乳液种类对膨胀型防火涂料理化性能和防火性能的影响

data-full-width-responsive="true"> 乳液种类对膨胀型防火涂料理化性能和防火性能的影响张旭昀, 王 勇, 孙丽丽, 万德立(大庆石油学院机械学院材料系)0 前 言采用膨胀型防火涂料替代普通涂料用于建筑装饰, 是减少火灾隐患的重要途径。随着人们环保意识的逐渐增强, 乳液型防火涂料逐渐代替溶剂型防火涂料, 在防火涂料中占有越来越大的比例, 因此研究乳液型膨胀防火涂料中乳液种类对涂料理化性能和防火性能的影响, 是进一步发展和推广乳液型膨胀防火涂料的关键问题。目前广泛采用的膨胀型防火涂料的主要作用机理是通过形成膨胀炭层, 阻止热量传递以达到防火的目的。膨胀炭层的形成一般要经过以下过程: 酸源受热放出无机酸, 多元醇酯化, 进而脱水炭化, 反应生成的水蒸气及一些不燃性气体使炭层膨胀, 最终形成一层多微孔的炭层 。膨胀型防火涂料主要由成膜物质、脱水催化剂、炭化剂、发泡剂、颜填料和助剂等组成:( 1) 成膜物质 试验主要考察聚醋酸乙烯酯( PEA)乳液、苯丙乳液和纯丙乳液3种成膜物质对防火涂料性能的影响;( 2)脱水催化剂 采用聚磷酸铵( APP) , 其受热分解生成的磷酸是较强的脱水剂, 可促进有机物脱水, 加速分解反应的进行, 形成炭质层, 最后转化成聚偏磷酸, 在材料表面形成固相层, 隔绝空气和热量, 并具有低烟、无毒等优点, 其含磷、含氮量多, 热稳定性好;( 3)炭化剂 一般情况下采用高含碳量, 低反应速度的物质作炭化剂比较合适。由于脱水催化剂聚磷酸铵热分解温度较高, 因此特选热稳定性较高的季戊四醇与之配用。季戊四醇的分解温度高达280 ℃ 左右,它能在由聚磷酸铵分解产生的酸的作用下脱水成炭,最终形成良好的膨胀发泡层;( 4)发泡剂 可选用和聚磷酸铵分解温度适应的三聚氰胺或六次甲基四胺, 本试验采用六次甲基四胺;( 5)颜填料 试验中采用钛白粉作为着色颜料, 另外还可以加入少量玻璃纤维、酚醛纤维等, 这些无机添加剂不仅能使涂料膨胀发泡层致密, 而且它们在受火时不会成为气体化合物而烧失;( 6)助剂 为提高涂料的稳定性和施工性, 在配制过程中可加入适量的分散剂、增稠剂、乳化剂以及成膜助剂醇酯-12等。1 试 验1 1 原 料苯丙乳液、纯丙乳液(工业级, 固体含量46%),PEA 乳液(工业级), 聚磷酸铵(工业级) , 季戊四醇(分析纯), 六次甲基四胺(化学纯), 钛白粉( R-930, 工业级) , 醇酯-12, 乳化剂OP-10(化学纯), 731分散剂。1 2 涂料的制备乳液型膨胀防火涂料基本配方见表1 。试验中乳液型膨胀防火涂料以聚磷酸铵作为脱水催化剂, 其在高温下分解放出磷酸, 使羟基化合物(主要是炭化剂)脱水焦化, 并对产生的发泡层起到催化作用; 发泡剂六次甲基四胺遇火受热分解出不燃气体H2O和NH3; 炭化剂季戊四醇在高温和酸的作用下,失水炭化成炭质骨架, 三者共同作用可形成疏松的泡沫层结构。配制工艺流程: 将去离子水加热到85℃, 加入731分散剂搅拌使其充分溶解; 加入钛白粉、聚磷酸铵、季戊四醇、六次甲基四胺到加热后的去离子水中, 高速分散0 5 h(转速2 500 r/m in) , 然后研磨到所需细度; 将成膜助剂醇酯-12加入到乳液中搅拌均匀, 倒入研磨后的浆液中, 高速搅拌分散0 5 h; 在分散过程中加入乳化剂OP-10、适量增稠剂、消泡剂等, 最后过滤后得到成品。1 3 涂料性能测试涂料配制完后静置24 h, 测试其性能。涂料的理化性能 涂料在容器中的状态、干燥时间、耐水性按GB /T9755- 2001 标准进行测试; 涂料的细度按GB 6753 1标准用刮板细度计进行测定; 涂料黏度按GB 1723- 1993标准测定; 涂料的附着力按GB1720- 79标准测试。涂料的防火性能 采用小室燃烧法对所配制涂料的防火性能进行测试:1 3 1 试验样板制备试板采用的尺寸为300 mm X150mmX 5 mm 一级松木5层胶合板, 试板表面应平整光滑, 无节疤拼缝或其他缺陷。先将防火涂料涂覆于试板四周封边, 24 h后再将防火涂料均匀地涂覆于试板表面, 涂刷3~ 5 道涂料, 每次间隔时间3~ 4 h; 试板在涂覆防火涂料后应在温度( 23 2) ℃ , 相对湿度( 50 5)%的条件下调节至质量恒定(相隔24 h前后两次称量的质量变化不大于0 5%)。试验中3种乳液涂料各涂3个试板。将经过状态调节的试板置于( 50 2) ℃ 的干燥箱中干燥40 h, 取出冷却至室温称重。1 3 2 小室燃烧试验将称量后的试板放在试件支撑架上, 使其涂覆面向下, 将烧杯置于基座上, 使杯沿到试件受火面的最近垂直距离为25 mm, 用移液管或滴定管取5mL 无水乙醇注入燃烧杯中, 点火、关门, 试验持续到火焰自熄为止。1 3 3 分析计算通过计算试板质量损失和炭化体积来确定其防火性能的好坏。( 1)质量损失测量并记录一组试板燃烧前后的平均质量损失。( 2)炭化体积用锯子将烧过的试件沿着火焰延燃的最大长度、最大宽度线锯成4块。量出纵向、横向切口涂膜下面基材炭化( 明显变黑) 的长度、宽度,再量出最大的炭化深度, 取其平均炭化体积的整数值即为防火涂料试件的炭化体积。炭化体积按下式计算 :式中V 炭化体积, cm3ai 炭化长度, cmb i 炭化宽度, cmhi 炭化深度, cmn 试件个数数据处理时若一组试件的标准偏差大于其平均质量损失(或平均炭化体积)的10%, 需加做3个试件, 其质量损失(或炭化体积)应以6个试件的平均值计算。2 结果与讨论2 1 防火涂料的理化性能3种防火涂料的理化性能测试结果见表2。由表2可以看出, 在3种涂料中, 纯丙乳液型的理化性能最优异, PEA乳液型的理化性能不太理想, 苯丙乳液型则性能居中。2 2 防火涂料的防火性能3种涂料燃烧前后的质量损失见表3。炭化体积和膨胀状态见表4。由3种乳液型膨胀涂料防火性能测试结果可知:( 1) PEA乳液制得的涂料尽管质量损失比较大, 但炭化体积最小, 膨胀表面大而不均匀, 膨胀效果极佳;( 2)纯丙乳液制得的涂料质量损失最少, 炭化体积也比较小, 膨胀层高度较高, 而且膨胀表面细而均匀,各种性能较优异。但在用六次甲基四胺作为发泡剂时应格外注意六次甲基四胺的用量, 多用会造成结块, 少用膨胀效果就会明显下降, 应用时应适当考虑;( 3)苯丙乳液制的涂料质量损失适中, 炭化体积也符合防火性能指标, 膨胀效果不太明显, 膨胀层高度较低, 但其防火性能和力学性能均能满足建筑物防火的需要。3 结 论PEA 乳液、苯丙乳液和纯丙乳液制备的防火涂料都具有一定的防火性能和阻燃性能, 但PEA 乳液型涂料形成的发泡层最坚固, 膨胀高度最大, 起到的防火效果也最好, 但理化性能不够理想, 且燃烧时气味较浓;纯丙乳液制得的防火涂料理化性能和防火性能都很优异; 苯丙乳液制得的防火涂料两者性能居中, 但也可满足防火要求, 且经济环保。