水性超薄膨胀型防火涂料的制备与性能研究

data-full-width-responsive="true"> 水性超薄膨胀型防火涂料的制备与性能研究周娟，李惠萍* ，胡子昭，茹春( 新疆大学石油天然气精细化工教育部，自治区重点实验室，乌鲁木齐830046)水性防火涂料主要以聚合物乳液为基料。聚合物一方面要有较强的粘结作用，能把涂料中的各种组分粘合在一起，防火涂料干燥后能形成坚固的涂层，对涂料的性能有重要的影响; 另一方面，涂层遇火时，作为高分子材料，在分解炭化时与小分子不同的是它的炭化物强度要高得多，因此，通常需要添加一些高分子聚合物作为辅助基料。添加聚合物的原则主要有下面几点: 第一，加入聚合物体系不产生凝胶现象; 第二，在高温( 800 ～ 1 000 ℃) 下，高分子聚合物可以提高防火涂料体系与钢材的粘合强度，并且有利于或至少是不影响防火涂料体系的防火隔热效果; 第三，聚合物具有良好的耐水性、附着力强，并且常温稳定，对金属无腐蚀性; 第四，应考虑选用的聚合物对涂料的炭化膨胀高度及炭质层强度的影响; 第五，来源充足，价格适宜。由于目前水性防火涂料存在易龟裂、易脱落以及防水性差等问题，所以本研究通过对比添加不同的聚合物后，来解决目前水性防火涂料存在的普遍问题。以水性乙酸乙烯酯－乙烯共聚乳液为基体，采用APP－MEL－PEＲ 为防火阻燃体系，通过添加一些高分子聚合物，考察聚合物对涂料性能的影响，采用红外测温仪在钢板散热良好的情况下对钢板的背部升温曲线进行了测定，研究涂料防火性能。1 实验部分1 1 主要原料乙酸乙烯酯－乙烯共聚乳液( BJ－707 乳液) : 北京中汇联合新型材料有限公司; 聚磷酸铵( APP) 、三聚氰胺( MEL) 、季戊四醇( PEＲ) : 济南泰星精细化工有限公司; 聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺: 聊城市润启环保科技有限公司; 羧甲基纤维素、聚乙烯醇、聚乙二醇:济南乐邦化工有限公司; 助剂均为市售。1 2 防火涂料制备按照配方称取一定量的固体组分混合，将各组分放在研钵充分研磨，然后加入到用水稀释好的乳液当中，放到机械搅拌器中搅拌低速搅拌10 min，再高速搅拌30 min 得到防火涂料。1 3 性能检测1 3 1 耐火性能测试样品的制备将制备好的防火涂料均匀涂刷在打磨除锈后尺寸为150 mm70 mm2 mm 的钢板上。每次涂刷厚度约0 1 mm，将涂刷好的钢板放在50 ℃的鼓风干燥箱中干燥后涂刷下一层。直至厚度达到( 2 00 2) mm，在室温下进行干燥养护3 d 直至钢板质量不再变化。1 3 2 防火涂料耐火时间的测试采用自行设计的简易燃烧测试装置( 如图1) 测试耐火时间。将涂料样板固定于铁架台的铁圈上方，涂层朝下，样板与酒精喷灯口的垂直距离为5 cm 左右，采用红外测温枪测量燃烧过程中钢板背后的温度变化。将酒精喷灯放到测试样板的下方，使火焰直接燃烧防火涂层，并开始计时，用红外测温仪每隔5 min 测量1次涂膜背面温度，把钢板背面温度升至500 ℃的时间作为涂层的耐火极限时间。1 3 3 防火涂料膨胀度的测试采用NSTL－2 型防火涂料试验炉( 见图2) 测试涂膜的膨胀度。将涂层涂覆在钢板上，待完全干燥后，用数显游标卡尺测量燃烧前的涂层厚度，一般为2 mm，放入试验炉内。炉温设定值为750 ℃。试验时间定为5 min。5 min 后拿出铁烧杯用游标卡尺测量涂层膨胀后的厚度。2 结果与讨论2 1 阻燃膨胀体系各组分对防火涂料性能的影响为了研究APP、MEL、PEＲ 三组分对涂料防火性能的影响，在其他组分比例不变的条件下，选用L9( 33 ) 正交实验设计，考察了膨胀型阻燃体系中APP /MEL /PEＲ 三组分对涂料耐火性能的影响。正交实验的因素水平表如表1 所示。以涂层的耐火时间为评价标准。把钢板背面温度达到500 ℃的时间作为涂层的耐火极限，所得数据结果如表2 所示。由表2 的正交实验结果表明，因素APP 的极差最大，为7 96，因素MEL 次之，为3 9，因素PEＲ 的极差最小，为1 83。所以，影响防火性能的顺序为: APP＞MEL＞PEＲ，即是APP 对水性膨胀型防火涂料的耐火性能影响最大，MEL 次之，PEＲ 最小。由表2 可以看出，最优组合是APP、MEL、PEＲ 的质量分数分别为25%、15%和10%，此组合接近于5 号试验配方的配比，按照该比例进行试验重现，当钢板背面温度达到500 ℃时，耐火时间为32 4 min。2 2 聚合物对涂料性能的影响乙酸乙烯酯－乙烯共聚乳液与聚合物溶液的体积比为5 ∶1，保持其他原料一定条件下，通过对比添加不同聚合物，考察聚合物对涂料性能的影响。本实验选用聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素，分别编号为A1、A2、A3、A4、A5，将聚合物进行热溶( 70 ～80 ℃) 。聚合物溶液的浓度为0 2 g /mL，取5 mL 加入到25 mL 乙酸乙烯酯－乙烯共聚物乳液中混合均匀，再加入到100 g 其他原料组成的混合物中。用涂料粘结强度测试仪测量涂层的附着力，涂层测试区为50 mm50 mm，由公式fb =F/A 得出粘结强度，试中fb为粘结强度，F 为附着力，A 为粘结面积。聚合物种类对涂料性能的影响见表3、表4。从表3 和表4 可以看出，虽然羧甲基纤维素能形成平整光滑的涂层，但是与钢材的附着力较差，形成的炭层容易脱落，降低防火作用; 聚乙二醇的膨胀倍率最高，但涂层容易龟裂，导致炭化层质量不好，所以其耐久性不强。聚丙烯酸钠虽然附着力较好，但因为该聚合物黏度太高，加热到80 ℃时，其水溶液仍然是果冻状，涂刷有一定难度，且炭质层较疏松。从综合性能看，添加聚丙烯酰胺的涂层性能最好，并且粘结强度也满足GB 149072002 中＞0 2 MPa 的要求。这是因为聚丙烯酰胺是多功能线性高分子化合物，其结构单元中含有酰胺基，易形成氢键，使其具有良好的水溶性。由于传统涂料干燥后固体颗粒间的连接作用大多是靠物理吸附，即范德华引力作用，当接触到大量水时，固体颗粒易发生解吸等水化作用，导致固体颗粒相互之间分散开，从而使涂膜易发脱落或龟裂。本研究所用聚丙烯酰胺呈正电，它可将颗粒间普通的范德华引力转变为静电吸引，再通过高分子链的作用将分散开的细小颗粒牢牢连接在一起，这大大地提高了涂料的防水性及成膜性，有效地防止了龟裂。基料以及助剂不变，当m( APP) ∶ m( MEL) ∶ m( PEＲ) = 5 ∶3 ∶2 时，分别添加5 种聚合物制备涂料。涂层燃烧的时间和温度的关系如图3 所示。由图3 可以看出，添加聚丙烯酰胺的防火涂料防火性能最好，受热后形成的炭质层与钢板粘附性好，强度高，膨胀倍率大，持续耐火性能最好，受热40 min后钢板背面温度维持在276 ℃左右。3 结语( 1) 防火涂料膨胀体系中，聚磷酸铵对涂料的防火性能影响最大，三聚氰胺次之，季戊四醇的影响最小。聚磷酸铵、三聚氰胺和季戊四醇的最佳质量配比为5 ∶3 ∶2。( 2) 聚合物的加入可以使涂料的理化性能及防火性能有所改善。( 3) 当m( APP) ∶m( MEL) ∶m( PEＲ) = 5 ∶3 ∶2时，添加聚合物聚丙烯酰胺时制备的防火涂料受热后形成的炭质层与钢板粘附性好，强度高，膨胀倍率大，持续耐火性能最好，受热40 min 后钢板背面温度维持在276 ℃左右。