CN116285438A - 一种硅铝型水性防火涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种硅铝型水性防火涂层及其制备方法，属于防火涂料技术领域。本发明的硅铝型水性防火涂层由50～60份硅铝溶胶、30～60份玻璃粉、5～50份耐火材料混合而成，其中还添加了少量成膜剂，制得的硅铝型水性防火涂料涂覆于基体表面，经干燥后即可得到硅铝型水性防火涂层。本发明所制备的硅铝型水性防火涂层，当暴露在火焰中时，可以形成完整的具有内部多孔结构的耐热、不燃陶瓷保护层，具有隔热屏蔽作用，能够阻止质量和热量的传递，使易燃的的木材、聚氨酯泡沫等能够快速自熄，并维持基体材料的力学和物理性能，最终起到保护基体材料的作用。
Description
技术领域
本发明涉及防火涂料技术领域，尤其涉及一种硅铝型水性防火涂层及其制备方法。
背景技术
频繁发生火灾引发了对防火涂层的迫切需求。一般来说，制备阻燃材料主要有三种方法：制备本质阻燃材料、添加阻燃剂、使用阻燃涂层。虽然目前可通过添加反应型阻燃剂制备本质阻燃的聚氨酯泡沫来制备阻燃材料，但其阻燃性仍不能满足国家建材的阻燃标准；通过添加含磷阻燃剂或者膨胀石墨也可以，但往往会影响材料的发泡过程、泡沫隔热性以及电绝缘性。相比泡沫材料，对于木材特别是实木的阻燃来说，目前主要采用浸渍阻燃剂法来提高阻燃性能，但这种工艺耗时耗能，处理后的木材还会出现返霜等现象，导致美观受影响。相比之下，阻燃涂层具有高效、易施工和不影响材料的本体性能等优点，因而在工业中具有非常广泛的用途，特别是建筑中的钢结构保护，主要采用阻燃或耐火涂层处理。
目前，工业使用的阻燃防火涂层主要是膨胀型和非膨胀型两大类。膨胀型阻燃涂层在遇到火或高温时会形成一个比原始厚度体积增大10～30倍的膨胀碳层，该碳层具有很好的隔热效果，因此可以很好地保护下层基体。但是，由于过度膨胀导致碳层比较脆弱，同时在高温下会进一步氧化分解，因此很难承受大火和长时间高温。另外，这种涂层往往需要1毫米以上的厚度才能达到较为满意的保护效果。并且现有的防火涂料通常效率低、成本高、难以批量生产，并且与基材的粘附性差，这严重阻碍了其实际应用。非膨胀性阻燃涂层也得到了广泛应用，但是非膨胀型涂层在使用的时候需要涂至一定的厚度才能起到阻燃的效果。常规的阻燃涂层中一般要添加溴、锑系阻燃剂，或者其它的有机阻燃组分，在高温下可能产生有毒气体。
因此，避免使用卤素、磷系和锑系阻燃剂，构建耐高温、安全环保的无机防火涂层具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅铝型水性防火涂层及其制备方法，以解决现有技术中阻燃防火涂层很难承受大火和使用有机溶剂的问题。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种硅铝型水性防火涂层，由包含如下质量份数的组分组成：硅铝溶胶50～60份、玻璃粉30～60份和耐火材料5～50份。
进一步的，所述硅铝型水性防火涂层还包含成膜剂。
进一步的，所述成膜剂的添加量为硅铝溶胶添加量的1～50％。
进一步的，所述成膜剂为水溶性粘结剂，所述水溶性粘结剂包含水溶性环氧树脂、水溶性聚酯树脂、水溶性醇酸树脂、水溶性丙烯酸树脂、水溶性硅酸盐和水溶性磷酸盐中的一种或多种，其中成膜剂中水溶性粘结剂的含量为1～20wt％。
进一步的，所述硅铝溶胶由纳米二氧化硅溶胶和纳米氧化铝溶胶混合而成。
进一步的，所述纳米二氧化硅溶胶和纳米氧化铝溶胶的质量比为1～7:3～10。
进一步的，所述耐火材料包含石墨、云母、碳化硅、碳化硼、氮化硅、氮化硼、硼化锆、硼化钛和氧化钛中的一种或多种。
本发明提供了一种硅铝型水性防火涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)将各原料按照质量配比混合，得到硅铝型水性防火涂料；
(2)将硅铝型水性防火涂料涂覆于基体材料表面，经干燥后即得到硅铝型水性防火涂层。
进一步的，所述步骤(2)中，基体材料包含水泥砂浆、水泥净浆、混凝土、木材、钢材或有机泡沫。
进一步的，所述步骤(2)中，干燥的温度为80～120℃，干燥的时间为10～30min。
本发明的有益效果：
(1)本发明所制备的硅铝型水性防火涂层，以硅铝溶胶作为涂层主体，以低熔点玻璃粉和耐火材料作为增效剂，添加少量成膜剂而成，在高温下可形成具有低导热性的流动非燃烧层，成为底层基材的坚固防火屏障。
(2)本发明在制备硅铝型水性防火涂层时，以水作为溶剂即可，不含有苯、二甲苯、乙烷、甲醛等VOC有害物质，降低了对大气的污染，同时能够降低对施工人员的伤害，在密闭环境中也可以照常施工。制备过程中不需要经过研磨，直接混合搅拌即可，制备方法简单可靠，消除了施工、储存时的火灾隐患。
(3)本发明所制备的硅铝型水性防火涂层，当暴露在火焰中时，可以形成完整致密的耐热、不燃陶瓷保护层，具有隔热屏蔽作用，能够阻止质量和热量的传递，使易燃的木材、聚氨酯泡沫等能够快速自熄，并维持基体材料的力学和物理性能，最终起到保护基体材料的作用。
(4)本发明所制备的硅铝型水性防火涂层在木材、钢板、砂浆等表面附着力强，耐候性强，在建筑、交通、管道和电气等领域都具有良好的应用前景。
附图说明
图1为实施例1所制备的硅铝型水性防火涂层涂在聚氨酯泡沫上的燃烧性能测试图；
图2为未涂任何防火涂层的聚氨酯泡沫的燃烧性能测试图；
图3为实施例1所制备的硅铝型水性防火涂料涂敷在水泥净浆上和未涂覆的水泥净浆在烧蚀过程中的红外热像图，其中左图的1为涂敷了硅铝型水性防火涂料的水泥净浆的红外热像图，左图的2为未涂覆的水泥净浆的红外热像图；
图4为实施例1所制备的硅铝型水性防火涂料涂敷在水泥净浆上和未涂覆的水泥净浆的力学性能对比图；
图5为实施例1～4所制备的硅铝型水性防火涂层在不同基体上的对比图；
图6为聚氨酯泡沫表面的硅铝型水性防火涂层在酒精灯灼烧前后的形貌对比图，左图为防火涂层灼烧前的形貌，右图为防火涂层灼烧后的形貌。
具体实施方式
本发明所使用的纳米二氧化硅溶胶和纳米氧化铝溶胶的制备方法为：
纳米二氧化硅溶胶的制备方法：75ml正硅酸乙酯(TEOS)与500ml去离子水混合，用氨水碱化至pH＝8，60℃的油浴中加热搅拌24h制得纳米二氧化硅溶胶。
纳米氧化铝溶胶的制备方法：25.4ml仲丁醇铝(ATSB)溶解在23.8ml仲丁醇中，得到金属醇盐溶液，金属醇盐溶液加到200ml的去离子水中，去离子水提前加热至85℃并用4.5ml硝酸酸化处理，制得纳米氧化铝溶胶。
本发明提供了一种硅铝型水性防火涂层，由包含如下质量份数的组分组成：硅铝溶胶50～60份、玻璃粉30～60份和耐火材料5～50份。
在本发明中，所述硅铝溶胶的质量份数优选为52～58份，进一步优选为硅铝溶胶55份。
在本发明中，所述玻璃粉的质量份数优选为35～55份，进一步优选为40～50份。
在本发明中，所述耐火材料的质量份数优选为10～45份，进一步优选为15～40份。
在本发明中，所述硅铝型水性防火涂层优选还包含成膜剂。
在本发明中，所述成膜剂的添加量为硅铝溶胶添加量的1～50％，优选为10～40％，进一步优选为20～30％。
在本发明中，所述成膜剂为水溶性粘结剂，所述水溶性粘结剂包含水溶性环氧树脂、水溶性聚酯树脂、水溶性醇酸树脂、水溶性丙烯酸树脂、水溶性硅酸盐和水溶性磷酸盐中的一种或多种，优选为水溶性环氧树脂、水溶性聚酯树脂、水溶性醇酸树脂、水溶性丙烯酸树脂和水溶性硅酸盐中的一种或多种，进一步优选为水溶性环氧树脂、水溶性聚酯树脂、水溶性醇酸树脂和水溶性丙烯酸树脂中的一种或多种；其中成膜剂中水溶性粘结剂的含量为1～20wt％，优选为2～19wt％，进一步优选为3～18wt％。
在本发明中，所述硅铝溶胶由纳米二氧化硅溶胶和纳米氧化铝溶胶混合而成。
在本发明中，所述纳米二氧化硅溶胶和纳米氧化铝溶胶的质量比为1～7:3～10，优选为2～6:4～9，进一步优选为3～5:5～8。
在本发明中，所述耐火材料包含石墨、云母、碳化硅、碳化硼、氮化硅、氮化硼、硼化锆、硼化钛和氧化钛中的一种或多种，优选为石墨、云母、碳化硅、碳化硼、氮化硅、氮化硼、硼化锆和硼化钛中的一种或多种，进一步优选为石墨、云母、碳化硅、碳化硼、氮化硅和氮化硼中的一种或多种。
本发明提供了一种硅铝型水性防火涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)将各原料按照质量配比混合，得到硅铝型水性防火涂料；
(2)将硅铝型水性防火涂料涂覆于基体材料表面，经干燥后即得到硅铝型水性防火涂层。
在本发明中，所述步骤(2)中，基体材料包含水泥砂浆、水泥净浆、混凝土、木材、钢材或有机泡沫，优选为水泥砂浆、水泥净浆、混凝土、木材或有机泡沫，进一步优选为混凝土、木材或有机泡沫。
在本发明中，所述步骤(2)中，干燥的温度为80～120℃，优选为90～110℃，进一步优选为100℃；干燥的时间为10～30min，优选为15～25min，进一步优选为20min。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
首先将15g纳米二氧化硅溶胶和45g纳米氧化铝溶胶混合，制得60g硅铝溶胶，再加入含量为2.5wt％的聚乙烯醇树脂水溶液0.6g、玻璃粉30g、氮化硼5g混合并搅拌均匀，得到硅铝型水性防火涂料，然后将硅铝型水性防火涂料涂敷在水泥净浆上，在100℃的条件下干燥20min，得到硅铝型水性防火涂层。
实施例2
首先将38.5g纳米二氧化硅溶胶和16.5g纳米氧化铝溶胶混合，制得55g硅铝溶胶，再加入含量为20wt％的丙烯酸树脂水溶液5.5g、玻璃粉35g、氮化硅10g混合并搅拌均匀，得到硅铝型水性防火涂料，然后将硅铝型水性防火涂料涂敷在硬质聚氨酯泡沫上，在80℃的条件下干燥30min，得到硅铝型水性防火涂层。
实施例3
首先将27.5g纳米二氧化硅溶胶和27.5g纳米氧化铝溶胶混合，制得55g硅铝溶胶，再加入含量为15wt％的环氧树脂水溶液27.5g、玻璃粉40g、碳化硼5g混合并搅拌均匀，得到硅铝型水性防火涂料，然后将硅铝型水性防火涂料涂敷在木块上，在110℃的条件下干燥15min，得到硅铝型水性防火涂层。
实施例4
首先将5g纳米二氧化硅溶胶和45g纳米氧化铝溶胶混合，制得50g硅铝溶胶，再加入含量为1wt％的聚氨酯水溶液15g、玻璃粉45g、硼化锆5g混合并搅拌均匀，得到硅铝型水性防火涂料，然后将硅铝型水性防火涂料涂敷在水泥砂浆上，在120℃的条件下干燥10min，得到硅铝型水性防火涂层。
性能测试
将本发明实施例1所制备的硅铝型水性防火涂层涂在聚氨酯泡沫上，并进行燃烧性能测试，从图1可以看出：涂上本发明实施例1所制备的防火涂层的聚氨酯泡沫在酒精灯火焰中不发生燃烧，火焰移除后自动熄灭。图2为没有涂任何防火涂层的聚氨酯泡沫，从图中可以看出在酒精灯火焰中迅速燃烧至完全碳化。
将本发明实施例1所制得的硅铝型水性防火涂料涂覆在水泥净浆上，然后将涂覆有硅铝型水性防火涂料的水泥净浆和未涂覆的水泥净浆放在微电脑加热平台上，设定温度为100℃，加热20min，通过红外热像仪对两个样品进行热像表征，结果如图3所示，从图3中可以看出有涂层的试样上表面的温度明显低于无涂层的试样，说明涂层具有一定的隔热能力，反映出涂层有一定的阻止热量传递的效果。
将涂覆有硅铝型水性防火涂料的水泥净浆和未涂覆的水泥净浆在不同温度下加热30分钟后进行力学性能测试，测试结果如图4所示，从图4中可以看出，涂覆了本发明实施例1制得的硅铝型水性防火涂层的水泥净浆的抗压强度均高于未涂覆的水泥净浆的强度，并且经过800℃的煅烧处理后抗压强度仍然可达24.3MPa。
将实施例1所制得的硅铝型水性防火涂料分别涂覆在木块、水泥砂浆、水泥净浆、聚氨酯泡沫上形成的硅铝型水性防火涂层的照片如图5所示。
从图6中可以看出，防火涂层灼烧前，涂层中存在一些孔隙；灼烧之后涂层形貌发生显著变化，形成完整致密的耐热、不燃陶瓷保护层。
由以上实施例可知，本发明提供了一种硅铝型水性防火涂层及其制备方法，本发明的硅铝型水性防火涂层由50～60份硅铝溶胶、30～60份玻璃粉、5～50份耐火材料混合而成，其中还添加了成膜剂，制得的硅铝型水性防火涂料涂覆于基体表面，经干燥后即可得到硅铝型水性防火涂层。本发明所制备的硅铝型水性防火涂层，当暴露在火焰中时，可以形成完整的具有内部多孔结构的耐热、不燃陶瓷保护层，具有隔热屏蔽作用，能够阻止质量和热量的传递，使易燃的的木材、聚氨酯泡沫等能够快速自熄，并维持基体材料的力学和物理性能，最终起到保护基体材料的作用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种硅铝型水性防火涂层，其特征在于，由包含如下质量份数的组分组成：硅铝溶胶50～60份、玻璃粉30～60份和耐火材料5～50份。
2.根据权利要求1所述的一种硅铝型水性防火涂层，其特征在于，所述硅铝型水性防火涂层还包含成膜剂。
3.根据权利要求2所述的一种硅铝型水性防火涂层，其特征在于，所述成膜剂的添加量为硅铝溶胶添加量的1～50％。
4.根据权利要求2或3所述的一种硅铝型水性防火涂层，其特征在于，所述成膜剂为水溶性粘结剂，所述水溶性粘结剂包含水溶性环氧树脂、水溶性聚酯树脂、水溶性醇酸树脂、水溶性丙烯酸树脂、水溶性硅酸盐和水溶性磷酸盐中的一种或多种，其中成膜剂中水溶性粘结剂的含量为1～20wt％。
5.根据权利要求4所述的一种硅铝型水性防火涂层，其特征在于，所述硅铝溶胶由纳米二氧化硅溶胶和纳米氧化铝溶胶混合而成。
6.根据权利要求5所述的一种硅铝型水性防火涂层，其特征在于，所述纳米二氧化硅溶胶和纳米氧化铝溶胶的质量比为1～7:3～10。
7.根据权利要求1或2或3或5或6所述的一种硅铝型水性防火涂层，其特征在于，所述耐火材料包含石墨、云母、碳化硅、碳化硼、氮化硅、氮化硼、硼化锆、硼化钛和氧化钛中的一种或多种。
8.权利要求1～7任意一项所述的硅铝型水性防火涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将各原料按照质量配比混合，得到硅铝型水性防火涂料；
(2)将硅铝型水性防火涂料涂覆于基体材料表面，经干燥后即得到硅铝型水性防火涂层。
9.根据权利要求8所述的硅铝型水性防火涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，基体材料包含水泥砂浆、水泥净浆、混凝土、木材、钢材或有机泡沫。
10.根据权利要求8或9所述的硅铝型水性防火涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，干燥的温度为80～120℃，干燥的时间为10～30min。
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