一種水性室內膨脹型鋼結構防火涂料的制備

陳劍華，陳 卓，王建川，朱 遠，黃維智

（1廣州集泰化工股份有限公司，廣東廣州510670；2黃山聯固新材料科技有限公司，安徽黃山245200）

2019年6月1日起正式實施的國家標準GB 14907-2018《鋼結構防火涂料》，對水性室內膨脹型鋼結構防火涂料提出了更高的要求，例如增加了鋼結構防火涂料的隔熱效率試驗、pH值要求、隔熱效率偏差性能測試以及提高了涂料的耐水性能要求[1]。目前市場上的水性涂料產品存在耐火極限不達標、耐水性不好、膨脹倍率不夠、炭層不致密、炭層附著力差等種種缺陷[2]。

1 實驗部分

1.1 材料

原料：纖維素，亞什蘭；分散劑，陶氏；消泡劑，迪高；pH調節劑AMP-95，巴斯夫；成膜助劑，醇酯十二，陶氏化學；鈦白粉，市售；APP，普塞呋；PER，柏斯托；MEL，歐希埃；乳液A和B，市售。

1.2 水性室內膨脹型鋼結構防火涂料的制備

按照表1的實驗配方及工藝，在設定的轉速下，依次加入各物料，制備得水性防火涂料。

表 1 水性膨脹型鋼結構防火涂料基礎實驗配方Table 1 Basic formulation of waterborne intumescent fire-retardant coating

1.3 樣板的制備

樣板的制備及主要性能測試方法按照GB 14907-2018 進行。

2 結果與討論

2.1 乳液的選擇

在水性膨脹型防火涂料中，樹脂乳液是主要成膜物質，它既能將防火涂料中的各個組分粘結成一個整體，又能在火焰中熔融炭化，促進膨脹炭層的產生。因此，樹脂乳液很大程度上影響涂料的理化性能。通常將兩種或多種乳液復配，獲得綜合性能平衡的涂料產品。按照表1中的基礎配方，將兩種水性聚醋酸乙烯酯乳液A和B 按照表2不同比例混合，乳液總質量分數占配方25%，當w（A）∶w（B）為1∶1混合時，炭層的致密性較好，膨脹倍率為30倍，炭層不會脫落，48h自來水浸泡不會起泡，耐火極限達105min。從表2還可以發現，當A比例大時，膨脹炭層更致密；乳液B比例大時，膨脹倍率高，最高可達40倍。另外復配之后的乳液，玻璃化轉變溫度較低，添加較少比例的成膜助劑便可成膜。這兩種乳液按表2各種比例混合，48h自來水浸泡都不會起泡。

表2 水性醋酸乙酯共聚物乳液不同配比時涂層性能測試結果Table 2 Coating performance test results of emulsions A and B in different proportions

2.2 三元膨脹阻燃體系的選擇

本實驗方案的防火涂料的膨脹阻燃體系由脫水成炭催化劑聚磷酸銨(APP)、成炭劑季戊四醇(PER)、發泡劑三聚氰胺(MEL)組成。防火涂層受熱，溫度升到200～300 ℃時，APP分解生成磷酸和揮發性物質；溫度上升到280～350 ℃，PER在強酸催化作用下發生分子內或分子間脫水酯化，酯類最終分解炭化；溫度上升到280～380 ℃，MEL逐步分解釋放揮發性產物，涂層開始發泡膨脹形成蜂窩狀或海綿狀的炭質泡沫層和有機殘留物，該炭化層熱導率小且厚度大，它粘附在鋼材上延滯了熱量傳向被保護基材的速度，避免火焰和高溫直接進攻鋼構件，起到了再阻隔作用；溫度高于600℃，有機殘留物熱降解最終形成白色無機物[3-4]。

根據表3中各膨脹阻燃填料的比例，按照基礎配方表1中各組分的用量，選擇w（A）∶w（B）=1∶1作為混合乳液的配方，制備鋼結構防火涂料，涂層性能見表3。當w（APP）∶w（PER）：w（MEL）比例為20∶10∶10時，炭層最致密，膨脹倍率為35，炭層不會脫落，自來水浸泡48h不起泡，耐火極限達100min。另外，填料在水中的溶解度（表4）影響涂層的耐水性，選用的高聚合度的APP（聚合度n＞1000）和MEL微溶于水，PER由于其分子結構有四個親水性的羥基，水溶性在三者中最大，通過選擇合適的比例，可以達到48h浸泡自來水不起泡。

表3 APP/PER/MEL不同配比時涂層性能測試結果Table 3 Coating performance test results of APP/PER/MEL in different proportions

表4 膨脹阻燃體系填料水溶性測試結果Table 4 Water solubility of flame retardants

2.3 填料的選擇

鈦白粉表面經過包膜處理后，可以提高其耐候性、分散性、光澤度及化學穩定性。選用金紅石型（R型）鈦白粉，它具有較低的吸油量，特殊的表面處理后其在水性體系中潤濕分散性更佳，涂層附著力最強，最為致密，耐水性最好[5]。海泡石的層鏈狀結構及陶瓷纖維的線狀結構，使膨脹的炭層形成連續固相骨架，而氣相則連續存在于纖維材料的骨架間隙之中。這種特殊的結構使炭層能經受火焰和氣流的沖擊，提高了中長期防火隔熱效果。

鈦白粉、海泡石和陶瓷纖維按照一定比例復配，如表5所示，w（鈦白粉）∶w（海泡石）：w（陶瓷纖維）比例為9∶1∶2時，耐火極限達103min，其他各項性能指標都較優異。

表5 鈦白粉/海泡石/陶瓷纖維不同配比時涂層性能測試結果Table 5 Coating performance test results of TiO2/ Sepiolite/Ceramic fiber in different proportions

2.4 涂料的綜合性能

乳液、阻燃劑體系及填料以最佳比例投料，制備的水性室內膨脹性鋼結構防火涂料各性能測試結果都符合技術標準，ⅤOC未檢出，測試結果見表6。

表6 性能測試結果Table 6 Properties of paint sample

3 結論

(1)通過兩種不同的醋酸乙烯酯乳液A和B的復配發現，乳液A炭層更致密，乳液B炭層膨脹倍率更高。當A和B按照1：1復配時，炭層的致密性和膨脹倍率得到較好平衡，涂層耐水性好，耐火極限達到105min。

(2)選用低水溶性的APP、PER及MEL，APP：PER：MEL質量比為20：10：10時，炭層致密，膨脹倍率高，耐火性能好，涂層泡水48h不起泡。

(3)選用金紅石型（R型）鈦白粉、特殊層鏈狀結海泡石及線狀結構的陶瓷纖維，當鈦白粉：海泡石：陶瓷纖維質量比為9：1：2時，涂層綜合性能優異。