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水性防火涂料的研究
2013/8/4      Read:1042

经过几十年的发展, 水性防火涂料已经在国内外得到了广泛推广和使用。目前在构筑物的钢铁物件、房屋的钢架、酒店、大厦、机场、车站等建筑物、构筑物上都大量采用了水性防火涂料。目前我国已有水性防火涂料生产厂家多家,产量达几万吨,品种多达几十种。

1.水性防火涂料分现状

目前,水性防火涂料主要以性能优异的有机、无机和有机—无机复合的膨胀型防火涂料为主。

1.1有机乳液型防火涂料的用及

乳胶型防火涂料是用乳液聚合物作基料乳液聚合物的相对分子质量高, 所以作为涂料的成膜物有较好的机械性能,用水作溶剂,添加适当种类和数量的助剂经研磨而制备成的涂料。常用作水性防火涂料基料的乳液有聚丙烯酸乳液、苯乙烯改性聚丙烯酸乳液、聚醋酸乙烯乳液,聚偏氯乙烯乳液等。另外, 要求选用的聚合物乳液必须对基材具有良好的附着力,耐久性和耐水性好。

纯丙(甲基丙烯酸酪—丙烯酸酯共聚物乳液)、乙丙(丙烯酸酯—醋酸乙烯酯共聚物)乳液和苯丙(丙烯酸酯—苯乙烯共聚物)乳液,无毒无臭,具有较高的耐寒性和保光性,附着力强,可常温固化。均是很好的乳液聚合基料,但其阻燃性、耐热性较差,高温易返粘、易粘尘,低温时易变脆,透气性较差。为改善这些性能,可以来用乳液拼用、合成改性树脂(用丙烯酸单体与有机硅单体共聚形成硅—丙树脂)或增添阻燃剂等方法。

1.2无机膨型防火涂料的与应

有机膨胀阻燃体系具有涂层美观, 附着力好等特点, 但其阻火时易产生烟雾和不同程度地放出毒性气体,成本也较高,于是,以硅酸盐为主体的无机膨胀型防火涂料便应运而生, 它以水玻璃为基料和发泡基体,添加其他材料所组成。涂层遇火高温作用时, 碱金属硅酸盐所含结晶水及水玻璃中氧链上经基的脱水作用而使涂层共熔变软,粘度增大,这时由于分解产生的气体不能自由的排出从而发泡, 形成了具有隔热功能的多孔质体—硅酸盐泡沫状隔热层,无机防火阻燃体系具有以下特点:

(1)阻火时不产生毒性气体和烟雾;

(2)产生的硅酸盐泡沫状隔热层强度高,能有效的抵抗火焰热流的冲击作用,阻火性能比较突出;

(3)以水玻璃、无机矿物等为原料,成本低,原料来源广,易于制备;

(4)生产、使用过程无污染。

无机膨胀型防火涂料主要由成膜剂、发泡剂、成炭剂、脱水剂、防火填料及颜料等组成。成膜剂主要有水玻璃、硅溶液胶体和磷酸盐等,一般选用价格便宜,来源广泛的水玻璃发泡剂常用的有磷酸盐、氯化石蜡、三聚氰胺等。但选择时要注意与成膜剂的匹配,如磷酸钱盐和水玻璃容易沉淀板结,氯化石蜡和成膜剂的混溶性不好;成炭剂常用季戊四醇、淀粉等,这些多经基化合物和脱水催化剂反应生成多孔结构的炭化层脱水剂常采用磷酸钱盐、磷酸酪及三聚氰胺等,促进涂层分解防火填料主要有氢氧化铝、高岭土、硼砂、滑石粉、碳酸钙等。这些原料在受热分解时一方面要吸收大量热量;另一方面,如硼砂、氢氧化铝、碳酸钙等会不断产生大量的水汽或二氧化碳,在材料周围形成惰性屏障,减缓燃烧速度。

从以硅酸盐为主体的无机膨胀型防火涂料的研究历史来看,该类涂料的研发形成了下列几种类型:

(1)水合硅酸

这类涂料由水玻璃、水合水玻璃、固体水玻璃、无水水玻璃及少量填料组成。硬化涂层的主要成分为各种水合硅酸盐, 水合硅酸盐中的结合水影响体系的熔程。该种涂料受热时,涂层在大于100℃时开始熔融,随着温度升高,涂层液化,结合水变成水蒸气。由于熔融的硅酸盐具有较高的粘度,水蒸气不能自由的排出而包含在粘稠的熔体中, 变形成薄壁的气泡,涂层形成泡沫状结构,达到阻火、隔热的目的。随着温度进一步升高,硅酸盐泡沫层会熔缩,继而熔落。因此,水合硅酸盐型涂层后期阻火能力欠佳,这类涂料多用于木构件、织物、电缆等制品的防火保护。

(2)耐水硅酸

未经处理的无机膨胀防火涂料在防水方面较差,遇水时显示强碱性,会使金属钝化,造成配套底漆破坏,一旦涂膜遇水,碱金属离子很快溶于水中,涂膜也随之溶解。为改进防水性能,可进行如下改性

①将涂层在250℃—300℃烘烤1h,加热固化可提高防水性;

②通过加人某些憎水基团取代水玻璃分子中的钠离子,提高防水性;

③待涂层表面干燥后,再涂刷一道罩面层,如甲基硅醇钠;

④加人固化剂固化,一方面与碱金属离子发生反应生成非水溶性化合物, 另一方面促进胶体二氧化硅缩合成疏水性涂膜, 常用的无机固化剂有缩合磷酸钠盐、聚磷硅酸盐、氟硅酸钠等;

⑤在无机膨胀防火涂料组分中引人一定量的有机物和有利于提高涂膜耐水性、耐候性的助剂,如有机硅消泡剂。

(3)无机高一低温复泡型

无机膨胀阻燃体系的发展方向之一是改进和开发新的发泡体系,如无机高温、低温复合发泡型防火涂料。这种涂料的低温发泡层由增稠剂与改性水玻璃配制而成,增稠剂的主要成分为无定形二氧化硅,可与水玻璃发生反应,起到增稠水玻璃的作用,同时生成水合硅酸盐。所以,硬化涂层的主要成分为含多经基的硅烷醇大分子及各种水合硅酸盐,它的膨胀阻火过程与水合硅酸盐型相似。低温发泡涂料配制简单,直接将几种粉料与水玻璃混合,进行涂刷。高温发泡体系由水玻璃、玻璃料、发泡剂和耐温材料组成,涂层受热至800℃—820℃时,膨胀发泡发挥隔热作用,试件的升温趋势减缓。

除以硅酸盐为主体的无机膨胀型防火涂料以外,四川消防科研所覃文清等人研究了以磷酸和氢氧化铝等在一定条件下反应, 并配以阻燃剂及其他助剂而制成的一种无机膨胀型防火涂料。该涂料在基料的研究和复合阻燃剂的应用上有所创新, 解决了无机防火涂料的耐水问题,适用于木材、纤维板、胶合板、塑料,玻璃钢等可燃基材的防火保护和装修。

1.3有机无机合型防火涂料的究及其

以无机材料为主要成膜物质的防火涂料, 其阻燃性优于有机防火涂料, 但其耐水性等物理性能较差, 有机无机复合型防火涂料将二者的优良性能结合起来取长补短。有机、无机复合型防火涂料的基料由有机树脂或有机乳液和无机体系粘接剂复合而成。这种“复合”可以为化学过程,也可以为物理过程。所谓化学过程,是通过化学方法,在无机物的分子结构上引人有机物基团,使其性质得到改善。而所谓物理过程,多指机械混合过程,得到有机和无机的混合分散液。有机、无机复合型防火涂料主要有以下几种:

(1)水玻璃、有机物合型

这类涂料由水玻璃、有机物及各种填料组成,可分为以下两种:

①水玻璃、玉米淀粉、cMc(羧甲基纤维素)混合涂料;

②水玻璃、有机水乳液复合涂料。以锂水玻璃—苯丙乳液复合成膜物为例, 颜填料中的金属离子Me2+与硅酸盐中的-OH相互作用形成交联结构从而提高了防水性。

这两种涂料的涂层阻火时, 泡沫层均以水合硅酸盐为主体,存在着泡沫层高温熔滴的技术难题,目前,仍主要用于木质结构的防火保护。

(2)涂料中添加有机固化

在涂料中添加有机固化剂可以提高防火涂料的耐水性,常用的有机固化剂有三乙醇胺、乙二醛、甲基硅烷醇酸钠、甲基硅油。将它们预先制成乳化液,再与防火涂料混合,形成无机有机复合型涂料。

(3)丙酸一磷酸铝复合膨

按配比取磷酸和氢氧化铝,加人去离子水,搅拌成乳状液,制得磷酸铝乳液。将其加入丙烯酸乳液中,控温搅拌制得丙烯酸—磷酸铝复合乳液。再加人其他助剂即制得丙烯酸—磷酸铝复合膨胀型防火涂料。

有机无机复合型防火涂料中, 阻燃添加剂的选择原则与其他几类防火涂料类似。不过因其基料的特殊性,所以对阻燃剂的要求更为苛刻。阻燃添加剂不仅要能与基料的无机物相协和, 而且还要能与基料中的有机物或有机基团相协和。

有机无机复合型防火涂料兼具无机型和有机型防火涂料的特点。特别是膨胀型有机无机复合防火涂料,其发泡层既有无机防火涂料耐烧、强度好的特性,又有有机防火涂料泡沫层质地松、导热性小的特点,因此有很好的防火隔热效果。但一般来说这类防火涂料对有机树脂要求较高,往往需要特别合成,因此提高了其生产成本。

2.水性防火涂料存在问题与

目前的水性防火涂料据有关方面反映和市场调查结果显示主要存在耐候性及耐水性问题。通过国家防火材料质量检验部门对该类产品的抽验, 分别进行天然老化和加速老化试验, 发现涂料防火性能均有不同程度的降低且理化性能也有下降, 甚至部分产品出现粉化、起泡、脱落的现象,给防火涂料的使用和消防监督管理都带来了一定的困难。,

当前, 对于水性防火涂料存在的耐候性及耐水性问题,可采用以下措施加以改进:

(1)对有机成膜物质可选择性能更好的氯偏乳液、丙一硅乳胶或者几种乳液搭配使用,以及适当增加乳液用量到25%或以上。

(2)对于天然成膜物质,可采用加热固化对水玻璃进行改性处理涂刷罩面层添加固化剂提高涂料的耐水性。

(3)无机、有机成膜物配合使用、膨胀型和非膨胀型阻燃剂配合使用以提高涂料的耐水性及其他性能。

3.结语
水性防火涂料克服了油性防火涂料价格高,毒性大,运输、贮存和使用不安全的缺点,有利于环境保护及生产、施工人员的健康和安全。随着整个涂料工业向节能、低污染、高性能方向发展,人们对防火涂料的要求和期望也越来越高, 目前的水性防火涂料在外观, , 这与乳液品种的选择及各种添加剂的用量有关无机膨胀型防火涂料,原料易得,价格便宜,无环境污染,在国内外涂料领域中将越来越受重视,可以说水性化是防火涂料的发展方向。

 
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