CN117659801A - 一种防火阻燃涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防火阻燃涂料及其制备方法，涉及涂料技术领域。本发明防火阻燃涂料的制备方法包括如下步骤：将溶剂、基料树脂共混后，加入脱水碳化剂、成炭剂、发泡剂和颜填料，分散均匀，分散均匀，最后加入分散剂、消泡剂共混，得到防火阻燃涂料；基料树脂由γ‑甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷改性的二氧化钛交联环氧树脂得到。本申请制备的基料树脂添加在涂料组分中，制备出的防火阻燃涂料具有粘结力强、耐火性好以及耐溶剂性能优良的特点，应用在钢结构表面，不仅赋予钢材优良的耐火性能，而且防水、耐光老化性能优良。

Description

一种防火阻燃涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及涂料技术领域，具体涉及一种防火阻燃涂料及其制备方法。

背景技术

作为当代创新建筑结构中高性价比的材料之一，钢结构材质由于具有易生产自重质量轻、大负荷强度、施工中污染环境少、搭构灵活、抗震有效性好等优势在建筑中具有很重要的作用。尽管钢结构本身属于非燃性材料，但其良好的导热性，使其在常温下导热系数为52.8W/(m·K)；当温度达到750℃时，传导热系数为30W/(m·℃)，传热速度快。通常的火灾环境温度为800-1200℃范围内，并在大火持续的10min以内,环境温度能够达到700℃，而一般建筑中的钢材承载负荷临界温度为540℃左右。高温环境中的钢材在无防火涂层保护的裸钢情况下，仅仅几分钟之内就会将使钢材温度飙升到临界温度，钢材的屈服强度会下降至30％以下，钢结构总体的力学性能、抗压强度、荷载能力等都迅速消失，进而导致建筑体的垮塌。钢结构防火涂料是刷涂或喷涂在建筑物或构筑物钢结构表面，遇火时能形成耐火隔热保护层，阻碍火焰的侵袭，提高钢结构的耐火极限，满足建筑设计防火规范的要求，避免钢结构在高温下失去承载负荷的能力而塌陷。

通常根据防火涂料施工涂层厚度的不同，将其分为厚涂型钢结构防火涂料、薄涂型钢结构防火涂料以及超薄型钢结构防火涂料。超薄型钢结构防火涂料是指涂层厚度不超过3mm，耐火极限一般在0.5-1.5h，具有粘结强度高、流平性好、耐候耐水性好与装饰性好等特点。在遇到火焰高温的情况下，会快速形成膨胀状态的密实的隔热性泡沫状炭化涂层，这种泡沫化涂层能够有效起到隔绝在火灾时的高温热源环境与钢结构表面的接触，相比于裸露的钢结构表面，降低了热传导速率，拖长了钢质基材达到升度临界点的时间跨度。然而由于防火涂料中有机成分比例大，使其在防水防紫外线方面能力较差，容易自然降解。现有技术通过在其中添加纳米粒子提高涂料的防水、耐光老化性能，并且为了增高纳米粒子在基料中的分散性，通过硅烷偶联剂改性纳米粒子，但是随着有机硅化合物添加，涂料在钢板上的附着力降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种防火阻燃涂料及其制备方法，解决以下技术问题：

现有的涂料通过添加硅烷偶联剂改性纳米粒子提高涂料的防水、耐光老化性能，随着有机硅化合物添加，涂料在钢板上的附着力降低。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种防火阻燃涂料的制备方法，包括如下步骤：

将溶剂、基料树脂共混后，加入脱水碳化剂、成炭剂、发泡剂和颜填料，分散均匀，分散均匀，最后加入分散剂、消泡剂共混，得到防火阻燃涂料；

所述基料树脂的制备方法包括如下步骤：

S1：将去离子水、纳米二氧化钛加入反应瓶中，调节pH至3-6，分散均匀，加入γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，升温至50-60℃，搅拌条件下保温1-2h，离心、洗涤、干燥，得到改性二氧化钛；

S2：氮气氛围中，将环氧树脂、异丙醇加入反应釜中,控制温度80-85℃，加入丙烯酸单体混合物、改性二氧化钛,保温3-6h，控制温度85-90℃,加入偶氮二异丁氰组分二，分散均匀,控制温度40-50℃，保温1-3h，调节pH至7-8，即得基料树脂。

作为本发明的进一步方案：S1中去离子水、纳米二氧化钛、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的质量比为10-200：1：0.1-0.5。

作为本发明的进一步方案：S2中丙烯酸单体混合物为质量比为10-13：18-22：12-17：1-2：0.05-0.3的甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸、偶氮二异丁氰组分一混合得到。

作为本发明的进一步方案：S2中环氧树脂、异丙醇、丙烯酸单体混合物、改性二氧化钛、偶氮二异丁氰组分二的质量比为1-8：80-90：40-80：5-10：0.05-0.3。

作为本发明的进一步方案：溶剂、基料树脂、脱水碳化剂、成炭剂、发泡剂、颜填料、分散剂、消泡剂的质量比为25-30：18-23：18-23：8-10：8-10：6-8：1:8-12。

作为本发明的进一步方案：所述脱水碳化剂为磷酸氢二胺、聚磷酸铵、磷酸三聚氰胺、多聚磷酸铵、磷酸尿素中的任一种或几种以任意比混合得到。脱水碳化剂将具有羟基的物质进行脱水作用的酸性物质，将防火涂料的热反应进程得到正向促进及改善，使难燃的三维立体结构的炭层得到生成，降低可燃性的焦油、醛和酮在热分解时生成量，同时使不可燃气体生成反应的节奏加快。

作为本发明的进一步方案：分散剂包括由六偏磷酸钠、三聚磷酸钠、焦磷酸钠中的任一种或几种以任意比混合得到。

作为本发明的进一步方案：发泡剂为磷酸三聚氰胺、三聚氰胺、双氰胺中的任一种或几种以任意比混合得到。发泡剂将含氮化合物经热分解后生成氨气、水以及二氧化碳等不可燃性气体，加之在脱水碳化剂脱水后形成的碳化物，使涂层残炭被吹起膨胀形成海绵状结构。

作为本发明的进一步方案：颜填料为氢氧化铝，颜填料作为固相添加剂，具有反射热辐射和阻隔热源的双重隔热功能；所述消泡剂为磷酸三丁酯；所述成炭剂为季戊四醇，成炭剂作为膨胀体中的骨架支撑物质部分之一，在脱水碳化剂的热分解情况下，通过催化脱水使其变为多孔膨胀炭质层；所述溶剂为二甲苯。

一种防火阻燃涂料,由上述任一项制备方法制成。

本发明的有益效果：

(1)本申请首先利用γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷对纳米二氧化钛进行改性，偶联剂水解形成硅醇,然后与纳米二氧化钛表面上的羟基脱水缩合，在纳米二氧化钛表面接枝包覆有机分子链,有效阻止纳米粒子相互之间的团聚,改善它的分散性,从而提高其光催化活性。本申请利用丙烯酸单体、改性二氧化钛以及环氧树脂进行交联改性制备得到基体树脂。基体树脂在涂层受热时软化熔融,使整个涂层软化、塑化，促进阻燃体系的分解与膨胀,形成隔热涂层。本申请采用在环氧树脂分子结构中引入其他基团组分的共聚法,对环氧树脂进行复合改性,配以具防腐性能的有机、无机复合阻燃剂,以提高涂料的耐候性和火烧时涂料的发泡层与钢材的粘结性,同时提高涂层的耐化学腐蚀性。

(2)本申请利用丙烯酸类单体以及改性二氧化钛对环氧树脂进行改性，在环氧树脂分子链上引入丙烯基不饱和双键，然后与改性二氧化钛共聚，使得环氧树脂的粘附力强以及化学稳定性好以及热稳定性好；利用环氧树脂分子中含有的环氧基、醚键、羟基等活性基团,改善涂层与基体的粘结强度、耐化学腐蚀性，丙烯酸共聚分子链以饱和的C-C键为主链，含碳量高，能促进涂料形成稳定的炭层而提高防火性能；同时,它的侧链带有极性基团，赋予涂料良好的耐碱、耐油性、粘结性、耐候性。改性二氧化钛弥散分布于基料中引入S i-O键，使得树脂在固化时形成交联网状结构，涂层的结构发生了很大变化，阻碍了涂层内位错线的移动，克服了环氧树脂中引入丙烯酸分子链导致基体树脂出现热粘冷脆的现象，赋予树脂优秀的耐水性和机械强度，提高涂料的耐候性、耐高温性。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

基料树脂的制备方法包括如下步骤：

S1：将100mL去离子水、1g纳米二氧化钛加入反应瓶中，调节pH至4，分散均匀，加入0.1gγ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，升温至50℃，搅拌条件下保温1h，离心、洗涤、干燥，得到改性二氧化钛；

S2：将11g甲基丙烯酸甲酯、20g丙烯酸丁酯、17g丙烯酸羟乙酯、1.8g丙烯酸、0.2g偶氮二异丁氰混合得到丙烯酸单体混合物；

S3：氮气氛围中，将8g环氧树脂、80g异丙醇加入反应釜中,控制温度80℃，加入40g丙烯酸单体混合物、5g改性二氧化钛,保温3h，控制温度85℃,加入0.05g偶氮二异丁氰，分散均匀,控制温度40℃，保温1h，调节pH至7，即得基料树脂。

实施例2

基料树脂的制备方法包括如下步骤：

S1：将100mL去离子水、1g纳米二氧化钛加入反应瓶中，调节pH至4，分散均匀，加入0.3gγ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，升温至55℃，搅拌条件下保温1.5h，离心、洗涤、干燥，得到改性二氧化钛；

S2：将11g甲基丙烯酸甲酯、20g丙烯酸丁酯、17g丙烯酸羟乙酯、1.8g丙烯酸、0.2g偶氮二异丁氰混合得到丙烯酸单体混合物；

S3：氮气氛围中，将8g环氧树脂、80g异丙醇加入反应釜中,控制温度80℃，加入60g丙烯酸单体混合物、7g改性二氧化钛,保温6h，控制温度85℃,加入0.2g偶氮二异丁氰，分散均匀,控制温度40℃，保温3h，调节pH至7，即得基料树脂。

实施例3

基料树脂的制备方法包括如下步骤：

S1：将100mL去离子水、1g纳米二氧化钛加入反应瓶中，调节pH至4，分散均匀，加入0.1-0.5gγ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，升温至50-60℃，搅拌条件下保温1-2h，离心、洗涤、干燥，得到改性二氧化钛；

S2：将11g甲基丙烯酸甲酯、20g丙烯酸丁酯、17g丙烯酸羟乙酯、1.8g丙烯酸、0.2g偶氮二异丁氰混合得到丙烯酸单体混合物；

S3：氮气氛围中，将8g环氧树脂、80g异丙醇加入反应釜中,控制温度85℃，加入80g丙烯酸单体混合物、10g改性二氧化钛,保温6h，控制温度90℃,加入0.3g偶氮二异丁氰，分散均匀,控制温度50℃，保温3h，调节pH至8，即得基料树脂。

实施例4

一种防火阻燃涂料的制备方法，包括如下步骤：

将100g二甲苯、85g实施例1制备的基料树脂共混后，加入80g磷酸氢二胺、35g季戊四醇、35g三聚氰胺和25g氢氧化铝，分散均匀，分散均匀，最后加入4g六偏磷酸钠、40g磷酸三丁酯共混，得到防火阻燃涂料。

实施例5

一种防火阻燃涂料的制备方法，包括如下步骤：

将100g二甲苯、85g实施例2制备的基料树脂共混后，加入80g磷酸氢二胺、35g季戊四醇、35g三聚氰胺和25g氢氧化铝，分散均匀，分散均匀，最后加入4g六偏磷酸钠、40g磷酸三丁酯共混，得到防火阻燃涂料。

实施例6

一种防火阻燃涂料的制备方法，包括如下步骤：

将100g二甲苯、85g实施例3制备的基料树脂共混后，加入80g磷酸氢二胺、35g季戊四醇、35g三聚氰胺和25g氢氧化铝，分散均匀，分散均匀，最后加入4g六偏磷酸钠、40g磷酸三丁酯共混，得到防火阻燃涂料。

实施例7

一种防火阻燃涂料的制备方法，包括如下步骤：

将100g二甲苯、72g实施例1制备的基料树脂共混后，加入80g磷酸氢二胺、35g季戊四醇、35g三聚氰胺和25g氢氧化铝，分散均匀，分散均匀，最后加入4g六偏磷酸钠、40g磷酸三丁酯共混，得到防火阻燃涂料。

实施例8

一种防火阻燃涂料的制备方法，包括如下步骤：

将100g二甲苯、92g实施例1制备的基料树脂共混后，加入80g磷酸氢二胺、35g季戊四醇、35g三聚氰胺和25g氢氧化铝，分散均匀，分散均匀，最后加入4g六偏磷酸钠、40g磷酸三丁酯共混，得到防火阻燃涂料。

对比例1

基料树脂的制备方法包括如下步骤：

S1：将11g甲基丙烯酸甲酯、20g丙烯酸丁酯、17g丙烯酸羟乙酯、1.8g丙烯酸、0.2g偶氮二异丁氰混合得到丙烯酸单体混合物；

S2：氮气氛围中，将8g环氧树脂、80g异丙醇加入反应釜中,控制温度80℃，加入40g丙烯酸单体混合物、5g二氧化钛,保温3h，控制温度85℃,加入0.05g偶氮二异丁氰，分散均匀,控制温度40℃，保温1h，调节pH至7，即得基料树脂。

对比例2

基料树脂的制备方法包括如下步骤：

S1：将11g甲基丙烯酸甲酯、20g丙烯酸丁酯、17g丙烯酸羟乙酯、1.8g丙烯酸、0.2g偶氮二异丁氰混合得到丙烯酸单体混合物；

S2：氮气氛围中，将8g环氧树脂、80g异丙醇加入反应釜中,控制温度80℃，加入40g丙烯酸单体混合物、5g纳米二氧化钛、0.5gγ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷,保温3h，控制温度85℃,加入0.05g偶氮二异丁氰，分散均匀,控制温度40℃，保温1h，调节pH至7，即得基料树脂。

对比例3

与实施例4相比，对比例3仅仅将实施例4中添加的实施例1制备的基料树脂等量替换成对比例1制备的基料树脂，其余组分和步骤与实施例4完全一致。

对比例4

与实施例4相比，对比例4仅仅将实施例4中添加的实施例1制备的基料树脂等量替换成对比例2制备的基料树脂，其余组分和步骤与实施例4完全一致。

性能检测

(1)硬度：根据GB/T 1730-1993《漆膜硬度测定法摆杆阻尼试验》进行测试；将制备实施例4-8、对比例3-4制备的涂料均匀的涂刷板材表面；在室温条件下实干成膜，采用天津材料试验机厂生产的QBF型漆膜摆杆式硬度仪进行检测，将测试摆杆在空白玻璃板和已涂布涂层的玻璃板上从5°至2°的震荡所需时间，分别为t和t0，t/t0为涂膜的摆杆硬度，检测结果见表1；

(2)附着力：根据GB/T 1720-1979《漆膜附着力测定法》进行测试，采用津材料试验机厂生产的QFD型附着力测定仪的评级方法对涂膜的附着力大小进行评定。方法为在实际干燥的漆膜上进行圆滚线的划痕操作,整个圆滚线划痕的长度不得少于75mm，检测目标位划痕的两侧，依照测定仪手册说明位置标定7个部位，并利用放大镜(4倍)逐个进行观察评级评定(1级最优，7级最差)，检测结果见表1；

(3)耐火极限：根据GB/T 14907-2002《钢结构防火涂料》进行测试，将实施例4-6、对比例1-2制备的涂料涂覆在I36b工字型钢梁材表面，涂层在温度20±5℃、湿度65％±5％下进行养护(涂层厚度2mm)；检测结果见表1；

(4)柔韧性：根据GB/T 6742-1986《漆膜弯曲试验(圆柱轴)》,使用装有规定直径圆柱轴的弯曲试验仪，将样板漆膜朝下固定后弯曲。弯曲后，不将样板从仪器上取出，立即检查样本。正常视力或10倍放大镜下检査涂层是否开裂或从样板上剥离(不计板边小于10mm的涂层)，检测结果见表1；

表1：实施例4-8、对比例3-4涂料性能检测数据统计表

由表1可知，本申请制备的涂料具有粘着力高、硬度高的特点，将涂料涂覆在钢结构表面，赋予钢结构优良的耐火极限，大大延长钢结构到达负荷临界温度的时长。

(5)耐化学腐蚀性：根据GB/T 14907-2002《钢结构防火涂料》，对实施例4-8、对比例3-4制备的防火涂料按照表2标准进行检测,检测结果见表3；

表2：防火涂料的耐腐蚀性能检测标准

		耐水性/h	>720，不分层、不开裂、不脱落、无变化
耐老化性/h	>720，不分层、不开裂、不脱落、几乎无变化
		耐湿热性/h	>504，不分层、不脱落、无变化
耐盐雾性/周期	>30，不气泡、表面无明显损坏
		耐碱性/h	>360，不分层、不开裂、不脱落
耐酸性/h	>360，不分层、不开裂、不脱落

表3：实施例4-8、对比例3-4涂料耐腐蚀性能检测数据统计表

由表3可知，本申请制备的涂料具有优良的耐化学介质性能。涂覆在钢材表面，赋予钢材长效的性能稳定性。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种防火阻燃涂料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将溶剂、基料树脂共混后，加入脱水碳化剂、成炭剂、发泡剂和颜填料，分散均匀，分散均匀，最后加入分散剂、消泡剂共混，得到防火阻燃涂料；

所述基料树脂的制备方法包括如下步骤：

S1：将去离子水、纳米二氧化钛加入反应瓶中，调节pH至3-6，分散均匀，加入γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，升温至50-60℃，搅拌条件下保温1-2h，离心、洗涤、干燥，得到改性二氧化钛；

S2：氮气氛围中，将环氧树脂、异丙醇加入反应釜中,控制温度80-85℃，加入丙烯酸单体混合物、改性二氧化钛,保温3-6h，控制温度85-90℃,加入偶氮二异丁氰组分二，分散均匀,控制温度40-50℃，保温1-3h，调节pH至7-8，即得基料树脂。

2.根据权利要求1所述的一种防火阻燃涂料的制备方法,其特征在于，S1中去离子水、纳米二氧化钛、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的质量比为10-200：1：0.1-0.5。

3.根据权利要求1所述的一种防火阻燃涂料的制备方法,其特征在于，S2中丙烯酸单体混合物为质量比为10-13：18-22：12-17：1-2：0.05-0.3的甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸、偶氮二异丁氰组分一混合得到。

4.根据权利要求1所述的一种防火阻燃涂料的制备方法,其特征在于，S2中环氧树脂、异丙醇、丙烯酸单体混合物、改性二氧化钛、偶氮二异丁氰组分二的质量比为1-8：80-90：40-80：5-10：0.05-0.3。

5.根据权利要求1所述的一种防火阻燃涂料的制备方法,其特征在于，溶剂、基料树脂、脱水碳化剂、成炭剂、发泡剂、颜填料、分散剂、消泡剂的质量比为25-30：18-23：18-23：8-10：8-10：6-8：1:8-12。

6.根据权利要求1所述的一种防火阻燃涂料的制备方法,其特征在于，所述脱水碳化剂为磷酸氢二胺、聚磷酸铵、磷酸三聚氰胺、多聚磷酸铵、磷酸尿素中的任一种或几种以任意比混合得到。

7.根据权利要求1所述的一种防火阻燃涂料的制备方法,其特征在于，分散剂包括由六偏磷酸钠、三聚磷酸钠、焦磷酸钠中的任一种或几种以任意比混合得到。

8.根据权利要求1所述的一种防火阻燃涂料的制备方法,其特征在于，发泡剂为磷酸三聚氰胺、三聚氰胺、双氰胺中的任一种或几种以任意比混合得到。

9.根据权利要求1所述的一种防火阻燃涂料的制备方法,其特征在于，颜填料为氢氧化铝、所述消泡剂为磷酸三丁酯、所述成炭剂为季戊四醇、所述溶剂为二甲苯。

10.一种防火阻燃涂料,其特征在于，由权利要求1-9中任意一项所述的制备方法制成。