水性膨胀型防火涂料的耐水性研究

水性膨胀型防火涂料的耐水性研究 陈敏,王德海*,蔡万泼,盛伟明 (浙江工业大学化学工程与材料学院,杭州310014) 0 引言 膨胀型防火涂料是一种具有特殊功能的涂料,其受热后膨胀…

水性膨胀型防火涂料的耐水性研究

陈敏,王德海*,蔡万泼,盛伟明
(浙江工业大学化学工程与材料学院,杭州310014)

0 引言
膨胀型防火涂料是一种具有特殊功能的涂料,其受热后膨胀炭化形成防火隔热层,该防火隔热层能够延迟热量向耐热性差的基材(如钢质基材等)传递,在一定程度上保护了基材从而达到防火的目的。水性膨胀型防火涂料是以水作为分散剂的防火涂料,避免了传统的膨胀型防火涂料以有机溶剂作为分散剂带来的环境污染、易燃、不易挥发等负面影响。因此,水性膨胀型防火涂料成为防火涂料研究的一个重要方向。其中APP101\PER\MEL 阻燃体系能够赋予膨胀型防火涂料优异的防火性能, 但由于APP101 具有一定的水溶性,遇水易水解[1,2]、发生迁移,可能会导致防火涂料性能变差。一些研究者通过添加填料(如海泡石[3]、可膨胀石墨[4]、纳米二氧化硅/纳米氢氧化镁分散液[5])来提高水性膨胀型防火涂料的耐水性,此方法减少了水向涂层的渗入,减轻涂层起泡的现象,但很难避免水溶性物质与水直接接触的问题。刘琳[6]等人以三聚氰胺(MEL)-甲醛树脂(MF)为包覆物,水和乙醇为分散剂,采用原位聚合法对聚磷酸铵(APP) 进行微胶囊化处理,APP 经微胶囊化后提高水性膨胀型防火涂料的耐水性能,所得防火涂料在水中浸泡48 h 内无起泡现象。此方法得到的微胶囊化的APP 赋予防火涂料较好的耐水性, 但由于使用水作为分散剂, 在改性过程中聚磷酸铵可能就会遭到破坏。而采用物理包覆法直接对水溶性组分进行疏水包覆,可以避免上述这个问题。此外,物理包覆法具有污染小、工艺简捷、成本较低等优点。
目前有关物理包覆方法来改善水性膨胀型防火涂料的耐水性能的相关研究鲜有报道。我们利用此方法较系统地研究了疏水性强的甲基硅油、液态石蜡对防火涂料的耐水性能以及热行为的影响,本文主要针对甲基硅油、液态石蜡对防火涂料的耐水性的影响进行了报道。

1 实验部分
1.1 实验原料
有机硅改性纯丙烯酸酯乳液(BP108),北京宝威乳胶有限公司;聚磷酸铵(APP101),杭州捷尔斯阻燃化工有限公司;季戊四醇(PER),上海凌峰化学试剂有限公司;三聚氰胺(MEL),上海凌峰化学试剂有限公司;甲基硅油,绍兴宇诺有机硅材料有限公司;液态石蜡,杭州化学试剂有限公司。
1.2 实验仪器
电磁制样矿石粉碎机,DF-4, 杭州中拓仪器有限公司;行星式球磨机,QM 系列,南京大学仪器厂; 便携式数显温度计,TM-902C; 高速离心机,HC-3514, 科大创新股份有限公司中佳分公司。
1.3 样品制备
APP101 疏水性包覆处理: 称取10 g 的APP101 分别加入2%、4%、6%的改性剂后, 在机械粉碎机中粉碎3 min; 然后放入球磨机中球磨30 min,使其混合均匀。
防火涂料的制备:分别将APP101、PER、MEL粉碎相同的时间, 按m (APP101)/m (PER)/ m(MEL)= 8∶5∶3 比称取8 g 的APP101、5 g 的PER、3 g 的MEL 依次放入球磨罐体中球磨1 h; 再依次加入16 g 的BP108 乳液和32 mL 的去离子水,球磨1 h,制得防火涂料。
1.4 性能测试
水溶性测试: 称取5 g 改性前后的APP101加入50 mL 的去离子水,分别于40 ℃、60 ℃的水浴温度下磁力搅拌1 h, 将得到的分散液在4000r/min 转速下离心30 min,取出滤饼放入105 ℃的真空烘箱内干燥12 h,称取重量。

其中:r —水溶性,%;
m1 —溶解前APP101 的重量,g;
m2 —溶解后APP101 的重量,g。
防火涂料的耐水性能:按GB/T 1733-933《漆膜耐水性测定法》进行测定,记录涂层表面形貌、浸泡后涂层厚度与原有涂层的变化率。
防火涂料的防火性能: 采用座式酒精喷灯(喷灯外焰可达800 ℃), 喷灯口距离钢板约8cm,用数显温度计测钢板背面温度,每隔30 s 记录钢板背面温度。

2 结果与讨论
2.1 防火助剂对防火涂料耐水性能的影响
为考察APP101、PER、MEL 对水性膨胀型防火涂料耐水性的影响,将各组分进行复配,制得防火涂料。图1 为APP101、PER、MEL 按一定质量比(m(APP101)/m(PER) = 8 ∶5、m(APP101)/m(MEL)= 8∶3、m(PER)/m(MEL)= 5∶3、m(APP101)/m(PER)/ m(MEL)= 8∶5∶3)复配后制得的防火涂料,经48 h 耐水性实验后涂层的形貌图。

由图1 可见,APP101、PER、MEL 经过复配后制得防火涂料的耐水性实验结果存在较大的差异。APP101/PER、APP101/MEL、APP101/PER/MEL复配后制得防火涂料,经过48 h 耐水性实验后均出现不同程度的起泡现象, 而PER/MEL 复配后制得防火涂料经48 h 耐水实验后,涂层无明显变化。这是因为APP101 具有一定的水溶性,经过长时间耐水试验后, 防火涂料涂层中的APP101 遇水发生水解,继而起泡,从而导致防火涂料的耐水性变差。因此,APP101 是引起APP101/PER/MEL 体系防火涂料的涂层起泡的主要因素。
2.2 不同改性剂对APP101 水溶性的影响
针对APP101 耐水性差的问题, 本文采用物理包覆改性的方法,选择具有一定疏水性的甲基硅油、液态石蜡对APP101 进行表面包覆处理,研究不同含量的改性剂对APP101 水溶性的影响,结果如图2 所示。

图2 为不同改性剂物理包覆前后APP101 的水溶性变化曲线。从图2 中可以看出,采用甲基硅油、液态石蜡对APP101 物理包覆后,APP101的水溶性明显低于未改性的APP101 的水溶性。40 ℃时,纯APP101 的水溶性为14%,当60 ℃时,其水溶性达40%,说明APP101 的耐水性较差,尤其在较高温度下。当采用2%甲基硅油包覆改性后,APP101 的水溶性在40 ℃和60 ℃时较未改性的APP101 分别降低了8%和24%,而采用2%液态石蜡包覆改性的APP101 的水溶性较未改性的APP101 降低7%和8%。这些实验结果说明APP101 经过液态石蜡、甲基硅油的物理包覆后,可以有效地降低其水溶性。主要原因如下:纯APP101 具有亲水性基团, 遇水易发生吸潮或水解,而改性剂甲基硅油、液态石蜡都具有一定的疏水性,当改性剂对APP101 表面进行包覆改性,APP101 表面由亲水性变为疏水性[7], 因此降低APP101 的水溶性。由水溶性曲线的变化趋势得:甲基硅油的拒水性较液态石蜡的效果好。
2.3 不同改性剂对防火涂料耐水性能的影响
表1 揭示了改性剂包覆APP101 对防火涂料耐水性的影响。由表1 可知:不添加任何改性剂的防火涂料耐水性很差,在水中浸泡27 h 就出现起泡现象。采用改性剂包覆APP101 的防火涂料,涂层起泡现象会得到明显的改善。特别是在甲基硅油含量为2%时和液态石蜡含量为4%时,防火涂料在水中浸泡48 h 无任何起泡现象,说明改性剂对APP101 的包覆作用有效提高了防火涂料的耐水时间,使防火涂料耐水性得到改善。
表1 APP101 改性前后对防火涂料耐水性能的影响

此外,对比涂层耐水性实验前后涂层厚度的变化(见表1)可以发现:不添加任何改性剂的防火涂料耐水性实验前后其厚度变化23%,这是因为在耐水性实验过程中,防火涂料中水溶性组分水解或盐析[8],使得涂层厚度发生巨大变化。经过甲基硅油或液态石蜡包覆改性的APP101, 其涂层厚度变化仅为9%~11%,明显优于不添加改性剂的防火涂料。并且从涂层厚度变化率可以看出改性剂添加量对涂层厚度变化率影响不大。以上结果表明,甲基硅油、液态石蜡对APP101 的包覆作用能减少APP101 的水解、盐析,减少涂层厚度的变化,利于保护防火涂料的防火性能,且采用甲基硅油改性的防火涂料的耐水性要优于液态石蜡改性的防火涂料。
2.4 耐水性实验前后,防火涂料的耐火性能
为了进一步考察甲基硅油对APP101 的包覆作用对防火涂料耐水性能的影响,对防火涂料耐水性实验前后的耐火性能进行了比较。图3 为改性前后的防火涂料耐水实验前后的钢板背温曲线。

由图3 可知,未改性防火涂料浸泡前后其钢板背温曲线相差较大,防火涂料浸泡后其钢板背温明显高于浸泡前其钢板背温,600 s 时,钢板背温上升了49 ℃。说明涂层经48 h 耐水性实验后,严重影响了防火涂料的耐火性能。这是由于水溶性组分在浸泡过程中,与水直接接触,发生水解、迁移,破坏了防火涂料中组分的原有比例,同时减小涂层原有的厚度,因此影响了防火涂料的防火性能。采用2%甲基硅油改性APP101 的防火涂料,其耐水性实验前后钢板背温曲线变化趋势基本一致,由此表明甲基硅油的包覆作用能够有效改善防火涂料在高湿环境下的耐火性能,甲基硅油对水溶性APP101 起到了保护作用。

3 结论
采用物理包覆的方法,用甲基硅油、液态石蜡对APP101 进行拒水性包覆处理, 降低了APP101 水溶性,提高防火涂料的耐水性能。实验结果表明经甲基硅油包覆改性APP101 的防火涂料的耐水性要优于液态石蜡;2%甲基硅油包覆APP101 的防火涂料经48h 耐水性实验后, 其耐火性能基本不变。

为您推荐

返回顶部