硅丙乳液膨胀型防火涂料的研制及性能

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国内外高性能防火涂料均为水性膨胀型防火涂料，主要由基料、脱水催化剂、炭化剂、发泡剂、颜填料、助剂等组成。就防火机理而言，膨胀型防火涂料是涂膜遇火受热即膨胀形成均匀致密的蜂窝状炭化层，使火焰热量受到隔离而减少其对底材的传导，从而起到阻火或延缓火焰扩展，为人们提供灭火时间的作用。因此它既有良好的防火性能，又有很好的装饰效果、并且无毒无污染，是环境友好型防火涂料。

本文是以硅丙乳液为基料，采用正交试验法对阻燃体系各成分的配比进行优化，制备出了具有很好的防火效果和良好装饰性能的膨胀型防火涂料。

1实验部分

1．1原料与仪器

原料：硅丙乳液(固含量42％)，聚磷酸铵，季戊四醇，三聚氰胺，钛白粉(锐钛型)，甲基硅油消泡剂，润湿分散剂PE-100，成膜助剂丙二醇苯醚，氨水，去离子水等。

仪器：501超级恒温水浴，电动搅拌器，涂-4杯粘度计，酒精喷灯，干燥器，柔韧性测试仪，附着力测试仪等。

1．2制备方法

(1)将各种粉料先进行机械研磨并筛分，要求粒度均在200目以上，乳液用稀氨水调节pH值至8左右；(2)按配方将水投入烧杯中，开动搅拌器，依次加入分散剂、脱水催化剂、成炭剂、发泡剂和钛门粉搅拌30min，缓慢加入硅丙乳液、成膜助剂、乳化剂和适量的消泡剂，继续搅拌15min；(3)将上述涂料送入砂磨机中研磨至100μm以下，出料后，用蒸馏水或增稠剂调节体系粘度至(涂-4杯)(25～30)s

1．3l生能检测

(1)防火性能

实验中采用酒精喷灯燃烧法检测防火涂料的防火性能。酒精喷灯燃烧法：将一面涂有防火涂料并已干燥的(20×20)cm五合板试样，涂层面朝下，置干酒精喷灯上方10cm处，观察五合板反面发生炭化所需时间即耐火时间。炭化时间越长，表明涂层的阻燃效果越好。

(2)理化性能

防火涂料理化性能试验的环境条件按GB／T9278-1988中3．1条规定进行。

2结果与讨论

2．1基料的选用

乳液作为膨胀型防火涂料的基料，其性能直接决定着涂料的性能，它必须使涂料成膜后具有良好的耐水性、附着力、化学稳定性，同时还必须具有任涂膜受热时不妨碍整个膨胀阻燃体系膨胀发泡的功能。用作防火涂料的成膜物有丙烯酸乳液、苯丙乳液、纯丙乳液、聚醋酸乙烯乳液、硅丙乳液等。现在广泛使用的水性苯丙、纯丙乳液尽管有较好的耐寒性和保光性、附着力强，而且可常温固化，但其耐热性较差，高温易返粘、易粘尘，低温时易变脆，透气性也较差。

硅丙乳液是由丙烯酸单体和有机硅单体共聚而成的乳液，兼有丙烯酸和有机硅二者的优点，既不明显增加成本，又能显著改善涂膜的耐候性、耐水性、耐洗擦性、保光性及柔韧性等。因此，实验中选用了硅丙乳液作为膨胀型防火涂料的基料。

2．2膨胀阻燃体系的选用

膨胀型防火涂料的阻燃剂由脱水催化剂、成炭剂、发泡剂3部分组成。在火源高温的作用下三者相互作用，发生膨胀形成立体蜂窝状炭化层。

2．2．1脱水催化剂的选用

凡是受热能分解产生具有脱水作用的酸的化合物均可作为防火涂料的脱水催化剂，如磷酸、硫酸、硼酸的盐、酯和酰胺类化合物。选用的脱水催化剂必须具有以下性能：(1)涂膜受热时催化剂的分解温度要比成炭剂略低；(2)放出的无机酸有利于多元醇进行酯化反应，使炭化剂脱水形成均匀致密的蜂窝状炭化层；(3)在水中的溶解度很少，以保证涂膜有良好的耐水性。作为膨胀型防火涂料的关键组分，脱水催化剂的主要功能是促进和改进涂层的热分解进程，促进产生不易燃的三维炭层结构，减少热分解产生的可燃性焦油、醛、酮的量。目前，常用的脱水催化剂有聚磷酸铵，聚磷酸铵能与多羟基化合物发生强烈的酯化反应并脱水引发膨胀过程。实验采用的聚磷酸铵(APP)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(热解温度达到290℃)。

2．2．2炭化剂的选用

炭化剂的作用是当高温或遇火焰时，在催化剂作用下脱水生成炭和不燃性气体，同时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。它必须具有：(1)炭含量高；(2)分解温度与催化剂、发泡剂的分解温度相匹配。

目前广泛使用效果好的炭化剂是多元醇类(如季戌四醇、淀粉、二或三季戌四醇等)。一般情况下采用高含炭量，低反应速度的物质作炭化剂比较合适。由于实验中采用了热稳定性较高的聚磷酸铵作为催化剂，因此选用同样热稳定性较高的季戊四醇(PER)与之配用。季戍四醇的分解温度高达280℃左右，它能在由聚磷酸铵分解产生酸的作用下脱水成炭，最终形成良好的膨胀发泡层。

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2．2．3发泡剂的选用

防火涂料只有借助于发泡剂的作用，才能在高温火焰作用下产生膨胀炭化层。发泡剂遇火达到一定温度时分解并释放出不燃性气体，如氨气、二氧化碳、卤化氢等，使涂层在达到软化点的条件下，发泡膨胀形成海绵状炭化层。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，实验中选用了热分解温度为250℃、发泡效果好的三聚氰胺(MEL)作为防火涂料的发泡剂。

2．3膨胀阻燃体系配比的确定

APP、MEL和PER组成了该硅丙乳液防火涂料的膨胀防火阻燃体系，这3种组分之间的配比对防火性能有直接的影响，为此，采用正交法来确定3种组分的最佳配比范围。

2．3．1因素与水平

每次实验硅丙乳液、颜填料、助剂及水的用量分别为28．0g、6．0g、7．0g和25．0g，在此前提下，选用L9(33)正交法(见表1)确定3种组分的最佳配比。

表1因素与水平

2．3．2实验结果

采用L9(33)正交法，进行酒精喷灯燃烧法实验，以耐燃时间为反映指标，对各配方的阻火性能进行评价(见表2)。

表2L9(33)正交试验表

由表2可知，MEL对耐燃时间指标影响最大，PER次之，APP最小。根据实验结果取MEL15．0g，PER6．0g和APP25．0g进行优化试验。

2．3．3优化配方的重复性实验

根据上述实验结果，采用L9(33)正交法进行优化实验，因素与水平见表3。

表3因素与水平

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采用L9(33)正交法进行优化实验，以耐燃时间为反映指标。对各配方的阻火性能进行评价(见表4)。

表4L9(33)正交优化试验

由表4可知，重复L9(33)正交试验，最优配方为：MEL14．0g，PER7．0g和APP25．0g。

2．4颜料的选用

作为膨胀型防火涂料除在遇火时发生膨胀，具备防火功能外，还必须在一般情况下，有一定的装饰效果。钛白粉作为一种白色颜料不仅遮盖力强，化学稳定性好，而且町以使形成的炭质层致密，提高炭化层的隔热阻燃性能。对于膨胀型防火涂料，由于加入了大量的防火添加剂，故颜料不宜多加，超过10％即大大影响其效果。实验中钛白粉用量为6．0g。

2．5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)成膜助剂

成膜助剂的基本功能是用来降低乳液的最低成膜温度(MFFT)，改善乳胶涂料的低温施工性能。MFFT高，涂膜的硬度和光泽就高，但稍低温度下就不能涂装；MFFT太低，低温涂装性能好，但涂膜的玻璃化温度(Tg)低，高温易发软返粘、不耐污染。实验中选用的成膜助剂为丙二醇苯醚，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，实验中用量为1．0g。

(2)润湿、分散剂

润湿分散剂能够缩短涂料生产过程中颜、填料的分散研磨时间，并使涂料中颜、填料能长时间地处于分散稳定状态，对于水性建筑涂料的某些性能甚至可起决定性作用。

实验选用了江苏科宁公司的PE-100作为润湿分散剂。PE-100作为颜料分散的润湿助剂，用量小、效率高、展色性好；在高颇填料、低乳液乳胶涂料兑水后，能降低表面张力，保证涂刷效果。经过反复试验，确定实验PE-100(水溶液)的用量为5．0g。

(3)消泡剂

作为水性防火涂料，由于成膜基料为水性乳液，乳液制备过程中乳化剂的使用致使乳液体系的表面张力下降，这是涂料产生气泡的主要原因。另外在涂料生产过程中，高速分散及搅拌，施工过程中的喷、刷、辊等操作都不同程度地改变体系的自由能，促使泡沫产生。因此必须选用适当的消泡剂来消除涂料中的气泡，从而改善涂膜的装饰效果，但用量不能太多，否则会引起缩边、缩孔、刷涂性能差和再涂性能差问题，应控制在涂料总量的0．5％以下。实验中选择常用的甲基硅油作消泡剂，加入量为0．4g。

3防火涂料配方及涂料性能

3．1涂料配方

通过对基料、脱水催化剂、成炭剂、颜料及助剂的选择和配方调整实验，确定了实验配方见表5。

表5防火涂料配方

3．2涂料性能

将硅丙乳液膨胀型防火涂料，按GB15442．11995((饰面型防火涂料防火性能分级及试验方法检测，理化性能合格，防火性能为一级，检测结果见表6。

由表6可知，防火涂料的防火性能达到国家饰面型防火涂料一级标准，理化性能优良。