有机-无机复合型防火涂料的研究

data-full-width-responsive="true"> 0 引 言目前我国饰面型防火涂料主要为膨胀型, 而钢结构防火涂料则有膨胀型和非膨胀型。有机- 无机复合型防火涂料是一种饰面性防火涂料, 主要用于建筑物的易燃基材上, 具有一定的装饰作用, 一旦发生火灾, 能有效地阻止火的传播, 达到保护易燃基材、防止火灾发生和漫延的作用。无机水溶型防火涂料是以无机粘结剂作为基料, 水作溶剂, 无机盐为主要添加剂。与其他类型的防火涂料相比, 它除了具有水溶性防火涂料的一些优点外, 由于它从基料到大多数添加剂都是无机物, 因此在所有的防火涂料中, 无机防火涂料的价格最低。但无机防火涂料的理化性能和应用性能较差。有机防火涂料虽然防火性能和理化性能好, 但成本较高。有机- 无机复合水溶型防火涂料兼有无机型和有机型防火涂料的特点。有机- 无机复合型饰面性防火涂料, 它是在无机粘结剂组分中引入一定量的有机物和有利于涂膜耐水、耐候的助剂进行改性, 改性后的涂料的理化性能会大大提高, 而且价格较低, 各种性能好。本研究结合我国消防法规和规范的要求, 结合国外最新的研究成果和研究动态, 从阻燃基本理论出发, 开展有机- 无机复合型防火涂料的配方、阻燃防火机理、环保性能、生产工艺、应用范围、施工特性及其发展等的理论分析和实验研究;采用构件燃烧炉、热分析仪、扫描电镜、氧指数、大板燃烧等多种实验方法和测试手段, 对防火涂料和涂层的结构与性能进行进一步研究, 并研究了其在建筑中的应用方式和应用效果。1 实验部分有机- 无机复合水溶型防火涂料除了应具有阻燃防火性能外, 还应该能满足一定的使用要求, 即具有一定的理化性能。而涂料的理化主要由基料决定。饰面性防火涂料由基料、阻燃添加剂、增强填料、溶剂、颜料及增塑剂、稳定剂、乳化剂、防沉剂等各助剂经研磨而成。基料确定的原则主要有以下几点:(1) 由于要求涂层在受火时能膨胀发泡, 因此要求选用的基料应该有利于或至少是不影响防火体系的膨胀发泡和防火隔热效果, 基料应该与其中选用的阻燃剂、溶剂、各助剂、添加剂等各组分相互协调;(2) 选用的基料应使涂料具有良好的理化性能;(3) 选用的基料应该有较好的经济效益。在有机-无机复合水溶型防火涂料配方设计时, 首先要根据产品用途,技术要求、施工应用条件及被保护物形状、干燥方式初步确定一种基料进行试验, 或者固定一种阻燃体系及配比来优选各种基料。基料确定之后, 要对组成膨胀防火体系的物质进行选择, 即确定酸源、发泡剂、碳源以及其卤素、助剂等其他添加剂。有机- 无机复合水溶型防火涂料膨胀发泡形成炭质泡沫层需要酸源(催化剂)、气源(发泡剂)和碳源3个基本要素, 同时要求三要素间能有机协合。另外在涂料配方设计时还应综合考虑其他原料的选择。在这些主要成分确定之后, 最后进行基料、原料、各种添加剂之间的合理配比等方面的研究, 另外考虑经济性、火灾时基本不产生毒气和浓烟以及隔热性、耐候、耐水等性能。通过大量实验, 确定了原料及相互之间的配比。最终筛选得到既有高效的防火隔热效果, 又有优良理化性能的有机- 无机复合水溶型防火涂料的满意配方。1 1 粘结剂的选择有机- 无机复合型防火涂料是由有机- 无机复合粘接剂作为该防火涂料的基料, 水作溶剂, 有机- 无机复合阻燃剂为主要添加剂。有机- 无机复合型防火涂料兼有无机型和有机型防火涂料的特点。特别是膨胀型的有机- 无机复合防火涂料, 其发泡层既有耐烧、强度好的无机防火涂料的特性, 又有泡沫层质地疏松, 导热性小的有机防火涂料的特点, 因此有很好的防火隔热效果, 但这类防火涂料通常对粘接剂基料要求较高。基料是防火涂料的关键组分之一, 不仅对涂料理化性能有决定性的作用, 也直接影响涂料的防火隔热效果。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。硅溶胶是一种比较理想的无机成膜物, 是由水玻璃经过酸处理, 电渗析及离子交换等方法去掉钠离子得到的超微粒子聚硅酸分散体, 具有一旦成膜就不再溶解的特性。但其在成膜过程中体积收缩大, 容易引起涂层开裂、硬脆。也有人曾把其作为膨胀型无机防火涂料的基料, 但耐水性较差, 没有得到理想的效果。如果用水性有机树脂或某些有机乳液与之拼用, 则可以大大改善涂膜的硬脆。在硅酸钠盐中由于存在游离的碱金属离子, 空气中的酸性气体如CO2,会与其发生如式( 1) 所示的反应:Na2O nS iO2 + 2nH 2O+ CO2 N a2CO3 + nS i( OH ) 4 式( 1)因此, 如果用其作为涂料的基料会使涂膜耐水、耐潮、耐候性差, 出现开裂、脱粉等不良现象。如果要采用硅酸钠作为基料配制无机防火涂料, 其关键技术之一是解决碱金属离子的抑制问题。目前解决这个问题的途径大多采用含氟硅酸盐、硼酸盐、有机高分子聚合物等对其作改性, 使其形成一种体型的网状结构将碱金属离子固定下来。但与此同时, 往往出现涂层不再发泡, 失去膨胀防火涂料的功能。加入一些有机树脂和有机乳液既避免碱金属离子与酸性气体反应, 又使涂料膨胀发泡, 可以得到防火性能和耐水性优良的有机- 无机复合型防火涂料。磷酸盐类粘接剂是常用的无机粘接剂, 用其作为防火涂料的基料, 可以避免碱性氧化物与空气中的酸性气体反应, 从而提高涂料的耐候性、耐水性等理化性能。磷酸盐粘结剂的种类较多, 根据其所含的金属不同其性能不同, 强度排序: A l Ca, Zn 耐水性排序: Ca, Zn A l 粘接性排序: A l Ca Zn。其中, M /P的物质的量比(M 指金属, P是磷) 对涂料的贮存稳定性、与基材的附着力、耐水性等都有直接影响。在这些无机粘接剂的组分中引入一定量的有机物基料如氯乙烯- 偏二氯乙烯乳液、苯丙乳液、丙烯酸乳液、聚醋酸乙烯乳液等, 从而使有机- 无机复合型饰面性防火涂料不仅有很好的防火隔热效果, 而且理化性能优良。磷酸铝盐类粘接剂是常用的无机粘接剂, 用它作用为防火涂料的基料, 其粘接性好, 强度高, 价格低, 但其耐水性较差, 如果加入一些有机乳液, 则可弥补这方面的弱点。苯丙乳液具有粘附力强、韧性好、耐氧化、耐候和耐水等优点, 其主要缺点是耐污性较差, 透湿性较差, 价格较高。为了发挥不同粘接剂的优点, 本研究用苯丙乳液和硅溶胶改性磷酸铝盐粘接剂, 通过化学方法, 在磷酸盐类粘接剂的分子结构上引入含羧基的有机物基团, 使其性质得到改善, 成膜后的粘结力强、韧性好、耐候和耐水性好, 从而研制得到防火性能和耐水性优良的有机- 无机复合型防火涂料。