CN116057131B - 防火涂料组合物及其用途 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了用于膨胀型涂料的组合物以及其作为涂料(特别是防火涂料)的用途,所述用于膨胀型涂料的组合物包含:(A)粘结剂体系,所述粘结剂体系包含:(a1)包含烷氧基官能化硅烷基团的烷氧基官能化有机聚合物,和(a2)苯乙烯‑丙烯酸酯共聚物;和(B)膨胀型组合物。
Description
本发明涉及用于膨胀型涂料的组合物,其包含苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、含有烷氧基官能化硅烷基团的烷氧基官能化有机聚合物和膨胀型化合物混合物。
通常将形成绝热层的组合物(也称为膨胀型组合物)施加到部件的表面以形成涂层,从而保护所述部件免受火灾或例如由于火灾导致的高温的影响。钢结构现在是现代建筑的组成部分,尽管它们与钢筋混凝土结构相比具有决定性的缺点。高于约500℃,钢的负荷承载能力显著降低,即钢丧失其稳定性和其承载能力。取决于火灾负荷,例如在直接暴露于火灾的情况下(大约1000℃),对于该结构的负荷承载能力至关重要的温度可以在大约仅5分钟-10分钟内达到。现在,防火,具体地讲钢防火的目的是延长在发生火灾时钢结构丧失负荷承载能力之前的时间段,以便挽救生命和有价值的财产。
在许多国家的建筑法规中,某些钢结构需要适当的耐火持续时间。它们被定义为所谓的F级,诸如F 30、F 60、F 90(根据DIN 4102-2的耐火性等级)或根据ASTM的美国等级,等等。根据DIN 4102-2,例如,F 30意指,在正常条件下发生火灾时,支撑钢结构必须承受火灾至少30分钟。这通常通过延迟钢的加热速率来实现,例如,通过用膨胀型涂料涂覆钢结构。这些涂料包括其组分在发生火灾时形成固体微孔碳泡沫的涂料。在这种情况下,这形成微孔厚泡沫层,即所谓的灰壳,其取决于组成是高度绝热的,并且因此部件的加热被延迟,使得在30、60、90、120分钟或直至240分钟之后最早达到约500℃的临界温度。所施加的涂层或由此形成的灰壳的厚度对于获得所需耐火持续时间是至关重要的。与开放型材(诸如具有双T形型材的梁)相比,封闭型材(诸如具有相当密实度的管)需要大约两倍的量。为了实现所需耐火时间,涂层必须具有一定的厚度,并且当暴露于热时可形成尽可能大体积的、因此良好绝热的灰壳,并且其在暴露于火灾的时间段内保持机械稳定。
为此,在现有技术中提出了多种体系。基本上,区分100%体系以及溶剂或含水体系。
在溶剂或含水体系的情况下,将粘结剂(通常为树脂)以溶液、分散体或乳液的形式施加到部件上。这些粘结剂可被设计为单组分体系或多组分体系。在施用之后,溶剂或水蒸发并留下随时间推移干燥的膜。在这种情况下,可进一步区分其中在涂层干燥期间基本上不再变化的体系,以及其中在蒸发之后粘结剂主要通过例如由大气氧引发的氧化和聚合反应而固化的体系。100%体系包含不具有溶剂或水的粘结剂组分。将它们施加到部件上,并且涂层的“干燥”仅通过粘结剂组分彼此的反应进行。
溶剂或含水体系的缺点是干燥时间(也称为固化)长,同时还必须施加更多层,因此需要若干次操作以实现所需的层厚度。这些体系具有约1mm至1.5mm干膜厚度(DFT)的固有最大厚度/涂层。蒸发速度慢,因为所施加的组合物中存在大于25体积%的水。由于每一层必须在施加下一层之前适当地干燥,所以这首先导致高劳动力支出和相应高的成本以及建筑物完工的延迟,因为为了实现所需厚度的重复施加取决于气候条件,并且在一些情况下可能花费数天。另一个缺点在于涂层可能在干燥或暴露于热期间沉淀,从而导致所需层厚度的开裂和剥落,由此表面可能部分暴露在最坏情况下,具体地讲在粘结剂不通过蒸发溶剂或水来固化的体系中。由于蒸发和聚结时的膜张力,也发生起皱和开裂问题。
为了克服该缺点,已经开发了基于环氧树脂-胺底物的双组分体系或多组分体系,该体系几乎不需要溶剂,因此固化更快并且也可以一步施加更厚的层,使得所需的层厚度形成更快。然而,这些体系具有以下缺点:粘结剂是非常稳定且刚性的聚合物基质,其通常具有高软化范围,这阻碍了由发泡剂形成泡沫。因此,必须施加厚层以产生足够的泡沫厚度用于绝热。这继而是不利的,因为需要大量的材料。为了实施这些体系,通常需要高达+70℃的处理温度,这使得使用这些体系实施起来费力且昂贵。此外,所使用的一些粘结剂组分是有毒的或有其他危险性(例如刺激性、腐蚀性),诸如在用于环氧树脂-胺体系中的胺或胺混合物的情况下。
因此,已经开发了另选的体系,例如基于在湿气或水的存在下固化的硅烷封端的聚合物。
WO 2010/131037 A1公开了一种组合物,其基于硅烷封端的聚氨酯或硅烷封端的聚醚作为粘结剂,具有相容的增塑剂和膨胀型添加剂。该组合物通过湿气固化。因此,组合物的固化在表面处开始。相似的组合物尤其描述于WO 2014/079873 A、WO 2015/189233 A1和WO 2018/224317 A1中。此外,由WO 10/054984 A1已知使用存在于组合物中的含硅树脂,优选地与有机树脂组合使用来提供膨胀型组合物,该膨胀型组合物产生硬泡沫层,该硬泡沫层可取消纤维的使用。然而,这是不利的,因为固化高度取决于湿度和层厚度,这通常导致长的固化时间或在非常干燥的条件下根本不固化。另一个缺点是固化是高度不均匀的,同时交联密度也可能变化很大。
因此,本发明基于形成最初所述类型的绝热层形成涂层体系的任务,该涂层体系避免了上述缺点,其具体地讲是不基于溶剂或含水的,并且展示出快速、均匀的固化,并且由于极大膨胀(即形成有效的灰壳层)而仅需要很小的层厚度。
通过使用根据本发明的苯乙烯-丙烯酸酯共聚物,可改善组合物干燥后的膜硬度和基于含有烷氧基官能化硅烷基团的纯烷氧基官能化有机聚合物的组合物的耐火性能。此外,可以在不使用附加交联剂的情况下实现良好的粘附和粘结强度。本发明人发现苯乙烯-丙烯酸酯共聚物充当交联剂和硬化剂。
使用根据本发明的组合物,可实现经干燥膜的改善的特性,诸如在干燥期间膜没有缺陷、热稳定性和粘结强度,而对固化速度没有显著影响。此外,该组合物及其应用不含VOC。因此,不需要使用增塑剂,从而消除了WO 2010/131037A1中使用的增塑剂的稀释效应。
由于乙烯-丙烯酸酯共聚物充当交联剂和硬化剂,故另一个优点在于可在单一步骤中施加更多的材料,以在一个涂层中产生与其他含水制剂相比更高的膜厚度和温度,而不具有不利后果。
为了更好地理解本发明,以下对本文所用术语的解释被认为是有用的。在本发明的含义内:
-“化学膨胀”意指使用彼此配位的化合物形成大体积的绝热灰层,该化合物在受热作用时彼此反应;
-“物理膨胀”意指使用释放气体的化合物的膨胀形成大体积的绝热层,而两种化合物之间不发生化学反应,从而导致化合物的体积增加原始体积的多倍;
-“绝热层形成”,即在发生火灾时,形成坚固的微孔碳泡沫,使得所形成的微孔厚泡沫层(被称为灰壳)根据组成而使基材绝热;
-“碳供体”是由于不完全燃烧而留下碳骨架的有机化合物,并且不完全燃烧形成二氧化碳和水(碳化);这些化合物也称为“碳骨架形成剂”;
-“酸形成剂”是在热的作用下,即在高于约150℃下,例如通过分解形成非挥发性酸,并由此充当碳化催化剂的化合物;此外,其可有助于降低粘结剂的熔体的粘度;术语“脱氢催化剂”用作等同物;
-“推进剂”是在升高的温度下分解,形成惰性气体,即不可燃气体,并且如果适用的话,使增塑的粘结剂膨胀以形成泡沫(膨胀)的化合物;该术语具有与“气体形成剂”相同的含义;
-“灰壳稳定剂”是所谓的骨架形成化合物,其稳定碳骨架(灰壳),该碳骨架由来自碳源的碳形成与来自推进剂的气体的相互作用或物理膨胀形成。就这一点而言,基本的实现方式是,所形成的并且实际上非常软的碳层通过无机化合物机械地硬化。此类灰壳稳定剂的添加有助于在发生火灾时膨胀壳的显著稳定,因为这些添加剂增加了膨胀层的机械强度以及/或者防止其滴落。
本发明涉及用于膨胀型涂料的组合物,该组合物包含:
(A)粘结剂体系,所述粘结剂体系包含:
(a1)烷氧基官能化有机聚合物,其包含具有通式(I)的烷氧基官能化硅烷基团,该基团被封端和/或沿聚合物链作为侧基,
-Si(R1)m(OR2)3-m (I),
其中
R1表示直链或支链的C1-C16烷基基团,
R2表示直链或支链的C1-C6烷基基团,并且
m为0至2的整数;和
(a2)苯乙烯-丙烯酸酯共聚物;和
(B)膨胀型组合物。
粘结剂体系(A)
根据本发明的组合物包含粘结剂体系。粘结剂体系包含两种不同的粘结剂,其中一种是在与水接触时固化的反应性体系,并且另一种是苯乙烯-丙烯酸酯共聚物。
烷氧基官能化有机聚合物(a1)
根据本发明,该组合物包含烷氧基官能化有机聚合物(a1)作为聚合物粘结剂的一部分,该烷氧基官能化有机聚合物包含具有通式(I)的烷氧基官能化硅烷基团,该基团被封端和/或沿聚合物链作为侧基,
-Si(R1)m(OR2)3-m(I),
其中
R1表示直链或支链的C1-C16烷基基团,
R2表示直链或支链的C1-C6烷基基团,并且
m为0至2的整数。
包含被封端和/或沿聚合物链作为侧基的具有通式(I)的烷氧基官能化硅烷基团的烷氧基官能化有机聚合物在本文中也被称为硅烷封端的聚合物。
根据本发明,烷氧基硅烷官能化聚合物包含选自下列的基本骨架:烷基链、聚醚、聚酯、聚醚酯、聚酰胺、聚氨酯、聚酯氨基甲酸酯、聚醚氨基甲酸酯、聚醚酯氨基甲酸酯、聚酰胺氨基甲酸酯、聚脲、多胺、聚碳酸酯、聚乙烯酯、聚丙烯酸酯、聚烯烃诸如聚乙烯或聚丙烯、聚异丁烯、多硫化物、天然橡胶、氯丁橡胶、酚醛树脂、环氧树脂、三聚氰胺。就这一点而言,基本骨架可以具有直链或支链结构(具有沿基本骨架链的侧链的直链基本骨架)并且在末端位置含有烷氧基官能化硅烷基团,优选地至少两个烷氧基官能化硅烷基团,即作为直链基本骨架的端基或者作为直链基本骨架的端基和作为侧基的端基。优选地,基本骨架由聚丙二醇或聚氨酯组成。
烷氧基官能化硅烷基团具有通式(I):
-Si(R1)m(OR2)3-m(I),
其中R1代表直链或支链C1-C16烷基基团,优选地代表甲基或乙基基团,R2代表直链或支链C1-C6烷基基团,优选地代表甲基或乙基基团,并且m代表0至2的整数,优选地0或1。
优选地,烷氧基官能化硅烷基团通过基团,诸如另外的不同官能团(X=例如–S-、–OR、-NHR、-NR2)结合到基本骨架,该另外的不同官能团本身可用作电子供体或含有可用作电子供体的原子,其中两个官能团,即另外的官能团和烷氧基官能化硅烷基团通过亚甲基桥或亚丙基桥(-X-CH2-Si(R1)m(OR2)3-m或(-X-C3H6-Si(R1)m(OR2)3-m)彼此连接。
最优选地,烷氧基硅烷官能化聚合物是其中基本骨架通过具有硅烷基团的氨基甲酸酯基团封端的聚合物,诸如例如二甲氧基(甲基)甲硅烷基甲基氨基甲酸酯封端的聚醚和聚氨酯、二甲氧基(甲基)甲硅烷基丙基氨基甲酸酯封端的聚醚和聚氨酯、三甲氧基甲硅烷基甲基氨基甲酸酯封端的聚醚和聚氨酯、三甲氧基甲硅烷基丙基氨基甲酸酯封端的聚醚和聚氨酯或它们的混合物。
合适的聚合物的示例包括硅烷封端的聚醚(例如得自Wacker Chemie AG的STP-E 10、/>STP-E 15、/>STP-E 30、/>STP-E 35、/>XB 502、/>WP 1,得自Evonik Hanse的Polymer ST61、Polymer ST75和PolymerST77)以及硅烷封端的聚氨酯(得自Bayer的/>S XP2458、/>S XP2636、/>S XP 2749、/>S XP 2821,得自Momentive的SPUR+*1050MM、SPUR+*1015LM、SPUR+*3100HM、SPUR+*3200HM)。
这些烷氧基硅烷官能化聚合物的粘度优选地介于0.1Pa·s和50,000Pa·s之间,更优选地介于0.5Pa·s和35,000Pa·s之间,并且最优选地介于0.5Pa·s和30,000Pa·s之间。
使用Kinexus旋转流变仪,通过测量+23℃下的流动曲线来测定粘度;所指示的值是在215s-1处的测量值。
作为另选的聚合物,优选地,可优选使用其中烷氧基官能化硅烷基团不是被以末端的形式安装到聚合物骨架中而是以目标方式分布在基本骨架链上的侧位中的那些聚合物。重要的特性,诸如交联密度,可通过安装的多个交联单元来控制。此处,作为合适的示例,可提及得自Evonik Goldschmidt GmbH的产品线诸如/>BOND 150、/>BOND 250和/>SEAL 100。就这一点而言,参见DE102008000360 A1、DE102009028640A1、DE102010038768 A1和DE 102010038774 A1作为示例。
通常,在这些烷氧基硅烷官能化聚合物中,聚合物的每个预聚物分子带有2至8个烷氧基硅烷官能化硅烷基团。
可根据基本骨架的链长、聚合物的烷氧基官能度和烷氧基官能化硅烷基团的位置来调节粘结剂的交联度并由此调节所得涂层的强度及其弹性性能。
苯乙烯-丙烯酸酯共聚物(a2)
根据本发明,粘结剂体系的一部分是苯乙烯-丙烯酸酯共聚物(a2)。
苯乙烯-丙烯酸酯共聚物是指具有如下所示的通式结构的共聚物:
其中x和y独立地为1至1000的整数,R'每次出现时独立地为氢、被取代或未被取代的烷基、或被取代或未被取代的芳基,并且R每次出现时独立地为氢、被取代或未被取代的烷基、或被取代或未被取代的芳基。共聚物可以是无规的、嵌段的、支链的、或这些的组合。
苯乙烯-丙烯酸酯共聚物(a2)能够通过单体混合物的聚合而衍生,所述单体混合物包含一种或多种(甲基)丙烯酸烷基酯单体和一种或多种任选地被取代的苯乙烯共聚单体。
更特别地,苯乙烯-丙烯酸酯共聚物能够衍生自单体混合物,所述单体混合物包含大于或等于30重量%且小于或等于60重量%的一种或多种(甲基)丙烯酸烷基酯共聚单体和大于或等于40重量%且小于或等于70重量%的一种或多种任选地被取代的苯乙烯共聚单体。
苯乙烯-丙烯酸酯共聚物的示例包括但不限于聚(苯乙烯-共聚-甲基丙烯酸烷基酯)诸如聚(苯乙烯-共聚-甲基丙烯酸甲酯)、聚(苯乙烯-共聚-丙烯酸烷基酯)诸如聚(苯乙烯-共聚-丙烯酸甲酯)、聚(苯乙烯-共聚-甲基丙烯酸)和聚(苯乙烯-共聚-丙烯酸))。
适用于本发明的丙烯酸类单体包括具有丙烯酸官能度的任何化合物。优选的丙烯酸类单体选自(甲基)丙烯酸烷基酯、丙烯酸以及(甲基)丙烯酸的芳族衍生物。通常,(甲基)丙烯酸烷基酯单体(在本文中也称为“(甲基)丙烯酸的烷基酯”)将具有每分子含有1至12个、优选地1至8个、更优选地1至5个碳原子的烷基酯部分,即一种或多种(甲基)丙烯酸烷基酯包括一种或多种甲基丙烯酸C1至C12烷基酯,优选地(甲基)丙烯酸C1至C8烷基酯,并且更优选地(甲基)丙烯酸C1至C5烷基酯。
合适的丙烯酸类单体包括例如(甲基)丙烯酸甲酯、(甲基)丙烯酸乙酯、(甲基)丙烯酸丁酯、(甲基)丙烯酸丙酯、(甲基)丙烯酸2-乙基己酯、(甲基)丙烯酸环己酯、(甲基)丙烯酸癸酯、(甲基)丙烯酸异癸酯、(甲基)丙烯酸苄酯、(甲基)丙烯酸异冰片酯、(甲基)丙烯酸新戊酯、甲基丙烯酸1-金刚烷酯和各种反应产物诸如与(甲基)丙烯酸反应的丁基、苯基和甲苯基缩水甘油醚,(甲基)丙烯酸羟烷基酯诸如(甲基)丙烯酸羟乙酯和(甲基)丙烯酸羟丙酯,以及丙烯酸诸如(甲基)丙烯酸、乙基丙烯酸、α-氯丙烯酸、α-氰基丙烯酸、巴豆酸、β-丙烯酰氧基丙酸和β-苯乙烯基丙烯酸。
在本发明的一个实施方案中,一种或多种任选地被取代的苯乙烯单体选自未被取代的苯乙烯和被C1至C6烷基取代的苯乙烯中的一种或多种。
在本发明的另一个实施方案中,苯乙烯-丙烯酸酯共聚物基本上不交联。
在本发明的另一个实施方案中,苯乙烯丙烯酸类共聚物具有大于或等于50,000道尔顿的重均分子量。优选地,苯乙烯-丙烯酸酯共聚物具有小于或等于200,000道尔顿的重均分子量。
苯乙烯-丙烯酸酯共聚物可以作为固体化合物或以在合适溶剂中的分散体的形式使用。
合适的溶剂包括非极性溶剂诸如二甲苯或甲苯,而甲苯是优选的,以及中等极性的高沸点溶剂诸如乙酸丁酯或碳酸二甲酯。后者仅与非极性组合使用以降低VOC水平。
合适且可商购获得的苯乙烯-丙烯酸酯共聚物的示例包括DSM Coating ResinsB.V.的B-723、/>B-725、/>B-775、/>B-826、/>B864、/>B-875、/>B-880、/>B-885、/>B-888、/>B890、/>B-891以及OMNOVA Solutions Inc.的/>AC80、/>AC5G。
相对于组合物的总重量,聚合物化合物的总量,即由烷氧基官能化聚合物和苯乙烯-丙烯酸酯共聚物产生的聚合物化合物的量通常为10重量%至40重量%,优选地15重量%至25重量%。
在本文中,烷氧基官能化有机聚合物与苯乙烯-丙烯酸酯共聚物之比为0.1:1至10:1,优选0.75:1至5.1:1。
相对于组合物的总重量,由烷氧基官能化聚合物产生的聚合物的量为7重量%至25重量%,优选地10重量%至16重量%。
在该上下文中,相对于整个组合物的总重量,由苯乙烯-丙烯酸酯共聚物产生的共聚物的量为3重量%至15重量%,优选地4重量%至9重量%。
为了避免苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、其他填料诸如季戊四醇和烷氧基官能化有机聚合物之间的反应,优选地将苯乙烯-丙烯酸酯共聚物和烷氧基官能化有机聚合物分开储存。这意指将两种组分分开包装,例如在双组分包装或多组分包装中,优选地在双组分包装中。
在双组分包装的一个优选实施方案中,
·相对于包含烷氧基官能化聚合物的组分的总重量,包含烷氧基官能化聚合物的组分中的聚合物的量为10重量%至100重量%,优选地70重量%至100重量%,
·相对于包含苯乙烯-丙烯酸酯共聚物的组分的总重量,包含苯乙烯-丙烯酸酯共聚物的组分中的共聚物的量为4重量%至20重量%,优选地7重量%至14重量%。
在所述双组分包装中,包含苯乙烯-丙烯酸酯共聚物的组分与包含烷氧基官能化聚合物的组分之间的重量比为1:1至20:1,优选地5:1至10:1。
膨胀型组合物(B)
根据本发明,该组合物包含膨胀型组合物,其中该组合物可包含一种单独的化合物或多种化合物的混合物。
如果使用通过形成膨胀绝热层起作用的化合物作为膨胀型组合物,则是实用的,该膨胀绝热层在热作用下形成,由具有低易燃性的材料构成,其防止基材受过热影响,并且从而防止或至少延迟支撑结构部件的机械特性和静态特性的变化。大体积绝热层,即灰层的形成可通过彼此配位的相应化合物的混合物的化学反应来形成,该相应化合物在热作用下彼此反应。此类体系通过术语化学膨胀为本领域技术人员已知,并且可根据本发明使用。另选地,可通过物理膨胀形成大体积绝热层。在每种情况下,根据本发明,两种体系可单独使用或一起以组合形式使用。
为了通过化学膨胀形成膨胀层,一般需要至少三种组分,即碳供体、脱氢催化剂和推进剂(也称为气体形成剂),它们包含在粘结剂中,例如,在涂料的情况下。在热作用下,粘结剂塑化,并且释放化合物,使得它们在化学膨胀的情况下彼此反应,或者在物理膨胀的情况下能够膨胀。用作碳化碳供体的催化剂的酸通过热分解由脱氢催化剂形成。同时,推进剂分解,形成惰性气体,该惰性气体引起碳化(烧焦)材料和(如果适用的话)塑化粘结剂的膨胀,从而导致大体积绝热泡沫的形成。
在通过化学膨胀形成绝热层的一个本发明实施方案中,绝缘层形成添加剂包含至少一种碳骨架形成剂,如果粘结剂不能用作此类碳骨架形成剂,则包含至少一种酸形成剂、至少一种推进剂和至少一种无机骨架形成剂。
在粘结剂本身可用作碳骨架形成剂的情况下,膨胀型组合物(B)包含至少一种酸形成剂和至少一种推进剂。任选地,为了增加灰壳的稳定性,膨胀型组合物还可包含至少一种无机骨架形成剂。即使粘结剂本身可用作碳骨架形成剂,也可将附加的碳骨架形成剂另外添加到膨胀型组合物中。
膨胀型组合物的组分以使得它们可形成协同作用的方式来特别选择,其中化合物中的一些化合物可满足多种功能。
通常用于膨胀型防火剂且本领域技术人员已知的化合物是可能的碳供体,诸如类似于淀粉的化合物,例如淀粉和改性淀粉,和/或多价醇(多元醇),诸如糖和多糖,和/或热塑性或热固性聚合物树脂粘结剂,诸如酚醛树脂、脲醛树脂、聚氨酯、聚氯乙烯、聚(甲基)丙烯酸酯、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、硅氧烷树脂和/或天然橡胶。合适的多元醇是选自下列的多元醇:糖、季戊四醇、二季戊四醇、三季戊四醇、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、山梨醇、EO-PO-多元醇。优选地,使用季戊四醇、二季戊四醇或聚乙酸乙烯酯。
应当提及的是,在火灾发生时,粘结剂本身也可具有碳供体的功能。
通常用于膨胀型防火制剂中且本领域技术人员已知的化合物是可能的脱氢催化剂或酸形成剂,诸如选自硫酸、磷酸或硼酸的无机非挥发性酸的盐或酯。基本上,使用含磷的化合物;它们的选择范围非常大,因为它们涵盖了磷的多个氧化阶段,诸如膦、氧化膦、鏻鎓化合物、磷酸盐、元素红磷、亚磷酸盐和磷酸盐。可提及磷酸化合物的以下示例:磷酸一铵、磷酸二铵、磷酸铵、多磷酸铵、三聚氰胺磷酸盐、三聚氰胺树脂磷酸盐、磷酸钾、磷酸多元醇酯(诸如磷酸季戊四醇酯、磷酸甘油酯、磷酸山梨醇酯、磷酸甘露醇酯、磷酸卫矛醇酯、磷酸新戊二醇酯、磷酸乙二醇酯、磷酸二季戊四醇酯等)。优选地,将多磷酸盐或多磷酸铵用作磷酸化合物。就这一点而言,三聚氰胺树脂磷酸盐应理解为诸如Lamelite C(三聚氰胺/甲醛树脂)与磷酸的反应产物的化合物。可提及硫酸化合物的以下示例:硫酸铵、氨基磺酸铵、硝基苯胺硫酸氢盐、4-硝基苯胺-2-磺酸和4,4-二硝基磺胺等。作为硼酸化合物的示例,可提及三聚氰胺硼酸盐。
可能的推进剂是通常用于防火剂中且本领域技术人员已知的化合物,诸如氰尿酸或异氰酸及它们的衍生物、三聚氰胺及其衍生物。此类化合物为氨腈、二氰胺、双氰胺、胍及其盐、双胍、氰尿酸三聚氰胺、氰酸盐、氰酸酯和酰胺、六甲氧基甲基三聚氰胺、焦磷酸二三聚氰胺、多磷酸三聚氰胺、三聚氰胺磷酸盐。优选使用六甲氧基甲基三聚氰胺或三聚氰胺(氰脲酸酰胺)。
此外,不将它们的作用方法限制为单一功能的组分是合适的,诸如多磷酸三聚氰胺,其既用作酸形成剂又用作推进剂。另外的示例描述于GB 2 007 689 A1、EP 139 401A1和US 3,969,291 A1中。
在本发明的一个实施方案中,其中绝热层通过物理膨胀形成,绝热层形成添加剂包含至少一种可热膨胀化合物,诸如石墨嵌入化合物,该化合物也被称为可膨胀石墨。这些化合物也可特别均匀地包含在粘结剂中。
已知的SOx、NOx、卤素和/或强酸在石墨中的嵌入化合物例如可用作膨胀石墨。这些膨胀石墨也被称为石墨盐。例如,优选在120℃至350℃的温度下释放SO2、SO3、NO和/或NO2从而引起膨胀的膨胀石墨。膨胀石墨可以例如以具有在0.1mm至5mm范围内的最大直径的小薄片的形式存在。优选地,该直径在0.5mm至3mm的范围内。适用于本发明的膨胀石墨可商购获得。通常,膨胀石墨颗粒均匀地分布在根据本发明的防火元件中。然而,膨胀石墨颗粒的浓度也可以以点状、图案状、平面和/或三明治状方式变化。就这一点而言,参考EP1489136A1。
在本发明的另一个实施方案中,绝热层通过化学膨胀和物理膨胀两者形成,使得膨胀型组合物不仅包含碳供体(如上所述任选的)、脱氢催化剂和推进剂,而且还包含可热膨胀化合物。
尽管在发生火灾时形成的灰壳通常是稳定的,使得不需要附加的添加剂诸如灰壳稳定剂,但是可以将至少一种灰壳稳定剂添加到这些组分中以进一步增强灰壳稳定性。
通常用于防火制剂中且本领域技术人员已知的化合物通常被认为是灰壳稳定剂或骨架形成剂,例如膨胀石墨和颗粒金属,诸如铝、镁、铁和锌。颗粒金属可以以粉末、薄片、鳞片、纤维、线和/或晶须的形式存在,其中呈粉末、薄片或鳞片形式的颗粒金属具有≤50μm,优选地0.5μm至10μm的粒度。在使用呈纤维、线和/或晶须形式的颗粒金属的情况下,优选厚度为0.5μm至10μm且长度为10μm至50μm。另选地或另外地,可将来自包括铝、镁、铁或锌的金属的氧化物或化合物用作灰壳稳定剂,具体地讲铁氧化物,优选地三氧化二铁,二氧化钛,硼酸盐如硼酸锌和/或由具有低熔点(其中熔融温度优选地为或高于400℃)的玻璃类型、磷酸盐或硫酸盐玻璃类型、三聚氰胺聚硫酸锌、铁玻璃类型或硼硅酸钙构成的玻璃料。此类灰壳稳定剂的添加有助于在发生火灾时灰壳的显著稳定,因为这些添加剂增加了膨胀层的机械强度以及/或者防止其滴落。此类添加剂的示例还见于US 4,442,157 A、US 3,562,197 A、GB 755 551A以及EP 138 546A1中。
此外,还可含有灰壳稳定剂,诸如三聚氰胺磷酸盐或三聚氰胺硼酸盐。
相对于总组合物,该组合物中的膨胀型组合物的含量可以为20重量%至99重量%,其中该量基本上取决于组合物的施用形式(喷涂、刷涂等)。为了形成尽可能高的膨胀率,将膨胀型组合物在总制剂中的比例设定为尽可能高。优选地,其在总制剂中的比例等于35重量%至85重量%,并且特别优选地为40重量%至85重量%。
另外的化合物
催化剂
在一个优选的实施方案中,该组合物包含至少一种用于固化硅烷封端的聚合物的催化剂。适用于催化聚合物的硅烷基团之间的Si-O-Si-键的形成的所有化合物均可用作催化剂。作为示例,可以提及金属化合物,诸如钛化合物、锡化合物。另选地,可提及酸性催化剂或碱性催化剂。
在钛化合物中,优选钛酸酯,诸如钛酸四丁酯、钛酸四丙酯、钛酸四异丙酯、四乙酰丙酮-钛酸酯。
在作为催化剂的金属化合物中,可提及有机铝化合物或铋盐或螯合化合物的反应产物,诸如四乙酰丙酮锆。
在锡化合物中,优选二月桂酸二丁基锡、马来酸二丁基锡、二乙酸二丁基锡、二辛酸二丁基锡、乙酰丙酮二丁基锡、氧化二丁基锡,或二辛基锡、环烷酸锡、二新十二烷酸二甲基锡的对应化合物,氧化二丁基锡和邻苯二甲酸酯的反应产物。
由于这些催化剂中的一些催化剂在其毒性方面存在问题,因此优选不含金属的催化剂,诸如酸性催化剂或碱性催化剂。
作为酸性催化剂的示例,可提及磷酸或磷酸酯、甲苯磺酸和无机酸。
作为碱性催化剂的示例,可提及简单碱诸如NaOH、KOH、K2CO3、氨、Na2CO3、脂族醇化物或K-酚盐的溶液。
特别优选地,催化剂选自有机胺,诸如三乙基胺、三丁基胺、三辛基胺、一乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、三异丙醇胺、四亚甲基二胺、Quadrol、二亚乙基三胺、二甲基苯胺、质子海绵(Proton Sponge)、N,N'-双[2-(二甲基氨基)乙基]-N,N'-二甲基乙二胺、N,N'-二甲基环己胺、N-二甲基苯胺、2-甲基戊二胺、2-甲基戊二胺、1,1,3,3-四甲基胍、1,3-二苯基胍、苯甲脒、N-乙基吗啉、2,4,6-三(二甲基氨基甲基)苯酚(TDMAMP);1,8-二氮杂二环[5.4.0]十一碳-7-烯(DBU)和1,5-二氮杂二环(4.3.0)壬-5-烯(DBN);正戊胺、正己胺、二正丙胺和乙二胺;DABCO、DMAP、PMDETA、咪唑和1-甲基咪唑或胺和羧酸的盐,以及聚醚胺,诸如聚醚一胺、聚醚二胺或聚醚三胺,诸如例如Huntsman的Jeffamine,和醚胺,诸如例如Huntsman的Jeffkat。就这一点而言,参考专利申请WO 2011/157562 A1和WO2013/003053A1。
催化剂的类型和量根据所选烷氧基硅烷官能化聚合物和期望的反应性来选择。
添加剂
在另一个实施方案中,根据本发明的组合物还包含至少一种另外的成分,其选自水清除剂、有机和/或无机混合物和/或另外的添加剂。
为了防止与所用填料的残余水分或空气中的湿气过早反应,通常将水清除剂添加到组合物中。优选地,水清除剂是有机官能化烷氧基硅烷或低聚物有机官能化烷氧基硅烷,更优选地乙烯基官能化硅烷、低聚物乙烯基官能化硅烷、乙烯基/烷基官能化硅烷、低聚物氨基/烷基官能化硅烷、乙酰氧基/烷基官能化硅烷、氨基官能化硅烷、低聚物氨基官能化硅烷、氨基甲酸酯基硅烷或甲基丙烯酰氧基官能化硅烷。最优选地,水清除剂为二叔丁氧基二乙酰氧基硅烷、双(3-三乙氧基甲硅烷基丙基)胺、双(3-三甲氧基丙基)胺、3-氨基丙基甲基二乙氧基硅烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷、N-环己基氨基甲基三乙氧基硅烷、乙烯基二甲氧基甲基硅烷、乙烯基三乙酰氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、甲基丙烯酰氧基甲基-甲基二甲氧基硅烷、甲基丙烯酰氧基甲基三甲氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基三乙酰氧基硅烷、N-甲基[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]氨基甲酸酯、N-三甲氧基甲硅烷基甲基-O-甲基氨基甲酸酯、N-二甲氧基(甲基)甲硅烷基-甲基-O-甲基氨基甲酸酯或它们的组合。
该捕水剂的示例为1146、/>6490、/>6498、BDAC、/>1122、/>1124、/>1133、/>1204、/>1505、/>1506、/>AMEO、/>AMEO-T、VTEO、/>VTMO、/>VTMOEO、/>6598(Evonik)、XL 926、/>XL 10、/>XL 12、/>GF 56、/>GF 62、GF 31、/>XL 32、/>XL 33、/>GF39、/>GF 60、XL 63和/>XL 65(Wacker)。
相对于总组合物,这些水清除剂的含量优选地为0重量%至5重量%,更优选地0.5重量%至4重量%,并且最优选地0.7重量%至3重量%。
任选地,可以将一种或多种反应性阻燃剂作为另外的添加剂添加到根据本发明的组合物中。将此类化合物内置于粘结剂中。本发明意义上的示例为反应性有机磷化合物,诸如9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)及其衍生物,诸如例如DOPO-HQ、DOPO-NQ和加合物。
可将附加的添加剂,诸如增稠剂和/或流变添加剂,以及填料添加到组合物中。优选地,将多羟基羧酸酰胺、脲衍生物、不饱和羧酸酯的盐、酸性磷酸衍生物的烷基铵盐、酮肟、对甲苯磺酸的胺盐、磺酸衍生物的胺盐以及这些化合物的水溶液或有机溶液或混合物用作流变添加剂,诸如抗沉降剂、抗径流剂和触变剂。此外,可使用基于热解硅酸或沉淀硅酸或基于硅烷化的热解硅酸或沉淀硅酸的流变添加剂。优选地,流变添加剂为热解硅酸、改性和未改性的层状硅酸盐、沉淀硅酸、纤维素醚、多糖、PU和丙烯酸酯增稠剂、脲衍生物、蓖麻油衍生物、聚酰胺和脂肪酸酰胺以及聚烯烃(在它们以固体形式存在时)、粉末状纤维素和/或悬浮剂诸如例如黄原胶。
除了已经描述的添加剂之外,该组合物还可包含常用的助剂,诸如润湿剂,例如基于聚丙烯酸酯和/或多磷酸盐的润湿剂,消泡剂诸如硅氧烷消泡剂,颜料,杀真菌剂,或如果需要的话,各种不同的填料,诸如蛭石、无机纤维、石英砂、微玻璃珠、云母、二氧化硅、矿棉等。
根据本发明的组合物可以单组分体系或多组分体系形式包装。优选地,将组合物包装为双组分体系或多组分体系,以避免在使用组合物之前苯乙烯-丙烯酸酯共聚物与烷氧基官能化聚合物的反应。
当被包装为双组分体系或多组分体系时,该组合物的另外的成分根据它们彼此之间的相容性以及与该组合物中所包含化合物的相容性进行划分,并且可被包含在两种组分中的一者中或这两种组分中。
此外,另外的成分,具体地讲固体成分的划分可取决于这些成分在组合物中的预期含量。通过相应的划分,在一些情况下,相对于总组合物,可产生更高的比例。
组分还可以仅包含苯乙烯-丙烯酸酯共聚物。
另选地,苯乙烯-丙烯酸酯共聚物可以连同其他成分(诸如添加剂和/或填料)一起包含在双组分体系的组分中。
就这一点而言,膨胀型组合物可以总混合物形式包含在一种组分或多种组分中,或者划分为单独的组分。防火添加剂的划分根据组合物中包含的化合物的相容性来进行,使得既不发生组合物中包含的化合物彼此之间的反应或相互干扰,也不发生这些化合物与其他成分的化合物的反应。这取决于所用的化合物。
优选的是,如果膨胀型组合物包含碳供体、推进剂和脱氢催化剂,则将碳供体、推进剂和脱氢催化剂与烷氧基硅烷官能化聚合物和交联剂分开以抑制反应。但是也可仅将碳供体与烷氧基硅烷官能化聚合物和交联剂分开,这意指推进剂、脱氢催化剂和烷氧基硅烷官能化聚合物可包含在一种组分中。以这种方式,确保可实现最高可能比例的填料。这导致高膨胀,即使在组合物的较低层厚度下也是如此。
如果组合物还含有附加的灰壳稳定剂,则后者可包含在双组分体系的两种组分中的一者中。另选地,也可将灰壳稳定剂划分成两种组分。因此,将灰壳稳定剂以如下方式划分成第一组分和第二组分:第一组分或第二组分包含灰壳稳定剂的至少一部分,并且如果适用的话,第二组分或第一组分包含灰壳稳定剂的另一部分。
使用刷子、辊或通过喷涂将该组合物以糊剂形式施加到基材,具体地讲金属基材上。优选地,通过无空气喷涂方法施加组合物。
与仅基于烷氧基官能化有机聚合物(特别是烷氧基硅烷官能化聚合物)的制剂相比,根据本发明的组合物的特征在于良好的耐火性能、剥离强度(或粘结强度)和高温方面(即,改善的烧焦物稳定性)。
为此,根据本发明的双组分组合物或多组分组合物适合作为涂料,具体地讲防火涂料,优选地用于基于金属和非金属的基材的可喷涂涂料。基材不受限制并且包括结构部件,具体地讲钢结构部件和木质结构部件,而且还包括单独的电缆、电缆束、电缆线路和电缆管道或其他管线。
根据本发明的组合物首先在建筑领域中用作涂料,具体地讲用于钢结构元件的防火涂料,而且还用作由其他材料(诸如混凝土或木材)构成的建筑元件的防火涂料,以及用作单独的电缆、电缆束、电缆线路和电缆管道或其他管线的防火涂料。
因此,本发明的另一个目的是根据本发明的组合物作为涂料,具体地讲作为由钢、混凝土、木材和其他材料(诸如塑料)构成的建筑元件或结构元件的涂料,具体地讲作为防火涂料的用途。
本发明还涉及当根据本发明的组合物已经固化时获得的物体。该物体具有优异的绝热层形成特性。
下面的实施例用于进一步解释本发明。
示例性实施方案
实施例中使用的化合物:
比较例
比较例1
比较例1基于WO 2010/131037 A1的实施例2,然而没有添加剂和增塑剂以更好地示出本发明的效果。该制剂基于基于烷氧基硅烷的聚合物作为唯一聚合物。由于省略增塑剂和添加剂的重量损失由硅烷封端的预聚物/交联剂共混物补偿,使得最终膜具有相同的填充含量。比较例1的制剂示于表1中。
比较例2
基于比较例1,制备具有一种增塑剂的制剂。比较例2的制剂也示于表1中。
比较例3
还基于比较例1,制备具有一种增塑剂但没有交联剂的制剂。比较例3的制剂也示于表1中。
比较例4
还基于比较例1,制备没有交联剂且没有增塑剂的制剂。比较例4的制剂也示于表1中。
实施例1至6
为了显示添加到基于无交联剂且无增塑剂的MS-共聚物的制剂中的苯乙烯-丙烯酸酯共聚物的正面影响,选择比较例3的制剂作为基础制剂。用如表1所示的不同量的苯乙烯-丙烯酸酯共聚物(实施例1至5)代替增塑剂。为了显示可以使用另选的苯乙烯-丙烯酸酯共聚物,用不同的苯乙烯-丙烯酸酯共聚物(实施例6)代替实施例5的苯乙烯-丙烯酸酯共聚物。
由所有比较例1至4制剂和实施例1至6制剂制备试样,并测定以下涂覆特性和耐火性能:
涂覆特性:
·45℃下1周后的肖氏D硬度
·45℃下1周后的膜外观(1.5mm WFT)
·粘结强度(剥离粘附测试)
通过使1.5mm湿膜厚度(WFT)的试样(下拉板)在45℃下干燥一周来测定试样的肖氏D硬度,而硬化物质的硬度是用肖氏硬度计(DIN-ISO 7619)测量的弹簧加载销在材料中的穿透深度。肖氏D硬度是使用尖端具有锥点的棒来测量的,所述尖端具有0.1mm的半径和30度的开角;所施加的质量为5kg,并且保持时间为15秒。结果示于表2中。
将1.5mm WFT(大约1mm DFT)的涂层施加到涂底漆的钢板上并使其在45℃下干燥1周(七天)的时间段来测定平坦表面外观或膜外观。结果也示于表2中。
按照ISO 4624进行剥离粘附测试以评价粘结强度。该测试测定了在材料塞脱离之前表面区域可以承受的最大垂直力(拉伸)。失效将沿着由测试构成的系统内的最弱平面发生,即粘合剂、膨胀型涂料、底漆和钢基材,并且将通过断裂表面暴露。可能发生四种失效模式:(1)底漆与钢之间的粘合失效,(2)底漆与膨胀型涂料之间的粘合失效,(3)膨胀型涂料的内聚失效,即,失效发生在膨胀型涂料内,(4)膨胀型涂料与塞之间的粘合失效。剥离粘附测试造成的系统断裂往往不是100%的一种失效模式,而是通常是两种失效模式的混合或组合,而百分比指示每种失效模式的程度。剥离粘附测试的结果(即,所实现的失效负荷)以及失效模式的视觉评估结果示于表3中。
板耐火性能特性:
·失效时间(表4)
·烧焦物特性(表5)
失效时间(TTF):对于耐火性能评价,涂底漆和喷砂处理的碳钢板(5mm厚度;280mm宽度;280mm宽度)被用根据表1所示的比较例1至4和实施例1至6的膨胀型涂料以2mm干膜厚度(DFT)涂覆。使其在环境温度下干燥并固化至少两周。按照ISO 834火灾曲线在以气体为燃料的炉子中进行火灾测试,并通过三个K型热电偶监测钢板中心的温度。失效时间是碳钢板达到平均温度538℃(也缩写为TTF538)的时间。结果示于表4中。
烧焦物特性:一旦板达到538℃平均温度,就使炉子停止,并使用通风尽可能快地冷却到室温。一旦板达到室温,就通过视觉检查分析其烧焦物以发现其膨胀特性。检查结果也示于在表4中。
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表2:肖氏D测量结果和膜外观的评估结果
表2中的结果表明,当丙烯酸类/苯乙烯共聚物代替增塑剂或交联剂与MS聚合物体系一起使用时,干膜的硬度增加。结果导致如下结论:苯乙烯-丙烯酸酯共聚物充当硬化剂诸如交联剂,也对膜形成具有正面影响。
表3:粘结强度测量结果
表3中的结果表明,比较例3的无交联剂的制剂不允许MS预聚物固化,从而导致可忽略的结果。比较例2的制剂中的高浓度的增塑剂导致粘结强度的降低。实施例1至6的结果表明,苯乙烯-丙烯酸酯共聚物与MS预聚物的结合使用提供了固化和平均水平的粘结强度,其可以与使用交联剂一样高。
表4:失效时间(TTF538)测量结果和烧焦物特性的评估结果
根据表4所示的结果,由于烧焦物从基材脱离,故比较例的耐火性能极差。与之相反,包含苯乙烯-丙烯酸酯共聚物的制剂(实施例1至6)显示耐火性能特性的显著改善,因为失效时间延长(这导致更长的绝缘时间)并且烧焦物特性更好。
Claims (17)
1.一种用于膨胀型涂料的防火组合物,包含:
(A)粘结剂体系,所述粘结剂体系包含:
(a1)烷氧基官能化有机聚合物,其包含具有通式(I)的烷氧基官能化硅烷基团,其中所述烷氧基官能化硅烷基团用于封端和/或沿聚合物链作为侧基,
-Si(R1)m(OR2)3-m (I),
其中
R1表示直链或支链的C1-C16烷基基团,
R2表示直链或支链的C1-C6烷基基团,并且
m为0至2的整数;和
(a2)苯乙烯-丙烯酸酯共聚物;和
(B)膨胀型组合物;
其中相对于所述组合物的总重量,由烷氧基官能化有机聚合物产生的聚合物的量为7重量%至25重量%,
所述苯乙烯-丙烯酸酯共聚物以大于或等于3重量%且小于或等于15重量%的量存在,以及
所述烷氧基官能化有机聚合物与所述苯乙烯-丙烯酸酯共聚物之比为0.1:1至10:1。
2.根据权利要求1所述的防火组合物,其中所述烷氧基官能化有机聚合物(a1)包含基本骨架,所述基本骨架为选自下列的至少一种成员:烷基链、聚醚、聚酯、聚醚酯、聚酰胺、聚氨酯、聚酯氨基甲酸酯、聚醚氨基甲酸酯、聚醚酯氨基甲酸酯、聚酰胺氨基甲酸酯、聚脲、多胺、聚碳酸酯、聚乙烯酯、聚丙烯酸酯、聚烯烃、聚异丁烯、多硫化物、天然橡胶、氯丁橡胶、酚醛树脂、环氧树脂和三聚氰胺。
3.根据权利要求2所述的防火组合物,其中所述基本骨架是聚醚或聚氨酯。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的防火组合物,其中所述烷氧基硅烷官能化聚合物(a1)包含至少2个烷氧基官能化硅烷基团。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的防火组合物,其中所述苯乙烯-丙烯酸酯共聚物能够通过单体混合物的聚合而衍生,所述单体混合物包含一种或多种(甲基)丙烯酸烷基酯单体和一种或多种任选地被取代的苯乙烯共聚单体。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的防火组合物,其中所述苯乙烯-丙烯酸酯共聚物能够衍生自单体混合物,所述单体混合物包含大于或等于30重量%且小于或等于60重量%的一种或多种(甲基)丙烯酸烷基酯共聚单体和大于或等于40重量%且小于或等于70重量%的一种或多种任选地被取代的苯乙烯共聚单体。
7.根据权利要求5或6所述的防火组合物,其中所述一种或多种(甲基)丙烯酸烷基酯包括一种或多种(甲基)丙烯酸C1至C12烷基酯。
8.根据权利要求5或6所述的防火组合物,其中所述一种或多种任选地被取代的苯乙烯单体选自未被取代的苯乙烯和被C1至C6烷基取代的苯乙烯中的一种或多种。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的防火组合物,其中相对于所述组合物的总重量,由所述烷氧基官能化有机聚合物和所述苯乙烯-丙烯酸酯共聚物所产生的聚合物的总量为10重量%至40重量%。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的防火组合物,其中所述膨胀型组合物(B)包含选自下列的至少一种化合物:脱氢催化剂、推进剂、碳供体、有机填料、无机填料、可热膨胀化合物以及它们中两种或更多种化合物的混合物。
11.根据权利要求10所述的防火组合物,其中所述膨胀型组合物(B)包含脱氢催化剂、推进剂和碳供体的组合。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的防火组合物,其中所述组合物还包含(C)另外的填料。
13.根据权利要求1至3中任一项所述的防火组合物,其中所述组合物还包含(D)另外的添加剂。
14.根据权利要求1至3中任一项所述的防火组合物,其中所述组合物为防火组合物。
15.根据权利要求1至3中任一项所述的防火组合物,其中所述组合物为具有第一组分和第二组分的双组分组合物。
16.根据权利要求15所述的防火组合物,其中所述第一组分包含烷氧基官能化有机聚合物(a1),并且所述第二组分包含所述苯乙烯-丙烯酸酯共聚物(a2)和所述膨胀型组合物(B)。
17.根据权利要求16所述的防火组合物,其中所述第一组分和/或所述第二组分还包含所述另外的填料(C)和/或所述另外的添加剂(D)。
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