水性防火涂料的研究进展

1 概述防火涂料是涂覆于可燃性基材表面, 能降低被涂材料表面的可燃性, 阻滞火灾的迅速蔓延, 或是涂覆于结构材料表面, 用于提高构件耐火极限的一类物质。防火涂料一般由基料、分散介质、阻燃剂、填料、助剂( 增塑剂、稳定剂、防水剂、防潮剂等) 组成。防火涂料阻燃原理如下:1 防火涂料本身具有难燃或不燃性, 使被保护的基材不直接与空气接触而延迟基材着火燃烧;2 防火涂料遇火受热分解出不燃性的惰性气体, 冲淡被保护基材受热分解出的易燃气体和空气中的氧, 抑制燃烧;3 防火涂料遇热能生成减缓及终止燃烧连锁反应的自由基;4 防火涂料遇热膨胀, 形成隔热隔氧的膨胀碳层, 阻止基材着火燃烧。防火涂料按分散介质的种类, 可分为溶剂型防火涂料和水性防火涂料。水性防火涂料的开发较早。20 世纪30 年代在国外就有产品问世; 国内水性防火涂料的研制和应用始于20 世纪50 年代后期, 产品的性能和质量逐渐提高。20 世纪90 年代开始, 随着环境意识和科技水平的提高, 水性防火涂料迅速发展。目前, 水性防火涂料已经在国内外得到了广泛推广和使用。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。随着人们环保意识的增强及法律、法规的进一步完善, 应用水性防火涂料, 尤其是用于屋内场合的饰面型防火涂料或钢结构防火涂料, 对保护环境、保障人体健康、节约能源无疑是非常有益的。目前, 国外( 如美国, 日本) 膨胀型防火涂料中水性的占75%以上, 同时水性防火涂料在耐水性、防火性、装饰性、降低成本等方面也不断取得可喜的进展。2水性防火涂料分类及研究现状目前, 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, 下面分类别给予阐述:2 1有机乳液型防火涂料的应用及研究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) , 用水做溶剂, 填加适当种类和数量的助剂经研磨而制备成的涂料。常用的水性防火涂料基料的乳胶有: 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、苯- 丙乳液等。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。纯丙( 甲基丙烯酸酯- 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, 高温易反粘、易粘尘, 低温时易变脆, 透气性较差。为改善这些性能, 可以采用乳液并用、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。2 2无机膨胀型防火涂料的研究与应用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的放出毒性气体, 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。它是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羟基的脱水作用而使涂层共熔变软, 并黏度变大。这时由于分解产生的气体不能自由的排出, 使涂壁产生气泡, 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。但选择时注意与成膜剂的匹配, 如磷酸铵盐和水玻璃容易沉淀板结, 氯化石蜡和成膜剂的混溶不好; 成炭剂常用季戊四醇、淀粉等,这些多羟基化合物和脱水催化剂反应生成多孔结构的炭化层; 脱水剂常采用磷酸的铵盐、磷酸酯及三聚氰胺等来促进涂层分解; 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, 该类涂料的研究发展形成了下列几种类型:1 水合硅酸盐型这类涂料由水玻璃、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100oc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黏度, 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 耐水硅酸盐型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, 碱金属离子很快的溶解于水, 涂膜也随之溶解。为改进防水性能, 可进行如下改性处理:( 1) 将涂层在250~ 300oc烘烤1h, 加热固化可提高防水性;( 2) 通过加入某些憎水基团取代水玻璃分子中的钠离子, 提高防水性;( 3) 在涂层表面干燥后, 再涂刷一道罩面层, 如甲基硅醇钠;( 4) 加入固化剂固化, 一方面与碱金属离子发生反应生成非水不溶性化合物, 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入一定量的有机物和有利于提高涂膜耐水性、耐候性的助剂, 如在涂料中加入有机硅消泡剂。