法。
为实现以上目的，本发明提供如下技术方案：一种双层结构水性超薄型防火涂料，其特征在于：主要由内层涂料和外层涂料构成，所述外层涂料涂覆于内层涂料表面。
按重量份数计，所述的内层涂料包含以下组分：
Figure BDA0003639224990000021
按重量份数计，所述的外层涂料包含以下组分：
Figure BDA0003639224990000022
Figure BDA0003639224990000031
进一步地，所述聚合物乳液为醋酸乙烯酯乳液、醋酸乙烯-叔碳酸乙烯酯共聚乳液(醋叔乳液)中的一种或两种复配；所述聚磷酸铵的聚合度大于1000；所述可膨胀石墨为50-100目的鳞片状可膨胀石墨；所述针状填料是玻璃纤维粉、硅灰石粉中的一种或两种复配；所述纳米填料是纳米金红石型二氧化钛、纳米二氧化锆中的一种或两种复配；所述消泡剂是水性消泡剂。
进一步地，所述外层涂料中的熔融填料是低熔点玻璃粉、氧化硼、硼酸锌中的一种或两种以上复配；所述片层填料是玄武岩鳞片、云母片、滑石粉中的一种或两种以上复配。
本发明还提供了双层结构水性超薄型防火涂料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：取所述内层涂料组分中的聚合物乳液和水混合，搅拌分散，制备预混乳液A；
步骤2：将所述预混乳液A与内层涂料组分中的聚磷酸铵、三聚氰胺、双季戊四醇、可膨胀石墨、针状填料、纳米填料混合，高速分散混合均匀后，再将消泡剂加入上述混合液中搅拌，即可得内层防火涂料；
步骤3：取所述外层涂料组分中的聚合物乳液和水混合，搅拌分散，制备预混乳液B；
步骤4：将所述预混乳液B与外层涂料组分中的聚磷酸铵、三聚氰胺、双季戊四醇、针状填料、熔融填料、片层填料、纳米填料混合，高速分散混合均匀后，再将消泡剂加入上述混合液中搅拌，即可得外层防火涂料。
本发明的另一目的在于提供一种具有双层结构的水性超薄型防火涂料或者由上述制备方法得到的双层结构的水性超薄型防火涂料的应用，包括如下步骤：清理基材表面，在基材表面喷涂、滚涂或刷涂防火涂料，待第一层涂膜干燥后，再涂覆下一层，内层防火涂料达到指定厚度后，再涂覆外层防火涂料，直至防火涂料总厚度达到指定厚度。
其中，所述第一层涂膜干燥后的厚度为100～300μm，之后每次涂覆下一层涂膜的厚度为100～300μm；所述内层厚度优选为300～800μm；所述外层厚度优选为200～500μm；所述涂层总厚度为800～1000μm。
本发明的优点和有益效果如下：
(1)本发明提供了一种具有双层结构防火涂料及其制备方法，形成的双层结构涂层能有效地结合并发挥表层涂料中的熔融填料的修复性与内层防火涂料的高膨胀性的优点，实现涂料超薄与防火特性兼顾；
(2)本发明利用针状填料与高膨胀率的可膨胀石墨配合，可以有效提高所述内层防火涂料的炭层高度，并增强炭层强度，减缓热量的传递；
(3)本发明利用片层填料与熔融填料配合，可以有效修复所述外层防火涂料炭层表面缺陷，阻断裂纹扩展，使膨胀的炭层在火焰持续冲刷过程中不易破损，提高炭层的高温稳定性；
(4)本发明提供的防火涂料分别以水性聚合物为成膜物，以水为分散介质，减少了挥发性有机物的排放量，是一种绿色环保涂料。另外，所述防火涂料制备工艺简单易行，满足航空航天等高端装备制造业领域对超薄防火涂层的功能性需求。
附图说明
图1为双层结构水性超薄型防火涂料受热后的结构示意图，
图2为双层结构水性超薄型防火涂料受热后表层形貌。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
本实施例提供一种双层结构水性超薄型防火涂料及其制备方法，该方法包括如下步骤：
1、将醋叔乳液30g，水(去离子水、自来水均可)30g混合，并以1000r/min的转速分散20min，然后把聚磷酸铵25g，三聚氰胺15g，双季戊四醇10g、可膨胀石墨10g、玻璃纤维粉2g，纳米二氧化钛2g加入到上述混合液中以2000r/min的速度分散15min，最后加入7075型水性消泡剂1g，搅拌均匀，得到所述内层防火涂料；
2、将醋叔乳液30g，水(去离子水、自来水均可)30g混合，并以1000r/min的转速分散20min，然后把聚磷酸铵25g，三聚氰胺15g，双季戊四醇10g、玻璃纤维粉2g，纳米二氧化钛2g，低熔点玻璃粉10g，玄武岩鳞片2.5g加入到上述混合液中以2000r/min的速度分散15min，最后加入德谦7075水性消泡剂1g，搅拌均匀，得到所述外层防火涂料；
3、将上述所得内层防火涂料刷涂在镁合金板表面上，控制在3道内完成内层防火涂料涂装，每道厚度控制在100～300μm，常温下固化4h，最终内层干膜厚度为800μm。待内层涂料干燥后再刷涂外层防火涂料，最终得到的干膜总厚度为1mm。
图1为双层结构水性超薄型防火涂层受热后的结构示意图，内层防火涂料2涂覆在基材3的表面，主要起膨胀隔热作用，外层防火涂料1涂覆在最外层，受热后内层防火涂层形成的炭层膨胀倍率可达20倍以上；图2为双层结构水性超薄型防火涂料受热后表层形貌，由于温度较高，外层防火涂料中的低熔点玻璃粉完全熔融并覆盖在炭层表面，作为无机防火屏障很好地抵抗火焰气流冲刷。
实施例2
1、将醋叔乳液30g，水(去离子水、自来水均可)30g混合，并以1000r/min的转速分散20min，然后把聚磷酸铵25g，三聚氰胺15g，双季戊四醇10g、可膨胀石墨10g、硅灰石粉2g，纳米二氧化锆3g加入到上述混合液中以2000r/min的速度分散15min，最后加入德谦7075水性消泡剂1g，搅拌均匀，得到所述内层防火涂料；
2、将醋叔乳液30g，水(去离子水、自来水均可)30g混合，并以1000r/min的转速分散20min，然后把聚磷酸铵25g，三聚氰胺15g，双季戊四醇10g、硅灰石粉2g，纳米二氧化锆2g，氧化硼10g，云母粉2.5g加入到上述混合液中以2000r/min的速度分散15min，最后加入德谦7075水性消泡剂1g，搅拌均匀，得到所述外层防火涂料；
3、将上述所得内层防火涂料刷涂在镁合金板表面上，控制在3道内完成内层防火涂料涂装，每道厚度控制在100～300μm，常温下固化4h，最终内层干膜厚度为800μm。待内层涂料干燥后再刷涂外层防火涂料，最终得到的干膜总厚度为1mm。
实施例3
1、将醋叔乳液30g，水(去离子水、自来水均可)30g混合，并以1000r/min的转速分散20min，然后把聚磷酸铵30g，三聚氰胺15g，双季戊四醇15g、可膨胀石墨5g、玻璃纤维粉2g，纳米二氧化钛2g加入到上述混合液中以2000r/min的速度分散15min，最后加入德谦7075水性消泡剂1g，搅拌均匀，得到所述内层防火涂料；
2、将醋叔乳液30g，水(去离子水、自来水均可)30g混合，并以1000r/min的转速分散20min，然后把聚磷酸铵30g，三聚氰胺15g，双季戊四醇15g、玻璃纤维粉2g，纳米二氧化钛2g，低熔点玻璃粉6g，玄武岩鳞片6g加入到上述混合液中以2000r/min的速度分散15min，最后加入德谦7075水性消泡剂1g，搅拌均匀，得到所述外层防火涂料；
3、将上述所得内层防火涂料刷涂在镁合金板表面上，控制在3道内完成内层防火涂料涂装，每道厚度控制在100～300μm，常温下固化4h，最终内层干膜厚度为800μm。待内层涂料干燥后再刷涂外层防火涂料，最终得到的干膜总厚度为1mm。
对比例1
对比例1中的外层防火涂料未加入熔融填料，所有填料均选用1100℃以下不熔融的无机填料。
1、将醋叔乳液30g，水(去离子水、自来水均可)30g混合，并以1000r/min的转速分散20min，然后把聚磷酸铵25g，三聚氰胺15g，双季戊四醇10g、可膨胀石墨10g、玻璃纤维粉2g，纳米二氧化钛2g加入到上述混合液中以2000r/min的速度分散15min，最后加入德谦7075水性消泡剂1g，搅拌均匀，得到所述内层防火涂料；
2、将醋叔乳液30g，水(去离子水、自来水均可)30g混合，并以1000r/min的转速分散20min，然后把聚磷酸铵25g，三聚氰胺15g，双季戊四醇10g、玻璃纤维粉2g，纳米二氧化钛2g，云母粉12.5g加入到上述混合液中以2000r/min的速度分散15min，最后加入德谦7075水性消泡剂1g，搅拌均匀，得到所述外层防火涂料；
3、将上述所得内层防火涂料刷涂在镁合金板表面上，控制在3道内完成内层防火涂料涂装，每道厚度控制在100～300μm，常温下固化4h，最终内层干膜厚度为800μm。待内层涂料干燥后再刷涂外层防火涂料，最终得到的干膜总厚度为1mm。
参照HB 6167.14-2014《民用飞机机载设备环境条件和试验方法第14部分：防火、可燃性试验》对实施例1～3的涂层和对比例1的涂层防火性能进行测试，经过1090℃火焰加热冲击20分钟，测试基体背面温度，同时观察涂层表面是否开裂，脱落，测试结果如表1所示。
表1实施例1～3及对比例1所制备的防火涂层性能对比
Figure BDA0003639224990000071
实施例1～3分别加入了不同种类和比例的熔融填料，对比例1未添加熔融填料，从表1的测试结果可以看出，相比于实施例2添加氧化硼作为熔融填料的防火涂层和对比例1未添加熔融填料的防火涂层，实施例1和实施例3相对具有较好的防火效果，基板背面温度相对较低，涂层完好、无开裂和脱落，说明添加低熔点玻璃粉的防火外层具有更好的抵抗火焰冲刷能力。本发明实施例1采用的防火涂料性能最好。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本行业的技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，可进行各种变化和改进，这些变化和改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种具有双层结构的水性超薄型防火涂料，其特征在于，包括内层涂料和外层涂料，所述外层涂料涂覆于内层涂料表面，
按重量份数计，所述的内层涂料包含以下组分：
Figure FDA0003865097390000011
所述聚合物乳液为醋酸乙烯酯乳液、醋酸乙烯-叔碳酸乙烯酯共聚乳液中的一种或两种复配；所述纳米填料是纳米金红石型二氧化钛、纳米二氧化锆中的一种或两种复配；
按重量份数计，所述的外层涂料包含以下组分：
Figure FDA0003865097390000012
所述外层涂料中的熔融填料是低熔点玻璃粉、氧化硼、硼酸锌中的一种或两种以上复配；所述片层填料是玄武岩鳞片、云母片、滑石粉中的一种或两种以上复配。
2.根据权利要求1所述防火涂料，其特征在于，所述聚磷酸铵的聚合度大于1000；所述可膨胀石墨为50-100目的鳞片状可膨胀石墨；所述针状填料是玻璃纤维粉、硅灰石粉中的一种或两种复配；所述消泡剂是水性消泡剂。
3.如权利要求1所述具有双层结构的水性超薄型防火涂料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：取所述内层涂料组分中的聚合物乳液和水混合，搅拌分散，制备预混乳液A；
步骤2：将所述预混乳液A与内层涂料组分中的聚磷酸铵、三聚氰胺、双季戊四醇、可膨胀石墨、针状填料、纳米填料混合，高速分散混合均匀后，再将消泡剂加入上述混合液中搅拌，即可得内层防火涂料；
步骤3：取所述外层涂料组分中的聚合物乳液和水混合，搅拌分散，制备预混乳液B；
步骤4：将所述预混乳液B与外层涂料组分中的聚磷酸铵、三聚氰胺、双季戊四醇、针状填料、熔融填料、片层填料、纳米填料混合，高速分散混合均匀后，再将消泡剂加入上述混合液中搅拌，即可得外层防火涂料。
4.一种由权利要求3所述制备方法得到的双层结构的水性超薄型防火涂料的应用，其特征在于，所述外层涂料涂覆于内层涂料表面，包括如下步骤：清理基材表面，在基材表面喷涂、滚涂或刷涂防火涂料，待第一层涂膜干燥后，再涂覆下一层，内层防火涂料达到指定厚度后，再涂覆外层防火涂料，直至防火涂料总厚度达到指定厚度。
5.根据权利要求4所述防火涂料的应用，其特征在于，
所述第一层涂膜干燥后的厚度为100～300μm，之后每次涂覆下一层涂膜的厚度为100～300μm；所述内层厚度为300～800μm；所述外层厚度为200～500μm；所述涂层总厚度为800～1000μm。
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