高性能膨脹型鋼結構防火涂料制備研究

呂金秋，宋維華，張愛黎

( 沈陽理工大學 環境與化學工程學院， 遼寧 沈陽110168)

超薄型鋼結構防火涂料之所以受到廣泛應用，是因為它具有用量少，成膜厚度薄，裝飾性好，施工方便等一系列優點。超薄型鋼結構防火涂料多為膨脹型，基料與膨脹阻燃體系配合，形成致密的碳化層起到阻燃作用[1]。高有機硅含量的硅丙乳液耐候性好，成膜性能優異，同時水性涂料減少了VOC含量。氫氧化鋁是種應用廣泛的無機阻燃劑，受熱分解成氧化鋁和水，氧化鋁和其他成膜物質附著在鋼結構表面，起到隔熱阻燃效果，反應吸熱；同時生成的水分氣化吸收熱量，使鋼結構表面降溫。可膨脹石墨是近年來用于改善防火涂料性能較多的一種改性劑，但單獨使用容易導致形成的碳層疏松破裂[2]。研究以自制高硅含量硅丙乳液作為防火涂料基料，配合P-N-C膨脹阻燃體系，適量的納米氫氧化鎂與可膨脹石墨復配為無機阻燃劑，研制高效阻燃的膨脹型防火涂料。

1 試驗部分

1.1 試劑

基料硅丙乳液（自制）[3]，膨脹體系中成炭劑季戊四醇，發泡劑三聚氰胺與酸源聚磷酸銨為化學純，可膨脹石墨與氫氧化鋁為工業級。

1.2 防火涂料的制備

稱取配方量無機阻燃劑可膨脹石墨和氫氧化鋁，放入研缽中研磨30 min后在稱取配方量的季戊四醇、三聚氰胺及聚磷酸銨研磨；稱取水、定量的助劑（分散劑、成膜助劑、增稠劑等）放入燒杯中，電磁攪拌，混合均勻；將研磨好的填料分批量（每次加入量約為0.25 g）放入混合液的燒杯中，繼續分散；在分散好的混合液中加入硅丙乳液，再次分散得到穩定的分散體系。

1.3 涂層制備

將80 mm×80 mm×0.8 mm的鋼片除油、除銹、磷化處理，干燥。 涂料使用水和增稠劑調粘后刷涂在處理好的鋼板上。刷涂第1道涂料后，等待表干（即手指輕觸涂膜表面，有些粘，但無涂料粘在手上，可認為表面干燥）后，刷涂第2道，直到達到目標厚度。自然晾干，待實干后再養護7天，進行耐火性能測試。涂料初始配方見表1。

表1 防火涂料初始配方

初始配方中涂料固含量為43%，顏基比為2.67。

1.4 涂層防火性能的檢測

采用垂直燃燒法進行耐火極限檢測[4]。當火焰燃燒涂層時，用紅外溫度測定儀測試防火涂層的背面，即未涂防火涂料的一面溫度，記錄溫度達到350 ℃時需要的時間。達到350 ℃所需的時間即為涂層的耐火時間。觀察并記錄涂層發生的形態變化，著重觀察達到耐火極限的表面狀態，游標卡尺測量涂層的膨脹高度。

2 結果與討論

2.1 顏基比對防火涂料性能的影響

在初始配方基礎上研究顏基比對鋼結構防火涂料性能的影響。實驗結果見表2。

表2 顏基比對防火涂料性能的影響

表2中看到，當顏基比為2時，涂層實干狀態、耐火時限、膨脹狀態都是最好的，當顏基比不斷增加時 ，耐火時限不斷下降，膨脹高度降低，且膨脹層出現脫落和膨脹速度慢等問題。

2.2 P-C-N配比對防火涂料性能的影響

研究了膨脹阻燃體系中發泡劑、成炭劑和酸性催化劑配比對涂料阻燃性能的影響，結果見表3。

表3 P-C-N配比對理化性能的影響

由表3可見，當P-N-C配比為6:2:2時，涂層實干狀態最好，耐火時限最長，膨脹層無明顯缺陷，且致密均勻。同時，通過表3可以看出，當碳源所占比例為0時，膨脹層無法膨脹，是由于當沒有碳源的存在時，膨脹層中沒有碳骨架的支撐。

2.3 可膨脹石墨的用量對防火涂料性能的影響

考察了膨脹石墨不同用量時，與P-C-N膨脹阻燃體系的協同阻燃效果，實驗結果見表4。

由表4可見，可膨脹石墨的加入對阻燃時間有增強效果。但當可膨脹石墨的用量達到 4%時，涂層顏色呈暗灰色，有固體顆粒。且耐火時限下降。所以可膨脹石墨雖然對阻燃效果有增強效果，但用量應該適當。

表4 可膨脹石墨的用量對涂料阻燃性能影響

2.4 P-C-N總量對防火涂料性能的影響

研究 P-C-N總量對涂料防火效果和理化性能影響，其實驗結果見表5。

表5 P-C-N總量對防火性能的影響

表5表明，當用量為20%時，涂層呈暗灰色，有明顯固體顆粒，膨脹層脫落，但是耐火時限可以達到60 min。當用量分別為30%和40%時，涂層狀態雖然比用量為20%時好，但耐火時限有所降低。

2.5 無機阻燃劑Al(OH)3與Mg(OH)2對防火涂料性能的影響

比較了常用無機阻燃劑Al(OH)3與Mg(OH)2在涂料膨脹阻燃體系中的協同作用，結果見表6。

表6 Al(OH)3與Mg(OH)2對本涂料防火性能影響比較

由表6中看到，無論是從涂層實干狀態、膨脹高度、膨脹層狀態來看，還是耐火時限來看，加入氫氧化鋁的防火涂料都優于加入氫氧化鎂的的防火涂料。

2.6 涂料優化后的性能檢測

防火涂料的主要成分包括基料、季戊四醇、三聚氰胺以及聚磷酸銨。各個成分之間相互影響，相互制約，對碳質層耐火性能有較大影響。優化配方下涂料的性能檢測結果如表7。

實測表干時間為1.2 h，涂層厚度1.00 mm時，耐火時間為87 min。

表7 優化配方下防火涂料性能檢測結果

3 結 論

以自制較高硅含量硅丙乳液為基料、三聚氰胺、聚磷酸鹽及季戊四醇為膨脹阻燃體系，可膨脹石墨和氫氧化鋁作為無機阻燃劑研制了阻燃性能良好的超薄型鋼結構防火涂料。優化配方為：顏基比2:1，可膨脹石墨和氫氧化鋁用量占阻燃劑用量 3%和2%，膨脹阻燃體系聚磷酸銨-季戊四醇-三聚氰胺三組分配比 6.46:2.77:2.77。優化條件下，涂料細度10～15μm、涂層厚度為1 mm、耐燃時間為87 min，膨脹層致密，膨脹厚度為7 mm，強度高。理化性能均符合超薄型鋼結構防火涂料 GB14907-2002要求。

[1]王錦成. 膨脹型防火涂料的阻燃機理及其研究進展[J]. 化工新型材料,2005,33(10):21-24.

[2]Guojian Wang, Jianyun Yang. Influences of expandable graphite modified by polyethylene glucol on fire protection of waterborne intumescent fire resistive coating[J]. Surface and Coatings Technology, 2010, 204(21-22):3599-3605.

[3]辛轉紅, 張愛黎.高硅含量硅丙乳液的性能研究[J].沈陽理工大學學報，2010,29(4)：63-67．

[4]張愛黎，劉萬鵬，辛轉紅等. 超薄鋼結構水性防火涂料的研制及耐火性能[J]. 材料保護, 2010, 10: 20-22.