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硅丙乳液膨胀型防火涂料的研制

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-->>硅丙乳液膨胀型防火涂料的研制

目前国内外高性能防火涂料均为水性膨胀防火涂料,主要由基料、脱水催化剂、炭化剂、发泡剂、颜填料、助剂等组成[1-3]。就防火机理而言,膨胀型防火涂料是涂膜遇火受热即膨胀形成均匀致密的蜂窝状炭化层,使火焰热量受到隔离而减少其对底材的传导,从而起到阻火或延缓火焰扩展,为人们提供灭火时间的作用。该种涂料既有良好的防火性能,又有很好的装饰性能、无毒无污染和环境友好的特点,平时起普通涂料的装饰保护作用,遇火发挥防火减灾功能。
本文研究了一种以硅丙乳液为基料的膨胀型防火涂料,并采用正交试验法对阻燃体系各成分的配比进行了优化,达到了很好的防火效果和良好的装饰性能。
 
1 实验研究部分
1.1 原料与仪器
原料:硅丙乳液(固含量42%),聚磷酸铵,季戊四醇,三聚氰胺,钛白粉(锐钛型),甲基硅油消泡剂,润湿分散剂PE-100,成膜助剂丙二醇苯醚,氨水,去离子水等。
仪器:501 超级恒温水浴,电动搅拌器,涂-4杯,酒精喷灯,干燥器,柔韧性测试仪,附着力测试仪等。
1.2 制备方法
(1) 各种氟碳涂料先进行机械研磨并筛分,要求粒度均在200 目以上,乳液用稀氨水调节pH 值至8 左右。
(2) 按配方将水投入烧杯中,开动搅拌器,依次加入分散剂、脱水催化剂、成炭剂、发泡剂和钛白粉搅拌30 min。缓慢加入硅丙乳液、成膜助剂、乳化剂和适量的消泡剂,继续搅拌15 min。
(3) 上述涂料送入砂磨机中研磨至100um以下,出料后,用蒸馏水或增稠剂调节体系黏度至25~30 s(涂-4杯法)。
1.3 性能检测
1.3.1 防火性能检测
公安部批准的防火性能试验方法有:大板燃烧法、隧道燃烧法、小室燃烧法,均较复杂。本次实验采用酒精喷灯燃烧法检测防火涂料的防火性能。酒精喷灯燃烧法 :将一面涂有防火涂料并已干燥的20 cm 20 cm 五合板试样,涂层面朝下,置于酒精喷灯上方10 cm 处,观察五合板反面发生炭化所需时间即耐火时间。炭化时间越长,表明涂层的阻燃效果越好。
1.3.2 理化性能检测
本次实验检测防火涂料理化性能试验的环境条件按GB/T 9278-1988中3.1条规定进行。
1.4 基料的选用
乳液作为膨胀型防火涂料的基料,它的性能直接决定着涂料的性能,它必须使涂料成膜后具有良好的耐水性、附着力、化学稳定性,同时还必须具有在涂膜受热时不妨碍整个膨胀阻燃体系膨胀发泡的功能。用作防火涂料成膜物有丙烯酸乳液、苯丙乳液、纯丙乳液、聚醋酸乙烯乳液、硅丙乳液等,其中高性能、安全无毒、节省能源、有利于环境保护的水性和无公害低污染涂料是今后发展方向。现在广泛使用的水性苯丙、纯丙乳液尽管有较好的耐寒性和保光性、附着力强,而且可常温固化,但其耐热性较差、高温易返粘、易粘尘、低温时易变脆,透气性也较差。硅丙乳液是由丙烯酸单体和有机硅单体共聚而成的乳液,兼有丙烯酸和有机硅二者的优点,既不明显增加成本,又能显著改善涂膜的耐候性、耐水性、耐洗擦性、保光性及柔韧性等[4-6]。因此,本次实验选用硅丙乳液作为膨胀型防火涂料的基料。
1.5 膨胀阻燃体系各组分的选用
膨胀型防火涂料的阻燃剂由脱水催化剂、成炭剂、发泡剂三部分组成。在火焰高温的作用下三者相互作用,发生膨胀形成立体蜂窝状炭化层。
1.5.1 脱水催化剂的选用
凡是受热能分解产生具有脱水作用的酸的化合物均可作为防火涂料的脱水催化剂,如磷酸、硫酸、硼酸的盐、酯和酰胺类化合物。选用的脱水催化剂必须具有以下性能 :①涂膜受热时催化剂的分解温度要比成炭剂略低 ;②放出的无机酸有利于多元醇进行酯化反应,使炭化剂脱水形成均匀致密的蜂窝状炭化层;③在水中的溶解度很少,以保证涂膜有良好的耐水性。
作为膨胀型防火涂料的关键组分,脱水催化剂的主要作用是促进和改进涂层的热分解进程,促进产生不易燃的三维炭层结构,减少热分解产生的可燃性焦油、醛、酮的量。目前,常使用的脱水催化剂是聚磷酸铵,聚磷酸铵能与多羟基化合物发生强烈的酯化反应并脱水引发膨胀过程。实验采用的聚磷酸铵(APP)属磷系阻燃剂,具有低烟、无毒、水溶性低等优点,其含磷、氮量高,热稳定性好(热解温度达到290℃)。
1.5.2 炭化剂的选用
炭化剂的作用是当高温或遇火焰时,在催化剂作用下脱水生成碳和不燃性气体,同时在发泡剂所分解的不燃气体下把炭化剂吹成均匀致密的蜂窝状炭化层。它必须具有以下性能:①碳含量高;②分解温度与催化剂、发泡剂的分解温度相匹配。目前广泛使用的、效果好的炭化剂是多元醇类(如季戊四醇、淀粉、二或三季戊四醇等)。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。由于本次实验采用了热稳定性较高的聚磷酸铵作为催化剂,因此就应选用同样热稳定性较高的季戊四醇(PER)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碳,最终形成良好的膨胀发泡层。
1.5.3 发泡剂的选用
防火涂料只有借助于发泡剂的作用,才能在高温火焰作用下产生膨胀炭化层。发泡剂遇火达到一定温度时分解并释放出不燃性气体,如氨气、二氧化碳、卤化氢等,使涂层在达到软化点的条件下发泡膨胀形成海绵状炭化层。发泡剂分解产生气体,脱水催化剂分解放出磷酸等物质和炭化剂炭化所发生变化的温度须相匹配,才能使涂膜在受热时形成最佳的膨胀层。因此,本次实验选用热分解温度为250℃、发泡效果好的三聚氰胺(MEL)作为防火涂料的发泡剂。
1.6 膨胀阻燃体系配比的确定
APP、MEL 和PER 组成了该硅丙乳液防火涂料的膨胀防火阻燃体系,这三种组分之间的配比对防火涂料的防火性能有直接的影响,为此,采用正交法来确定这三种组分的最佳配比范围。
1.6.1 因素与水平
每次实验,硅丙乳液、颜填料、助剂和水的量分别为28.0 g、6.0 g、7.0 g和25.0 g,在此前提下,选用L9(33)正交法(见表1)来确定这三种组分的最佳配比。
因素与水平
注:APP 为多聚磷酸铵,MEL 三聚氰胺,PER 为季戊四醇,以下同。
1.6.2 实验安排及结果
采用L9(33)正交法,进行酒精喷灯燃烧法实验,以耐燃时间为反映指标,对各配方的阻火性能进行评价(见表2)。
L9(33)正交试验表
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