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饰面防火涂料是指涂覆于可燃性基材表面, 当遇到火焰或者热辐射时, 防火涂膜能够迅速发生物理、化学变化而隔绝热量, 从而降低被涂材料表面的可燃性, 阻滞火灾的迅速蔓延, 延长基材着火时间或增加绝热性能的一类涂料[ 1] 。水性饰面防火涂料是以水作为分散介质的一类饰面型防火涂料,无毒、不燃烧、无三废公害, 且生产、储运、施工方便; 但是据有关方面反映和市场调查结果显示, 水性防火涂料主要存在耐候性及耐水性问题[ 23] 。游潘丽研究了以可再分散性乳胶粉为成膜物质, 添加1%的纳米SiO2 制备的防火涂料, 耐燃时间达到了52min[4] 。黎治平等用酸改性水玻璃与苯丙乳液复合制备的建筑涂料, 耐洗刷性达到了550 次[5] 。陈秀琴、杨少明用适量氟硅酸钠、氟化铝和三乙醇胺改性水玻璃, 拼用苯丙乳液制备复合涂料, 耐水性可达500h[ 6] 。黎治平在以聚乙烯醇为主要成膜物质的水性涂料中加入膨润土, 耐水性达到7d, 大大提高了涂料的耐水时间[7] 。膨润土在水介质中分散性好,其颗粒可以相互交联形成连续网络结构, 而在涂料介质中又能将有机分子连接成立体网状结构, 可以提高涂料的涂刷性和漆膜的耐水性[ 89] 。本研究用改性水玻璃复合乳胶粉制备水性饰面型防火涂料, 并对催化剂、成炭剂、发泡剂进行正交优化, 实验结果: 耐水性24h 无起皱、无剥落, 耐燃时间可达58min。
1 实验部分
1 1 原料和仪器
乳胶粉, 钠水玻璃, 盐酸, 钠基膨润土, 滑石粉, 钛白粉, 玻璃微珠, 聚磷酸铵( APP) , 三聚氰胺( MEL) , 季戊四醇( PER) ,羧甲基纤维素钠, 二甲基硅油, 六偏磷酸钠溶液, 1, 2-丙二醇,OP-10 乳化剂, 三乙醇胺, 去离子水。JJ-1 型精密增力电动搅拌器, T500 型电子天平, 远红外线恒温干燥器, NDJ-5S 型数字旋转黏度计, 200 目标准筛, 涂层测厚仪, 游标卡尺, 秒表Pc2000A, FW100 型高速万能粉碎机, 挂式酒精喷灯, 烧杯若干, 量筒若干。
1 2 涂料的制备方法
( 1) 将各粉料用高速万能粉碎机粉碎, 用200 目标准筛过滤, 备用。
( 2) 按配方将适量水玻璃、钠基膨润土、固化剂三乙醇胺、二甲基硅油投入烧杯中, 先低速后高速搅拌分散10min, 同时用适量4%的稀盐酸调节体系pH 值至8. 5 左右, 制成改性水玻璃备用。
( 3) 按配方将适量改性水玻璃、分散剂六偏磷酸钠溶液、增稠剂羧甲基纤维素钠、成膜助剂1, 2- 丙二醇、乳胶粉投入烧杯中, 匀速搅拌分散10min; 然后依次加入适量的滑石粉、钛白粉、成炭剂季戊四醇PER、发泡剂三聚氰胺MEL、去离子水和催化剂聚磷酸铵APP, 高速搅拌分散30min 后料浆用200 目标准筛过滤; 最后加入适量的OP-10 乳化剂、玻璃微珠, 低速搅拌分散20min。
( 4) 用去离子水调节涂料体系黏度在1300~ 1400mPa • s之间, 然后密封贮存在容器瓶中以备性能测试使用。
1 3 涂料的性能检测
涂料的性能检测参照国家标准GB 12441-2005 <饰面型防火涂料> 中的规定, 其相关技术指标如表1 所示。
1 4 模拟大板燃烧装置
根据自身实验室的条件, 采用较为实用、有效、简便的酒精喷灯模拟大板燃烧法作为评价饰面防火涂料耐火性能优劣的手段。实验装置如图1 所示。
( 1- 试验板样; 2- 铁架台; 3- 酒精喷灯; 4- 木垫; 5- 铁圈)
将涂料涂在试验木板上, 涂层实干后, 放入恒温干燥箱在50 ºc 干燥0. 5h, 将木板固定在铁架台上, 然后采用酒精喷灯按照图中所示形式对木板进行灼烧, 喷嘴距木板5cm。测试时,当涂有不同配方防火涂料的木板背面出现裂缝时停止燃烧,取下木板, 记录所用时间( 称耐然时间) 。
2 结果与讨论
2 1 乳胶粉用量对防火涂料性能的影响
乳胶粉又称可再乳化聚合物胶粉, 加水分散后能生成稳定的分散液, 具有原来合成聚合物乳液的性能, 可以形成高度柔韧性和粘结性的聚合物膜。首先以乳胶粉单独作为成膜物质, 涂料配方中其他物质的量不变, 乳胶粉用量分别取7g 、10g、13g、16g、19g、22g、2 5g 时对防火涂料性能的影响, 实验结果见图2 和表2。
从图2 中可以看出, 随着乳胶粉的用量从7g 增加到25g ,防火涂料的耐燃时间从55min 下降到14min, 已经低于国家规定的防火涂料耐燃时间标准25min。这是因为随着乳胶粉用量加大, 涂料的黏度上升, 调节涂料黏度的去离子水用量就会增加, 从而膨胀阻燃体系的量在涂料总量中占的比例就会减小, 使涂料的耐燃时间下降。所以乳胶粉用量取7~ 10g 之间, 这时涂料具有很好的防火性能, 其耐燃时间大于43min。
从表2 中可以看出, 乳胶粉涂料的干燥时间、附着力、容器中状态三项指标都复合GB 12441-2005 饰面型防火涂料国家标准, 但是其耐水性不够理想。虽然乳胶粉作为成膜物质有其自身的优点, 比如可以提高粘结力和内聚力、降低弹性模量、增加抗折强度和弯曲强度等, 但是耐水性方面涂膜24h 内会出现起皱、剥落现象。耐水性差是目前水性防火涂料存在的主要缺点。
2 2 改性水玻璃对防火涂料性能的影响
水玻璃来源广泛、成本低廉, 以其为成膜物质的涂料涂层一旦遇到火焰及高温作用时, 水玻璃熔融软化且熔体的黏度较大, 分解产生的气体不能自由的排出涂层而产生气泡, 形成多孔性泡沫状隔热层。但是水玻璃与聚磷酸铵配合时容易凝聚而板结, 并且单纯水玻璃涂膜的耐水性很差。用适量的钠基膨润土、固化剂三乙醇胺、二甲基硅油对水玻璃进行改性,并用4%稀盐酸调节体系的pH 值在8. 5 左右, 然后将其与乳胶粉混合拼用作为成膜基料, 制备新型的水性饰面防火涂料。乳胶粉的量取9g , 水玻璃的量分别取5g、10g 、15g、20g 、25g,其他物质的用量不变, 制备的防火涂料性能测试结果见表3和图3。
从表3 中可以看出, 水玻璃的用量从5g 增加到25g 时,涂料的耐水性逐渐提高, 24h 内由开始的起皱、剥落到最后的不起皱、不剥落。水玻璃的用量从15g 增加到25g 时, 24h 内涂料的耐水性基本上没有什么变化, 耐水性很好。这是因为一方面水玻璃与有机固化剂三乙醇胺、二甲基硅油发生交联作用, 稀盐酸对水玻璃起到酸化的作用, 能够提高水玻璃成膜时的耐水性; 另一方面钠基膨润土的离子交换吸附作用, 可能与涂料中的有机分子生成类似" 膨润土•有机分子" 复合物, 且这种复合物一旦生成不可逆转, 失水后成为疏水性物质, 因而增加了涂膜的耐水性。
从图3 中可以看出, 水玻璃的用量从5g 增加到25g 时,防火涂料的耐燃时间由44min 下降到26min, 阻燃性能减弱。因为水玻璃呈强碱性, 而且其与聚磷酸铵混合就会凝聚板结,为解决这方面问题对水玻璃改性时稀酸的用量所占比重就会很大, 这样导致整个涂料体系中乳胶粉和防火剂的比重下降,涂料的阻燃性能下降。用改性水玻璃不仅能增加涂料的耐水性, 而且还降低了涂料的生产成本, 但是水玻璃用量超过20g时, 涂膜表面会出现不平整甚至龟裂现象, 且涂料的阻燃性也变差。所以水玻璃用量取15g 左右。
2 3 膨胀阻燃体系的正交优化
膨胀阻燃体系是影响涂料耐燃时间的主要因素, 催化剂聚磷酸铵、成炭剂季戊四醇、发泡剂三聚氰胺根据实际情况各取3 个水平, 按L9( 34 ) 表进行正交实验, 表头设计见表4, 正交实验结果见表5。
表4 正交实验因素水平表
注: APP- 聚磷酸铵, MEL- 三聚氰胺, PER- 季戊四醇
从表5 正交实验结果表明, 三因素对涂料耐燃时间的影响顺序为APP> M EL> PER, 即聚磷酸铵> 三聚氰胺> 季戊四醇。聚磷酸铵是对涂料防火性能影响最大的因素, 随着聚磷酸铵用量的增加, 涂料的机械性能虽然受到一定程度的影响, 而耐燃时间大大增加; 但当聚磷酸铵超过一定量时, 涂膜灼烧时涂层炭化层变疏松, 中间部位隆起很高, 涂料受热脱落, 耐燃时间缩短。另外随着三聚氰胺用量增加, 炭层膨胀速度加快、膨胀幅度增大, 用量过多会造成膨胀层过高、炭化层疏松, 阻燃过程中甚至会出现炭化层表面开裂而脱落的现象。季戊四醇的用量增多可以增加炭化层的厚度, 若用量过多会导致膨胀涂层的流动, 而用量过少又会影响涂层的膨胀高度和炭化层的质量。涂料最佳的原料配方是聚磷酸铵32g, 三聚氰胺16g , 季戊四醇11g, 在此条件下涂料的耐燃时间可达58min。
3 结论
( 1) 单独使用乳胶粉作为成膜物质, 用量在7~ 10g 时, 涂料的耐燃时间在43~ 55min 之间, 且涂料耐燃时间随着乳胶粉用量的增加而缩减。但是涂料的耐水性很差, 涂膜在24h内会出现起皱、剥落现象。
( 2) 水玻璃15g 并用5g 钠基膨润土、0. 5g 三乙醇胺、0. 5g二甲基硅油和适量4%的稀盐酸对其进行改性, 与9g 乳胶粉混合拼用作为成膜物质制备的防火涂料, 其涂膜在24h 内不起皱、不剥落, 耐水性满足国家标准。但是涂料的阻燃性能有所下降, 耐燃时间为35min。
( 3) 正交优化实验结果表明, 膨胀阻燃体系各组分对涂料耐燃时间的影响顺序是聚磷酸铵> 三聚氰胺> 季戊四醇, 且当聚磷酸铵32g、三聚氰胺16g 、季戊四醇11g 时, 涂料的阻燃性能最好, 其耐燃时间可达58m in。
