CN101914333B - 一种水性纳米超薄型钢结构防火涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水性纳米超薄型钢结构防火涂料及其制备方法，是以原位乳液聚合方法制备的层状硅酸盐纳米复合乳液为成膜基料，按一定比例添加具有防火阻燃作用的脱水成炭催化剂、成炭剂、发泡剂、填料、助剂及适量水，充分研磨混合而成。各组分含量(总重量按100％计)为：纳米复合乳液35％～50％，脱水成炭催化剂17.5％～23.5％，发泡剂10％～15％，成炭剂5％～10％，分散剂0.2％～0.4％，消泡剂0.3％～0.8％，稳定剂0.3％～0.6％，填料0～2.0％，余量为水。本发明能够克服现有钢结构防火涂料的不足，具有性能优异、原材料易得、成本低、对环境无污染等特点，受火后能够形成均匀稳定的膨胀炭化层，从而对钢结构起到保护作用。

Description

一种水性纳米超薄型钢结构防火涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种钢结构防火涂料及其制备方法，尤其是涉及一种水性纳米超薄型钢结构防火涂料及其制备方法，属于化工行业涂料领域的新材料。

背景技术

钢结构作为现代建筑的主要形式，因具有质量轻、强度高，抗震性能好，施工周期短，建筑工业化程度高，空间利用率大，节省投资等优点，而被投资者大量应用。现阶段，钢结构被广泛应用于大跨度和超高建筑中，但钢结构建筑抗火性能差的特点也非常明显。钢材虽是一种不燃烧的材料，却是热的良导体，极易传导热量。钢材力学性能的临界温度在540℃。而当建筑物发生火灾时，火场的温度在几分钟之内即可达到1000℃左右，裸露的钢材很快就会上升到540℃的临界温度以上，其承载力就会急剧下降而导致建筑物坍塌，从而造成巨大的财产损失和严重的人员伤亡。因此，对钢结构进行防火保护是必须的，使用防火涂料就是一种理想的保护方法。将钢结构防火涂料喷涂在钢结构表面，起防火隔热保护作用，防止钢材在火灾中迅速升温而降低强度，以便为消防人员灭火救人赢得时间。

钢结构防火涂料按使用厚度分类的方法可分为厚型、薄型和超薄型。近年来，轻型钢结构在工程中的应用倍受青睐，各种轻钢梁、网架等也可用该类型防火涂料进行防火保护。由于该类防火涂料涂层超薄，工程中使用量较厚型、薄型钢结构防火涂料大大减少，这既降低了工程总费用，又使钢结构得到了有效的防火保护，是目前消防部门大力推广的品种。

目前国内钢结构防火中大量应用的是超薄型钢结构防火涂料，其是一种膨胀型涂料，是近年来研究的热点，而且其用量几乎占全部防火涂料的90％。膨胀型钢结构防火涂料都是以天然或者合成的高聚物(一般为树脂或乳液)为基料，填加脱水成炭催化剂、成炭剂、发泡剂，再辅以一些无机调料和助剂的混合体，在常温下形成厚度1.5mm至3mm的涂层，火灾时发生膨胀炭化，形成40至100mm的炭化层，起到防火保护作用。国内该类涂料产品仍主要以VOC含量很高的溶剂型为主，普通的水性防火阻燃涂料为辅。溶剂型防火涂料存在生产施工过程中释放大量有机溶剂，对周围环境和生产施工人员造成伤害，燃烧时释放大量有毒气体的问题。随着环保法规的不断健全，溶剂型涂料将越来越受到限制，而以水为介质的防火涂料由于环保安全，污染少，施工方便及成本低等优点，必将逐步取代溶剂型涂料。而普通的水性防火阻燃涂料也存在诸多的不足，主要表现在：(1)防火性能不佳，遇火膨胀后涂层强度差，会剥离，影响防火性能；(2)耐久性和耐老化性能不佳，涂层与基材结合力会逐渐下降，影响防火性能；(3)遇火时存在烟气安全问题。中国专利CN 1974695A介绍了一种无卤低烟超薄型有机无机复合防火涂料，由耐高温有机无机纳米复合杂化树脂与有机树脂复配，加入耐高温颜填料、成炭剂、发泡剂、催化剂、助剂等组分获得，涂层厚度在0.2-2mm可控，耐火极限可达30-200min。中国专利CN 101205441A采用聚有机硅氧烷、自交联聚丙烯酸酯复合乳液为成膜物质，并在通常所用的聚磷酸铵、三聚氰胺和季戊四醇为复合防火助剂的基础上，加入了三聚氰胺磷酸盐和前期发泡剂，防火涂料耐火极限可达90min(涂层厚度2mm)。

纳米技术在涂料中得到越来越广泛的应用。可使涂层的光学性能、力学性能等大大提高，同时还可能赋予涂层新的功能，从而提高涂料产品的市场竞争力。甘春芳等[涂料工业，2007，10：15-18]将钠基蒙脱土添加到溶剂型膨胀型防火涂料中，能有效提高防火涂料的阻燃性能。中国专利CN 1346855A公开了一种纳米复合耐高温防火涂料，由纳米碳化硅、纳米硅酸盐粘土以及磷酸盐、氧化物及纳米硅酸铝等纳米粒子中添加纳米的有机高分子材料。中国专利CN 1712463A介绍了一种环保型水性纳米防火阻燃涂料，由两种纳米阻燃剂与水性树脂、多聚磷酸铵、三聚氰胺、成炭剂、纳米颜、填料，微米颜、填料及其它助剂复配得到。但上述方法都是采用共混法制备纳米防火涂料。

发明内容

本发明就是针对现有技术存在的上述问题，而提供一种水性纳米超薄型钢结构防火涂料，该防火涂料能够克服现有钢结构防火涂料的不足，具有性能优异、原材料易得、成本低、对环境无污染等特点，受火后能够形成均匀稳定的膨胀炭化层，从而对钢结构起到保护作用。

本发明的另一目的是提供上述水性纳米超薄型钢结构防火涂料的制备方法。

为实现本发明的上述目的，本发明一种水性纳米超薄型钢结构防火涂料采用以下技术方案实现。

本发明一种水性纳米超薄型钢结构防火涂料由以下组分制备而成，各组分含量(总重量按100％计)为：

纳米复合乳液                        35％～50％

脱水成炭催化剂                      17.5％～23.5％

发泡剂                              10％～15％

成炭剂                              5％～10％

分散剂                              0.2％～0.4％

消泡剂                              0.3％～0.8％

稳定剂                              0.3％～0.6％

填料                                0～2.0％

水                                  余量

所述纳米复合乳液为原位乳液聚合法制备的钠基蒙脱土改性丙烯酸酯纳米复合乳液。纳米复合乳液的固体含量为25.0％～35.0％，蒙脱土的含量为0.5％～1.5％。

所述的脱水成炭催化剂为多聚磷酸铵，发泡剂为三聚氰胺，成炭剂为季戊四醇。多聚磷酸铵采用聚合度DP＞1000的聚磷酸铵为最佳。

所述的分散剂为六偏磷酸钠、多磷酸钠、焦磷酸钠中任一种。

所述的消泡剂为磷酸三丁酯、聚甲基三乙氧基硅烷、甲基聚硅氧烷、二甲基聚硅氧烷中的一种。

所述的稳定剂为壬基酚聚氧乙烯醚、辛基酚聚氧乙烯醚、聚氧乙烯月桂酸酯中任一种。

所述的填料为可膨胀石墨或有机膨润土中任一种或两种。

本发明一种水性纳米超薄型钢结构防火涂料的制备方法为：

按原料配比称取各组分，将分散剂、稳定剂溶解在水中，加入脱水成炭催化剂、成炭剂、发泡剂、填料和所述消泡剂含量中的20％-50％搅拌均匀，经球磨机研磨后获得浆料；将浆料加入配料缸中低速搅拌的同时依次加入作为基料的纳米复合乳液和其余消泡剂，搅拌速度为200-400r/min，继续搅拌至以上物料混合均匀，出料即得本产品的防火涂料。

或者，首先按原料配比称取各组分，先将分散剂、稳定剂溶解在水中，然后加入纳米复合乳液和消泡剂，在搅拌下依次加入脱水成炭催化剂、成炭剂、发泡剂和填料，再经球磨机研磨混合均匀后即得本产品的防火涂料。

超薄型钢结构防火涂料属于膨胀型防火涂料，成膜物对膨胀防火涂料的性能有重大影响，本发明采用层状硅酸盐改性丙烯酸酯纳米复合乳液作为成膜物质，既保证了涂层在正常工作条件下具有优异的附着力和提高聚合物基体的强度和阻隔性能，又能在火焰灼烧或高温作用下增强炭化层结构，并使之成为良好的绝缘体和传质屏障，帮助形成有难燃性和优异的膨胀发泡效果的炭化层。

多聚磷酸铵作为脱水成炭催化剂，是控制涂层的热分解过程，使涂层有机物脱水，形成不可燃性炭质三维空间网格结构，隔离受保护的基材和火源，减少热分解产生的可燃性焦油、醛、酮的量；同时释放出水蒸气冲淡可燃性气体和周围氧气的密度，阻止放热量大的碳氧化反应发生。本发明采用高聚合度(DP＞1000)的聚磷酸铵作为脱水成炭催化剂，避免聚磷酸铵溶于水后析出，降低涂料防火性能。

季戊四醇作为成炭剂，可以单独或在脱水成炭催化剂作用下加热成炭，使涂层在高温下形成不易燃三维空间结构的泡沫炭化层的物质基础，对泡沫炭化层起骨架作用。

三聚氰胺作为发泡剂，遇热时能分解释放出不燃性气体，如氨、二氧化碳、水蒸气等，这些不燃性气体使涂层膨胀，在涂层内形成海绵状多孔泡沫结构。

可膨胀石墨或有机膨润土不仅作为填料，同时对涂料的防火性能还具有协同作用，作为阻燃填料添加到防火涂料中。

消泡剂可改善防火涂料的流平性，消除缩孔、针孔、流挂等现象。

分散剂可有效地润湿填料，降低高固体分填料的粘度。

稳定剂能够保证涂料生产过程中的稳定性及存放稳定性。

本发明的效果和益处是采用原位乳液聚合制备的纳米复合乳液作为成膜基料，层状硅酸盐特殊的片层结构能够有效地提高聚合物基体的强度和阻隔性能，且在涂料配方中与膨胀阻燃体系协同作用，高温或火焰作用下可以形成机械性能良好的均匀发泡层，隔热性好，耐燃时间长，且涂层光滑，具有优良的耐水耐候性。特别是本发明技术制备水性防火涂料是以水为溶剂，不含有机溶剂和卤素阻燃剂，VOC含量很低，遇火时发烟量少，无毒害，是绿色环保型技术。本发明的制备工艺简单、成本低廉、应用广泛。

具体实施方式

为进一步描述本发明，下面结合实施例对本发明一种水性纳米超薄型钢结构防火涂料及其制备方法作更详细的描述。

实施例1

按照以下列出的组分和含量(重量百分比，％)，配制本发明的钢结构防火涂料：

纳米复合乳液                      40

多聚磷酸铵                        21.5

三聚氰胺                          12.9

季戊四醇                          8.6

多磷酸钠                          0.3

OP-10                             0.4

磷酸三丁酯                        0.4

水                                15.9

该实施例的制备方法为：将OP-10、多磷酸钠溶解在水中，加入多聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇和1/2磷酸三丁酯搅拌均匀，经球磨机研磨后获得浆料。将浆料加入配料缸中低速搅拌的同时依次加入纳米复合乳液和余下磷酸三丁酯，搅拌速度为200-400r/min，继续搅拌至以上物料混合均匀，出料即得本发明的水性纳米超薄型钢结构防火涂料。

实施例2

按照以下列出的组分和含量(重量百分比，％)，配制本发明的钢结构防火涂料：

纳米复合乳液                    45

多聚磷酸铵                      20.5

三聚氰胺                        12.3

季戊四醇                        8.2

多磷酸钠                        0.4

OP-10                           0.4

磷酸三丁酯                      0.5

可膨胀石墨                      0.2

水                              12.5

该实施例的制备方法为：将OP-10、多磷酸钠溶解在水中，加入多聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇和1/2磷酸三丁酯搅拌均匀，经球磨机研磨后获得浆料。将浆料加入配料缸中低速搅拌的同时依次加入纳米复合乳液、可膨胀石墨和余下磷酸三丁酯，搅拌速度为200-400r/min，继续搅拌至以上物料混合均匀，出料即得本发明的水性纳米超薄型钢结构防火涂料。

实施例3

按照以下列出的组分和含量(重量百分比，％)，配制本发明的钢结构防火涂料：

纳米复合乳液                    48

多聚磷酸铵                      21

三聚氰胺                        12.6

季戊四醇                        8.4

多磷酸钠                        0.4

OP-10                             0.6

磷酸三丁酯                        0.5

有机膨润土                        1

水                                7.5

该实施例的制备方法为：首先称取多磷酸钠、OP-10溶解在水中，然后加入纳米复合乳液和磷酸三丁酯，在搅拌下依次加入多聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺和有机膨润土，再经球磨机研磨混合均匀后，出料即得本发明的水性纳米超薄型钢结构防火涂料。

表1列示的是本发明水性纳米超薄型钢结构防火涂料实施例4-8组分与含量(重量％)。

表1水性纳米超薄型钢结构防火涂料组分与含量(重量％)

表1中，实施例46的工艺步骤与实施例1相同，实施例7-8的工艺步骤与实施例3相同。本发明制备的涂料在使用时将涂料均匀涂敷在处理好的基材表面，自然干燥固化。

Claims (3)

1.一种水性纳米超薄型钢结构防火涂料，其特征在于由以下组分制备而成，各组分重量百分含量为：

所述纳米复合乳液为原位乳液聚合法制备的钠基蒙脱土改性丙烯酸酯纳米复合乳液；所述的脱水成炭催化剂为多聚磷酸铵，发泡剂为三聚氰胺，成炭剂为季戊四醇；所述的分散剂为六偏磷酸钠；所述的消泡剂为磷酸三丁酯；所述的稳定剂为壬基酚聚氧乙烯醚；所述的填料为可膨胀石墨；

所述的纳米复合乳液的固体含量为25.0％～35.0％，蒙脱土的含量为0.5％～1.5％。

2.如权利要求1所述的一种水性纳米超薄型钢结构防火涂料的制备方法，其特征在于：按原料配比称取各组分，将分散剂、稳定剂溶解在水中，加入脱水成炭催化剂、成炭剂、发泡剂、填料和所述消泡剂含量中的20％-50％搅拌均匀，经球磨机研磨后获得浆料；将浆料加入配料缸中低速搅拌的同时依次加入作为基料的纳米复合乳液和其余消泡剂，搅拌速度为200-400r/min，继续搅拌至以上物料混合均匀，出料即得本产品的防火涂料。

3.如权利要求1所述的一种水性纳米超薄型钢结构防火涂料的制备方法，其特征在于：首先按原料配比称取各组分，先将分散剂、稳定剂溶解在水中，然后加入纳米复合乳液和消泡剂，在搅拌下依次加入脱水成炭催化剂、成炭剂、发泡剂和填料，再经球磨机研磨混合均匀后即得本产品的防火涂料。