水性防火涂料配方研究

林红岩1, 王春财2, 杨鸿伟2
( 1 大庆石油学院, 黑龙江大庆163318; 2 大庆龙化新实业总公司, 黑龙江大庆163714)

0 引言
防火涂料是涂覆于可燃性基材表面, 能降低被涂材料表面的可燃性, 阻滞火灾的迅速蔓延, 或是涂覆于结构材料表面, 用于提高构件耐火极限的一类物质[ 1]。目前国内外高性能防火涂料均为水性乳液型膨胀防火涂料。水性膨胀型防火涂料的特点是: 以水作分散介质、成本低、无毒、不污染环境、常温干燥,不仅具有防火性能, 也有很好的装饰性能, 涂层在常温下是普通涂膜, 在火焰或高温作用下, 可产生比原来涂层厚几十倍甚至上百倍的不易燃海绵状炭质层, 起到有效阻止外部热源的作用, 同时产生不燃性气体, 如: CO2、NH3、HC l、HBr和水蒸气等,降低可燃性气体的浓度和空气中氧的浓度, 从而起到防火阻燃作用。水性膨胀型防水涂料主要由基料、脱水催化剂、炭化剂、发泡剂、颜填料、分散剂、助剂等组成[ 2- 3] 。

1 实验部分
1 1 实验仪器和原料
仪器: 搅拌器、三辊研磨机、漆膜冲击器、柔韧性测试仪、刮板细度计、附着力测试仪、酒精喷灯、涂- 4# 杯等。
原料: 硅丙乳液、去离子水、聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇、二氧化钛、氧化锌、氨水、丙二醇苯醚、甲基硅油、六偏磷酸钠溶液( 10% )、羧甲基纤维素钠、其他助剂。

1 2 制备方法
第一步: 将六偏磷酸钠、羧甲基纤维素钠分别配制成10%和2%的水溶液备用;
第二步: 将要求量的去离子水加入烧杯中, 开动搅拌器;
第三步: 低速搅拌下, 将配方用量的脱水催化剂、炭化剂、发泡剂、二氧化钛、分散剂、成膜助剂、助溶剂依次加入;
第四步: 加入适量的消泡剂, 然后高速搅拌( 约3 000 r /m in) , 搅拌约20 m in;
第五步: 用三辊研磨机将其研磨至要求细度;
第六步: 为了不破坏乳液, 将搅拌速降低度至800 r/m in,加入乳液及其他助剂, 搅拌约5 m in;
第七步: 用稀氨水调节涂料pH 至8左右;
第八步: 用增稠剂羧甲基纤维素钠调节黏度至25~ 30 s(涂- 4#杯法)。
第九步: 出料, 检验。
防火涂料制备工艺见图1。

1 3 性能检验
1 3 1 理化性能检测
防火涂料的理化性能检测按照GB12441 1998 规定进行。

1 3 2 防火性能检测
采用酒精喷灯模拟大板燃烧法检测防火涂料的防火性能。将一面涂有防火涂料并已干燥的10 cm* 20 cm样板, 涂层面朝下, 置于酒精喷灯上方10 cm 处, 观察样板防火涂层的耐火时间, 测试其阻燃效果。最终将确定配方后的试样送消防系统和耐火构件质量监督检验中心进行检测。

1 4 基料的选择
硅丙乳液是由丙烯酸单体和有机硅单体共聚而成的乳液, 是一种半无机高分子化合物, 兼有丙烯酸和有机硅二者的优点, 结合了有机硅树脂较强的耐水性、耐污染性, 优良的耐高温、耐降解、耐氧化、耐化学品、耐紫外线和红外线辐射的能力, 具有良好的柔韧性和透气性, 克服了纯丙、乙丙、苯丙等高分子合成乳液阻燃性、耐热性较差, 高温易返粘、易粘尘, 低温时易变脆, 透气性较差的不足, 提高了涂膜的保光保色性、弹性及防水性, 具有良好的耐候性、附着力、耐久性和耐水性, 又不明显增加成本。因此, 选用硅丙乳液作为基料, 经反复试验, 控制乳液用量在25%左右为宜。

1 5 阻燃剂的选用
膨胀型防火涂料的阻燃剂由脱水催化剂、炭化剂、发泡剂3部分组成。在火焰高温的作用下3者相互作用, 发生膨胀形成立体蜂窝状炭化层。

1 5 1 脱水催化剂的选用
脱水催化剂是一种能在低于炭化物分解温度下释放出具有脱水作用的酸的物质, 如正磷酸铵、磷酸三聚氰胺、聚酰胺等。差热分析证明, 聚磷酸铵是一种优良的膨胀催化剂, 聚合度20< n< 2 000, 含磷量高达32%, 具有很小的水溶性和高的热稳定性, 225 ºc 开始分解放出氨和水, 产生磷酸, 300 ºc 有一个吸热峰, 400 ºc 有一个最大的吸热峰。属磷系阻燃剂, 具有低烟、无毒、水溶性低等优点, 其含磷、氮量高, 热稳定性好, 具备优良脱水催化剂的性能。因此, 选用聚磷酸铵作为脱水催化剂。

1 5 2 炭化剂的选用
炭化剂作为碳素源是一种主要的膨胀组分, 当高温或遇火焰时与脱水催化剂受热分解产生的酸性物质和氨等反应脱水炭化, 并在发泡剂所分解的不燃气体下把炭化剂吹成均匀致密的蜂窝状炭化层。由于本实验采用了热稳定性较高的聚磷酸铵作为催化剂, 为了形成理想的膨胀体, 选用了同样热稳定性较高、价廉易得、炭含量高的季戊四醇作为炭化剂与之配用。季戊四醇的分解温度高达280 ºc 左右, 它能在由聚磷酸铵分解产生的酸的作用下脱水成炭, 最终形成良好的膨胀发泡层。

1 5 3 发泡剂的选用
发泡剂分解产生气体, 脱水催化剂分解放出磷酸等物质和炭化剂炭化所发生变化的温度须相匹配, 才能使涂膜在受热时形成最佳的膨胀层。因此, 选用热分解温度为250 ºc 、发泡效果好的三聚氰胺作为防火涂料的发泡剂。

1 6 填料的选用
作为防火涂料, 除具备防火功能外, 还应有一定的装饰和遮盖效果。二氧化钛是一种合成性无机颜料, 它的化学结构稳定, 没有毒性, 不但遮盖力强, 而且可以使形成的炭质层致密, 提高炭化层的隔热阻燃性能。对膨胀型防火涂料, 由于已加入了大量的防火添加剂, 故颜料不宜多加, 实验表明, 超过10%将大大影响其效果。本实验二氧化钛的量为5 6 g; 氧化锌的遮盖力仅次于二氧化钛, 具有耐光、耐热、抗粉化等优点,又是一种良好的霉菌抑制剂和消烟剂, 可少量加入, 本试验加入氧化锌0 4 g。

1 7 助剂的选用
为保证防火涂料的性能, 在配方中还必须加入各种助剂,以改善和提高防火涂料的理化性能。
( 1)润湿、分散剂。选用六偏磷酸钠(浓度为10% ) 作为润湿分散剂。经过反复试验, 确定六偏磷酸钠的用量为5 g。
( 2)消泡剂。消泡剂用量不能太多, 否则会引起缩边、缩孔、刷涂性能差和再涂性能差等问题, 应控制在涂料总量的0. 5% 以下。选择常用的甲基硅油作消泡剂, 加入量为0. 3 g。
( 3)成膜助剂。选用丙二醇苯醚为成膜助剂, 丙二醇苯醚具有无毒无味、贮存稳定性好、使用范围广和低温下使用效果好的特点, 其用量一般由乳液的硬度决定, 经实验确定丙二醇苯醚的用量为0, 7 g 为宜。
( 4)增稠剂。选择羧甲基纤维素钠作为增稠剂, 因其价廉且增稠效果较羟甲基纤维素好。在乳胶漆的生产实际中表明, 用量不能太多, 应控制在涂料总量的5% 以下。经反复试验确定其用量为2 g。
( 5)多功能助剂。为进一步改善防火涂料的理化性能, 适量加入自制的多功能助剂XL- 06。

1 8 阻燃剂配比的确定
对防火涂料的防火性能优劣有直接影响的因子有3 个:聚磷酸铵、季戊四醇和三聚氰胺, 并组成了硅丙乳液的膨胀防火阻燃体系。参考其他防火涂料生产配方及资料, 经分析决定在本试验中采用的水平如表1所示。并选用L9 ( 34 )正交表进行正交试验, 采用酒精喷灯燃烧试验法检验各配方的防火性能, 试验结果详见表2。
表1 因子水平表

表2 防火添加剂配比试验结果及直观分析计算表

由表2可以看出每个因子的最好水平A1, B3, C3及各个因子对防火性能影响的大小, RA < RB < RC, 即, 三聚氰胺对耐燃时间指标影响最大, 季戊四醇次之, 聚磷酸铵的影响最小。根据实验结果取聚磷酸铵18 g, 季戊四醇7 g, 三聚氰胺11 g 采用L9 ( 34 )正交法进行进一步优化试验, 因子水平和试验结果见表3、表4。
表3 优化因子水平表

表4 防火添加剂优化配比试验结果及直观分析计算表

由表4 可以看出, 最佳配方组合为A3 B1 C3, 即聚磷酸铵19 g, 季戊四醇6 g, 三聚氰胺12 g。

2 9 防火涂料配方的确定
通过对基料、脱水催化剂、炭化剂、发泡剂、填料及助剂的选择和配方调整实验, 最后确定的实验配方见表5。
表5 硅丙乳液防火涂料配方

2 检测结果
在配方的优选过程中主要依照酒精喷灯燃烧法对所研制的膨胀型防火涂料的性能进行分析和评价。将最终确定的防火涂料送到国家固定灭火系统和耐火构件质量监督检验中心进行检测, 送检的硅丙乳液膨胀型防火涂料按GB15442.1-1995<饰面型防火涂料防火性能分级及试验方法防火性能分级>检测, 检测结果详见表6、表7。

表7 硅丙乳液膨胀防火涂料的防火性能

3 结语
以硅丙乳液为基料, 聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺配比为19:6:12为阻燃体系的水性防火涂料, 其理化性能优良, 防火性能达到国家饰面型防火涂料一级标准, 是一种很有应用前景的环保型防火涂料。