CN103045037B - 水性膨胀型钢结构防火涂料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水性膨胀型钢结构防火涂料及其制备方法，各组份按质量百分比计，防火涂料由20-45%涂料基体、25-45%纳米阻燃剂、0.1-10%阻燃协效剂、1-10%填料、0.2-5%助剂和5-30%水组成，防火涂料制备方法：先制备纳米阻燃剂，再将涂料基体中的水性环氧乳液、水性环氧固化剂和自交联硅丙乳液加入搅拌桶中搅拌均匀，加入纳米阻燃剂、阻燃协效剂、填料、助剂和水，搅拌10-30min后加入球磨机中研磨，检测涂料细度是否达到要求，达到要求后停止研磨，用滤网过滤，分离研磨珠和涂料，将涂料装入指定的罐中，出料装桶。本发明的防火涂料膨胀倍率高，耐火极限可达120min，涂层厚度2mm。该涂料制备方法简单，解决了生物质发电领域中固体废弃物，成本低，应用广泛，具有显著的经济及社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及防火涂料领域，具体地指一种基于生物质电厂灰废弃物综合利用的水性膨胀型钢结构防火涂料及制备方法。
背景技术
现代化高层及大型建筑物的框架大多数采用钢结构，虽然作为承重构件的钢材具有强度高、自重轻、负荷能力大、抗震性能好、易施工、无污染、可循环利用等优点，但是，其导热系数大，一旦遇到火灾，在10-15min内其温度可升至700℃，远远超过了自身的临界温度（540℃）,此时，因钢材的屈服强度急剧下降至常温态的40%左右而失去承载力，会引起建筑物垮塌。目前，我国多采用钢结构防火涂料对其进行涂装保护。防火涂料涂刷于钢构件表面，遇火时涂层膨胀发泡形成炭化耐火隔热保护层，隔绝氧气，延滞钢结构受热的速度，避免钢构件快速升温，从而提高钢结构的耐火时限，降低热量传递的速度，推迟钢结构温升、强度变弱的时间等。但无论采取何种方法，其原理是一致的。
目前国内外研究的钢结构防火涂料主要有两大类:膨胀型防火涂料和非膨胀型防火涂料,由于后者的防火性能较差,已经逐渐被淘汰，钢的涂层本身多孔轻质和受热后形成碳化泡沫层，阻止了热量迅速向钢基材传递，推迟了钢基材强度的降低，从而提高了钢结构的耐火极限。
超薄膨胀型钢结构防火涂料，与厚涂型和薄涂型钢结构防火涂料相比，品种粒度更细、涂料层更薄，施工方便，经济，装饰性更好，在满足钢结构防火要求的同时，也能满足人们高装饰性要求；可广泛使用于工业厂房、体育场馆、候机楼、高层建筑等装饰要求很高的钢结构的防火保护，也适用于船舶、地下工程、电厂、机房等要求很高的设施内的木材、纤维板、塑料、电缆等易燃基材的防火保护，是目前消防部门大力推广的品种。专利200810231868.7和01113320.1等公开了超薄膨胀型钢结构防火涂料及其制备方法，专利201210008305.8公开了一种防火涂料 ，这种涂料可广泛应用于建筑材料领域。这些防火涂料多为溶剂型或含卤防火涂料，它们虽然具有较好的防火效果，但容易对环境造成污染，特别是卤素燃烧生成的有毒气体容易造成人员中毒或窒息。
发明内容
本发明的目的是公开一种新型的基于生物质电厂灰综合利用的新型的水性膨胀型钢结构防火涂料的制备及其方法。以克服传统有机膨胀型防火涂料存在的耐高温性差、耐老化性差和耐水性差等缺点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
水性膨胀型钢结构防火涂料，各组份按质量百分比计，其特征在于由几个组份组成： 20-45%涂料基体、25-45%纳米阻燃剂、0.1-10%阻燃协效剂、1-10%填料、0.2-5%助剂和10-30%水。
所述纳米阻燃剂由成炭剂、成炭催化剂、发泡剂和二氧化硅及表面活性剂组成；他们是对阻燃剂原料进行纳米化而获得；所述的对阻燃剂原料进行纳米化的方法是通过沉淀法将阻燃剂原料固定在纳米二氧化硅颗粒而制备得到的。
所述的阻燃剂原料由成炭催化剂、成炭剂和发泡剂组成。
所述的纳米阻燃剂的具体制备步骤为：把阻燃剂原料、占阻燃剂原料重量的5-50%的水玻璃和占阻燃剂原料重量的0.5-50%的表面活性剂加入到为阻燃剂原料重量的1-5倍的水中加热到50-90℃后，用酸调节pH值到5-8，反应两小时后冷却、过滤洗涤反应产物，干燥后得到所述的纳米阻燃剂。
所述成炭催化剂选自聚磷酸铵、红磷、磷酸胍、磷酸脲、磷酸二氢铵、焦磷酸铵中的一种或多种；所述成炭剂选自淀粉、葡萄糖、三梨醇、季戊四醇、双季戊四醇、三季戊四醇中的一种或多种。
所述发泡剂选自尿素、双氰胺、三聚氰胺中的一种或多种。
所述的表面活性剂选自十二烷基羟丙基磷酸酯甜菜碱（BS-12）与烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10)、硅烷偶联剂、脂肪酸聚氧乙烯酯、十二烷基硫酸钠(SDS)、聚乙烯醇、聚乙烯亚胺、聚乙烯醇-聚乙烯亚胺-聚乙烯醇中的一种或多种复配。
所述阻燃协效剂选自生物质电厂灰;进一步地，通常地，所述生物质灰是指生物质电厂以农林固体废物为燃料燃烧后由布袋除尘器收集的锅炉飞灰。
所述填料选自钛白粉、锑白粉、氧化铁、轻质碳酸钙、硅酸铝纤维素、高岭土、云母粉、酞菁、可膨胀石墨、鳞片石墨中的一种或多种。
所述涂料基体由5-10%的自交联硅丙乳液、丙烯酸酯乳液、苯丙乳液、聚醋酸乙烯乳液中的一种或多种与10%-35%水性环氧乳液、1%-5%水性环氧固化剂组成，涂料基体总量为20-45%；环氧固化剂是与环氧树脂发生化学反应,形成网状立体聚合物,把复合材料骨材包络在网状体之中.促成固化反应的物质。
所述助剂选自醇酯-12、羟乙基纤维素、甲基羟乙基纤维素、聚醚改性聚硅氧烷类流平剂TEGO Flow425、聚醚改性聚硅氧烷类流平剂BYK-333、聚醚改性聚硅氧烷类流平剂JY3033中的一种或多种。
所述的醇酯-12的化学成分2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇单异丁酯。
上述利用原材料制备的水性膨胀型钢结构防火涂料的制备方法包括如下步骤：
（1）纳米阻燃剂的制备：
将阻燃剂原料、占阻燃剂原料重量的5-50%的水玻璃和占阻燃剂原料重量的0.5-50%的表面活性剂加入到为阻燃剂原料重量的1-5倍的水中加热到50-90℃后，用酸调节pH值到5-8，反应两小时后冷却、过滤洗涤反应产物，干燥后得到所述的纳米阻燃剂。
（2）防火涂料的制备：
先将涂料基体中的水性环氧乳液、水性环氧固化剂和自交联硅丙乳液加入搅拌桶中，搅拌均匀后，加入纳米阻燃剂、阻燃协效剂、填料、助剂和水，搅拌10-30min后加入球磨机中研磨，均匀混合后用刮板细度计检测涂料的细度是否达到要求，达到要求后停止研磨，用滤网过滤，分离研磨珠和涂料，将涂料装入指定的罐中，出料装桶。
采取以上步骤，可制备出本发明描述的具有低成本高效率水性膨胀型钢结构防火涂料。
本发明提出了一种生物质电厂灰综合利用的水性膨胀型钢结构防火涂料及制备方法，由于本发明采用了纳米阻燃剂体系,并将这种纳米阻燃剂应用于膨胀型钢结构防火涂料中,从而大大改善了防火涂料的防火性能.其优点主要体现在如下几个方面：
其一，本发明之膨胀型钢结构防火涂料原材料来源广泛，利用农业、工业领域中固体废弃物制备环境友好、经济、多功能特性的绿色材料，是固体废弃物资源化利用以及防火涂料的重要发展方向之一，具有显著的经济及社会效益；
其二，本发明所述的防火涂料具有较强的耐候性、耐水性和耐水析出性；
其三，本发明由于采用纳米阻燃技术，对纳米阻燃剂进行表面改性，从而提高了阻燃剂在涂料中的分散性能，进而提高了涂料的理化性能；
其四，由于本发明采用生物质电厂灰作为阻燃协效剂，明显提高了碳化层的强度以及耐高温性，从而提高了涂料的耐火极限；
其五，由于本发明在制备纳米阻燃剂的过程中加入了具有阻燃性能的表面改性剂，增强了防火涂料的防火性能，从而有助于提高涂料的耐火极限；
其六，由于本发明采用的涂料基质乳液体系（水性环氧体系和自交联硅丙乳液）均 具有微交联结构，提高了涂层的致密程度，其中自交联硅丙乳液含有硅元素，在火焰烧蚀下能在炭化层表面形成坚硬的白色陶瓷状物质，从而提高炭化层强度，延长其耐火极限。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。本发明表1所列的原料均从市场直接购买。
实施例1：
请参阅表1和表2中所列举的本发明的防火涂料配方。
（1）纳米阻燃剂的制备：
将各阻燃剂原料、水玻璃和表面活性剂加入到为阻燃剂原料重量5倍的水中加热到85oC后用稀硫酸调节pH值到6.5，反应两小时后冷却、过滤洗涤反应产物，干燥后得到所述的纳米阻燃剂。
（2）防火涂料的制备：
先将水性环氧乳液、水性环氧固化剂和自交联硅丙乳液加入搅拌桶中，搅拌均匀后，加入纳米阻燃剂、阻燃协效剂、填料、助剂和适量水，搅拌30 min后加入球磨机中研磨一次，均匀混合后用刮板细度计检测涂料的细度是否达到要求，达到要求后停止研磨，用滤网过滤，分离研磨珠和涂料，将涂料装入指定的罐中。出料装桶。
理化性能测试根据GB 14907－2002进行，所得本发明的防火涂料的性能见表3的实施例1。从表3可以看出：本实施例中所制备的膨胀型防火涂料均匀无结块，细度、干燥时间、附着力、柔韧性和耐冲击性均在技术指标要求范围内，对水性和耐火性也都达到技术制备要求，因此该涂料的综合性能优良。
实施例2：
请参阅表1和表2中所列举的本发明的防火涂料配方。
（1）纳米阻燃剂的制备：
将各阻燃剂原料、水玻璃和表面活性剂加入到为阻燃剂原料重量4倍的水中加热到90oC后用稀盐酸调节pH值到7.0，反应两小时后冷却、过滤洗涤反应产物，干燥后得到所述的纳米阻燃剂。
（2）防火涂料的制备：
先将水性环氧乳液、水性环氧固化剂和自交联硅丙乳液加入搅拌桶中，搅拌均匀后，加入纳米阻燃剂、阻燃协效剂、填料、助剂和适量水，搅拌15min后加入球磨机中研磨一次，均匀混合后用刮板细度计检测涂料的细度是否达到要求，达到要求后停止研磨， 用滤网过滤，分离研磨珠和涂料，将涂料装入指定的罐中。出料装桶。
理化性能测试根据GB 14907－2002进行，所得本发明的防火涂料的性能见表3的实施例2。从表3可以看出：本实施例中所制备的膨胀型防火涂料均匀无结块，细度、干燥时间、附着力、柔韧性和耐冲击性均在技术指标要求范围内，对水性和耐火性也都达到技术制备要求，因此该涂料的综合性能优良。
实施例3：
请参阅表1和表2中所列举的本发明的防火涂料配方。
（1）纳米阻燃剂的制备：
将各阻燃剂原料、水玻璃和表面活性剂加入到为阻燃剂原料重量3倍的水中加热到50oC后用稀硫酸调节pH值到7.5，反应两小时后冷却、过滤洗涤反应产物，干燥后得到所述的纳米阻燃剂。
（2）防火涂料的制备：
先将水性环氧乳液、水性环氧固化剂和自交联硅丙乳液加入搅拌桶中，搅拌均匀后，加入纳米阻燃剂、阻燃协效剂、填料、助剂和适量水，搅拌20min后加入球磨机中研磨一次，均匀混合后用刮板细度计检测涂料的细度是否达到要求，达到要求后停止研磨，用滤网过滤，分离研磨珠和涂料，将涂料装入指定的罐中。出料装桶。
理化性能测试根据GB 14907－2002进行，所得本发明的防火涂料的性能见表3的实施例3。从表3可以看出：本实施例中所制备的膨胀型防火涂料均匀无结块，细度、干燥时间、附着力、柔韧性和耐冲击性均在技术指标要求范围内，对水性和耐火性也都达到技术制备要求，因此该涂料的综合性能优良。
实施例4：
请参阅表1和表2中所列举的本发明的防火涂料配方。
（1）纳米阻燃剂的制备：
将各阻燃剂原料、水玻璃和表面活性剂加入到为阻燃剂原料重量5倍的水中加热到50oC后用稀硫酸调节pH值到8.0，反应两小时后冷却、过滤洗涤反应产物，干燥后得到所述的纳米阻燃剂。
（2）防火涂料的制备：
先将水性环氧乳液、水性环氧固化剂和自交联硅丙乳液加入搅拌桶中，搅拌均匀后，加入纳米阻燃剂、阻燃协效剂、填料、助剂和适量水，搅拌30min后加入球磨机中研磨一次，均匀混合后用刮板细度计检测涂料的细度是否达到要求，达到要求后停止研磨，用滤网过滤，分离研磨珠和涂料，将涂料装入指定的罐中。出料装桶。
理化性能测试根据GB 14907－2002进行，所得本发明的防火涂料的性能见表3的实施例4。从表3可以看出：本实施例中所制备的膨胀型防火涂料均匀无结块，细度、干燥时间、附着力、柔韧性和耐冲击性均在技术指标要求范围内，对水性和耐火性也都达到技术制备要求，因此该涂料的综合性能优良。
实施例5：
请参阅表1和表2中所列举的本发明的防火涂料配方。
（1）纳米阻燃剂的制备：
将各阻燃剂原料、水玻璃和表面活性剂加入到为阻燃剂原料重量5倍的水中加热到90oC后用稀硫酸调节pH值到5.0，反应两小时后冷却、过滤洗涤反应产物，干燥后得到所述的纳米阻燃剂。
（2）防火涂料的制备：
先将水性环氧乳液、水性环氧固化剂和自交联硅丙乳液加入搅拌桶中，搅拌均匀后，加入纳米阻燃剂、阻燃协效剂、填料、助剂和适量水，搅拌10min后加入球磨机中研磨一次，均匀混合后用刮板细度计检测涂料的细度是否达到要求，达到要求后停止研磨，用滤网过滤，分离研磨珠和涂料，将涂料装入指定的罐中。出料装桶。
理化性能测试根据GB 14907－2002进行，所得本发明的防火涂料的性能见表3的实施例5。从表3可以看出：本实施例中所制备的膨胀型防火涂料均匀无结块，细度、干燥时间、附着力、柔韧性和耐冲击性均在技术指标要求范围内，对水性和耐火性也都达到技术制备要求，因此该涂料的综合性能优良。
实施例6：比较例
请参阅表2中所列举的本发明的防火涂料配方。
先将水性环氧乳液、水性环氧固化剂和自交联硅丙乳液加入搅拌桶中，搅拌均匀后，加入聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇、阻燃协效剂、填料、助剂和适量水，搅拌10min后加入球磨机中研磨一次，均匀混合后用刮板细度计检测涂料的细度是否达到要求，达到要求后停止研磨，用滤网过滤，分离研磨珠和涂料，将涂料装入指定的罐中。出料装桶。
理化性能测试根据GB 14907－2002进行，所得本发明的防火涂料的性能见表3的比较例。从表3可以看出：本实施例中所制备的膨胀型防火涂料均匀无结块，细度、干燥时间、附着力、柔韧性和耐冲击性均在技术指标要求范围内，对水性和耐火性也都达到技术制备要求，因此该涂料的综合性能优良。
表1本发明纳米阻燃剂实施例配比 （单位：Kg）
表2 本发明水性膨胀型钢结构防火涂料及比较实施例配比（单位：Kg）
说明本发明实施例1-5所用的阻燃剂是按表1配比制备的纳米阻燃剂；比较例6所用的阻燃剂是聚磷酸铵22 Kg、三聚氰胺15Kg、季戊四醇11Kg。
表3 本发明水性膨胀型钢结构防火涂料的主要性能与现有涂料的比较
Claims (1)
1.水性膨胀型钢结构防火涂料，各组份按质量百分比计，其特征在于由几个组份组成：20-45%涂料基体、25-45%纳米阻燃剂、0.1-10%阻燃协效剂、1-10%填料、0.2-5%助剂和10-30%水；
所述纳米阻燃剂由成炭剂、成炭催化剂、发泡剂和二氧化硅及表面活性剂组成；所述的阻燃剂原料由成炭催化剂、成炭剂和发泡剂组成，对阻燃剂原料进行纳米化而获得；所述的对阻燃剂原料进行纳米化的方法是通过沉淀法将阻燃剂原料固定在纳米二氧化硅颗粒而制备得到的；所述的纳米阻燃剂的具体制备步骤为：把阻燃剂原料、占阻燃剂原料重量的5-50%的水玻璃和占阻燃剂原料重量的0.5-50%的表面活性剂加入到为阻燃剂原料重量的1-5倍的水中加热到50-90℃后，用酸调节pH值到5-8，反应两小时后冷却、过滤洗涤反应产物，干燥后得到所述的纳米阻燃剂；
所述阻燃协效剂选自生物质电厂灰；
所述涂料基体由5-10%的自交联硅丙乳液、丙烯酸酯乳液、苯丙乳液、聚醋酸乙烯乳液中的一种或多种与10%-35%水性环氧乳液、1%-5%水性环氧固化剂组成，涂料基体总量为20-45%。
2.根据权利要求1所述的水性膨胀型钢结构防火涂料，其特征在于：所述成炭催化剂选自聚磷酸铵、红磷、磷酸胍、磷酸脲、磷酸二氢铵、焦磷酸铵中的一种或多种；所述成炭剂选自淀粉、葡萄糖、三梨醇、季戊四醇、双季戊四醇、三季戊四醇中的一种或多种；所述发泡剂选自尿素、双氰胺、三聚氰胺中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的水性膨胀型钢结构防火涂料，其特征在于：所述的表面活性剂选自十二烷基羟丙基磷酸酯甜菜碱、烷基酚聚氧乙烯醚、硅烷偶联剂、脂肪酸聚氧乙烯酯、十二烷基硫酸钠、聚乙烯醇、聚乙烯亚胺、聚乙烯醇-聚乙烯亚胺-聚乙烯醇中的一种或多种复配。
4.根据权利要求1所述的水性膨胀型钢结构防火涂料，其特征在于：所述填料选自钛白粉、锑白粉、氧化铁、轻质碳酸钙、硅酸铝纤维素、高岭土、云母粉、酞菁、可膨胀石墨、鳞片石墨中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的水性膨胀型钢结构防火涂料，其特征在于：所述助剂选自2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇单异丁酯、羟乙基纤维素、甲基羟乙基纤维素、聚醚改性聚硅氧烷类流平剂TEGO Flow425、聚醚改性聚硅氧烷类流平剂BYK-333、聚醚改性聚硅氧烷类流平剂JY3033中的一种或多种。
6.根据权利要求1-5之一所述的水性膨胀型钢结构防火涂料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）纳米阻燃剂的制备：
将阻燃剂原料、占阻燃剂原料重量的5-50%的水玻璃和占阻燃剂原料重量的0.5-50%的表面活性剂加入到为阻燃剂原料重量的1-5倍的水中加热到50-90℃后，用酸调节pH值到5-8，反应两小时后冷却、过滤洗涤反应产物，干燥后得到所述的纳米阻燃剂；
（2）防火涂料的制备：
先将涂料基体中的水性环氧乳液、水性环氧固化剂和自交联硅丙乳液加入搅拌桶中，搅拌均匀后，加入纳米阻燃剂、阻燃协效剂、填料、助剂和水，搅拌10-30min后加入球磨机中研磨一次，均匀混合后用刮板细度计检测涂料的细度是否达到要求，达到要求后停止研磨，用滤网过滤，分离研磨珠和涂料，将涂料装入指定的罐中，出料装桶。
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