一种钢结构超薄膨胀型防火涂料及其制备方法 【技术领域】
本发明涉及防火涂料，尤其涉及一种以环氧乳液为基料的钢结构超薄膨胀型防火涂料及其制备方法。
背景技术
防火涂料又称阻燃涂料，它涂覆在材料表面上，具有隔热、防燃、阻燃的功能，能有效延缓火势的发展，阻止火焰蔓延，对基材起到保护作用。钢结构防火涂料包括非膨胀型防火涂料和膨胀型防火涂料。非膨胀型防火涂料装饰性差，防火效果不佳，已逐渐被淘汰。膨胀型防火涂料作用高效、施工简便，应用最为广泛，这种涂料在常温下和其它涂层一样，主要起到保护基材的作用，在遇到火焰或高温时涂层中的防火助剂发生协同效应，使得整个涂层膨胀炭化，生成致密、稳定、热导率很低的炭化层，起到隔热吸热、阻止火焰蔓延、保护基材的作用。防火涂料由基料、防火助剂、无机填料和助剂组成。基料作为主要成膜物质，对涂层的防火、耐水、耐候性和装饰性至关重要。防火助剂体系是形成炭化层的一组物质，其组成和配比影响炭化层的化学组成、结构均匀性、泡孔的大小和强度。为提高炭化层强度和改善涂层其他性能，通常加入无机填料。为改善涂料体系的流平性能，一般体系中加入成膜助剂。膨胀型防火涂料按照基料所用乳液可分为溶剂性涂料和水性涂料。目前市场上主要供应的是溶剂型防火涂料，溶剂型防火涂料含有机溶剂，这些有机溶剂绝大多数是有毒的，对施工工人和用户健康都有危害。随着环保法规的完善，人们环保意识的加强，水性防火涂料已成必然趋势。
水性防火涂料是一类高性能、低污染的绿色环保建材，以水作为分散介质，树脂作为分散相，在水中部分互溶或者不溶的，水性涂料低污染、易清洗，减少了溶剂的挥发和损耗，可以在湿表面和潮湿环境中施工。水性超薄膨胀型钢结构涂料在保持良好防火性能的同时，解决了环境污染问题和火灾中卤素对人体的危害，因此推广应用水性超薄膨胀型钢结构涂料的前景广阔，具有良好的经济效益和社会效益。
水性防火涂料常用的乳液有苯丙乳液、聚丙烯酸酯乳液、乙丙乳液等，但是水性涂料自干性较差，需要更长的干燥时间；其次水的表面张力高，对基材的附着力较差，易引起涂膜的缺陷，另外，水性防火涂料的耐水性及耐腐蚀性也较溶剂型防火涂料稍差。导致耐候性不好的主要因素是成膜物质和防火助剂。因此采用性能优异的乳液和添加优良的防火助剂是改善防火涂料性能的重要措施。
【发明内容】
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种工艺简单、成本低廉、应用广泛的钢结构超薄膨胀型防火涂料及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种钢结构超薄膨胀型防火涂料，其特征在于，该涂料以环氧乳液为基料树脂，以高聚合度聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇为膨胀阻燃体系，辅以无机填料和成膜助剂组成，具体组分配比如下：
组份 重量百分比wt％
环氧乳液 20～30％
固化剂 1～10％
聚磷酸铵 10～20％
三聚氰胺 6～10％
季戊四醇 6～10％
二氧化钛 1～5％
高岭土 1～5％
可膨胀石墨 0～5％
去离子水 20～40％
成膜助剂 0～4％。
所述的环氧乳液为双酚A型环氧乳液，环氧值为0.18～0.24中的任一种，粒径＜200nm，固含量50％，所述固化剂为聚醚二胺、二氨甲基环己烷或二氨甲基环己基甲烷中的任一种。
所述的聚磷酸铵、三聚氰胺和季戊四醇为防火助剂，聚磷酸铵聚合度为1000或以上，三聚氰胺、季戊四醇为工业级。
所述的二氧化钛和高岭土为无机填料，所述的二氧化钛为金红石型。
所述的可膨胀石墨为助发泡剂，其粒度为50目、80目或100目中的任一种，膨胀温度150～250℃。
所述的成膜助剂为2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇单异丁酸酯。
一种钢结构超薄膨胀型防火涂料的制备方法，其特征在于，称取防火助剂：聚磷酸铵10～20wt％、三聚氰胺6～10wt％、季戊四醇6～10wt％、无机填料：二氧化钛1～5wt％、高岭土1～5wt％和助发泡剂可膨胀石墨0～5wt％，加入去离子水20～40wt％，用高速搅拌机分散15min～30min，然后进行研磨，使填料和防火助剂在去离子水中均匀分散，加入环氧乳液20～30wt％、固化剂1～10wt％和成膜助剂0～4wt％，用高速搅拌机分散10min～20min，即得成品。
所述的研磨为在三辊研磨机上研磨2次或在球磨机上研磨15min～30min。
本发明采用的环氧乳液是一种性能良好的热固性树脂，在固化剂作用下交联形成网络结构。施工时配合常温固化剂，固化时间适中，只需将环氧乳液和固化剂按照一定比例混合，施工过程体系粘度不大，施工操作容易，经过交联固化形三维交联型涂层，涂层的硬度高、耐磨性好、耐化学腐蚀性好，强度增加，并且具有较好的高温流变性能，在高温下所形成的炭化层强度亦很高，克服了目前市场上通用的诸如聚丙烯酸酯等热塑性树脂作为基料时的耐腐蚀性不强、在高温时炭化层强度不高的缺陷。本发明涉及的膨胀防火体系选用P-C-N阻燃体系，即脱水成炭催化剂、炭化剂和发泡剂作为防火助剂组分，在200℃～400℃，防火助剂体系相互协同作用，在环氧树脂环境下发泡膨胀形成炭化层。另外为了提高涂层的阻燃性能，特别是膨胀倍率，本发明选用了可膨胀石墨作为助发泡剂，可膨胀石墨常温下以稳定晶型存在，在受热时体积迅速膨胀，生成密度小的碳层，增大了膨胀倍率，同时导热均匀，使得炭化层平整。
与现有技术相比，本发明采用双组分环氧乳液作为钢结构超薄膨胀型防火涂料基料树脂，发挥了环氧涂膜的优点，克服了涂层强度低，所需成膜温度较高，固化时间较长，炭化层强度不佳等缺点。另外，施工条件灵活，有机挥发物含量低，耐火性能持久优良。
本发明优化了防火助剂体系，增加了优质助发泡剂可膨胀石墨，使发泡层均匀密实，膨胀倍率可达原涂层厚度的15～25倍。
本发明的制备工艺简单、成本低廉、应用广泛。
【具体实施方式】
以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步描述，请参阅表1列举地本发明的4个防火涂料配方。
实施例1
按表1中配方1称取防火助剂(聚磷酸铵、三聚氰胺和季戊四醇)、无机填料(二氧化钛和高岭土)和助发泡剂可膨胀石墨，加入适量去离子水，用高速搅拌机分散15min～30min；然后在三辊研磨机上进行研磨2次(或球磨机15min～30min)，使填料和防火助剂在去离子水中均匀分散。加入环氧乳液、固化剂和成膜助剂，用高速搅拌机分散10min～20min，即得本发明的成品。
所得本发明的防火涂料的性能见表2的配方1。
实施例2
按表1中配方2称取防火助剂(聚磷酸铵、三聚氰胺和季戊四醇)、无机填料(二氧化钛和高岭土)和助发泡剂可膨胀石墨，加入适量去离子水，用高速搅拌机分散15min～30min；然后在三辊研磨机上进行研磨2次(或球磨机15min～30min)，使填料和防火助剂在去离子水中均匀分散。加入环氧乳液、固化剂和成膜助剂，用高速搅拌机分散10min～20min，即得本发明的成品。所得本发明的防火涂料的性能见表2的配方2。
实施例3
按表1中配方3称取防火助剂(聚磷酸铵、三聚氰胺和季戊四醇)、无机填料(二氧化钛和高岭土)，加入适量去离子水，用高速搅拌机分散15min～30min；然后在三辊研磨机上进行研磨2次(或球磨机15min～30min)，使填料和防火助剂在去离子水中均匀分散。加入环氧乳液、固化剂和成膜助剂，用高速搅拌机分散10min～20min，即得本发明的成品。所得本发明的防火涂料的性能见表2的配方3。
实施例4
按表1中配方3称取防火助剂(聚磷酸铵、三聚氰胺和季戊四醇)、无机填料(二氧化钛和高岭土)和助发泡剂可膨胀石墨，加入适量去离子水，用高速搅拌机分散15min～30min；然后在三辊研磨机上进行研磨2次(或球磨机15min～30min)，使填料和防火助剂在去离子水中均匀分散。加入环氧乳液、固化剂和成膜助剂，用高速搅拌机分散10min～20min，即得本发明的成品。所得防火涂料的性能见表2的配方4。
上述实施例说明：本发明由于采用了热固性树脂环氧乳液为成膜物质，并采用优质助发泡剂可膨胀石墨，通过这两个方面对现有的钢结构超薄膨胀型防火体系进行改进，产品的涂层在经受火焰作用时升温时不会很快烧毁，对由火灾引起的破坏有良好的防护作用。
比较例
按表1中配方1，将环氧乳液和固化剂换成聚丙烯酸酯乳液，采用同实施例1同样的方法制备防火涂料。所得涂料的性能见表2的比较例。
表1本发明的水性钢结构超薄膨胀型防火涂料及比较例配比(单位：％)
原料名称 配方1 配方2 配方3 配方4 比较例 聚丙烯酸酯乳液 - - - - 27.48 环氧乳液 24.8 20 30 24.8 - 固化剂 2.68 5 7.5 5 - 聚磷酸铵 16 20 15 15 16 三聚氰胺 9.8 10 6 8 9.8 季戊四醇 9.8 10 6 8 9.8 二氧化钛 3.1 2 3 3.1 3.1 高岭土 1.3 2 1.5 2 3.1 可膨胀石墨 3.6 5 - 5 - 去离子水 26.8 25 30 26.8 26.8 醇酯12 2.12 1 1 2.3 2.12
表2钢结构超薄膨胀型防火涂料的主要性能及与现有涂料的比较
性能项目 配方1 配方2 配方3 配方4 比较例 干燥时间(h) 7 6 6 6 8 初期干燥抗裂性 无裂纹 无裂纹 无裂纹 无裂纹 无裂纹 粘结强度(MPa) 0.65 0.75 0.75 0.65 0.45 耐水性(h) ＞24h ＞24h ＞24h ＞24h 20h 耐冻融稳定性〔次) ＞15 ＞15 ＞15 ＞15 ＞15 耐湿热性(h) 260 260 260 260 180
性能项目 配方1 配方2 配方3 配方4 比较例 涂层厚度(mm) 2 2 2 2 2 发泡层厚度(mm) 20 17 12 14 19 耐火极限(min) 90 80 70 90 60