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水性超薄型钢结构防火涂料的耐水性探讨,水性超薄型钢结构防火涂料技术一直受到全世界业内技术人员的热切关注
2019年12月10日    阅读量:2600     新闻来源:中网信息    |  投稿

0 引言

国内近20 a 来因化学品的大量使用是导致生态环境严重恶化的重要原因之一,涂料行业迫切需要大幅度减少VOC的用量以减轻环境污染。采用水性涂料代替溶剂型涂料是技术措施之一。


水性超薄型钢结构防火涂料因为其薄膜型的厚度和高水平防火性能的要求迫使其树脂含量较低,加之水溶性树脂或乳液树脂成膜后本身耐水性较低的先天不足,致使水性超薄型钢结构防火涂料在耐水性方面普遍存在缺陷中国建材网cnprofit.com


在与水直接接触的环境或潮湿环境下,防火涂料中的阻燃剂易发生水溶、盐析现象,这将直接导致防火涂料失效,因此近20 a来水性超薄型钢结构防火涂料鲜有成熟产品。


近年来,国外防火涂料技术一直在向水性环保型发展。例如欧洲的AkzoNobel Interchar®1120、NullifireS602、美国的Contego HS Fire Barrier Latex 涂料等。其中Interchar®1120 是不含挥发性有机化合物(VOC)、不含卤素,不含玻璃纤维的环保型产品。


产品在干膜厚度2 mm时耐火极限可以达到120 min,堪称世界顶级的水性超薄型钢结构防火涂料。虽然在GB14907 的耐水性测试中,该涂料能够达到24 h 不起泡、不起层和不脱落,但是浸泡涂料样品的水却会变浑浊。这表示依旧有少量溶出物。当然,这势必会对该涂料的防火性能造成一定影响。因此,在水性防火涂料使用中,大多推荐在防火涂料表面罩一层保护性面漆来提高防火涂料的耐候性和有效期。


对于国内大多数厂家而言,受限于国内市场的低价格影响,原材料基本国产化。由于国内防火涂料技术研究进展缓慢,国产原材料质量参差不齐,综合因素影响决定了国内水性超薄型钢结构防火涂料产品很少有能达到干膜厚度2 mm、耐火极限90 min的防火等级。


中航百慕新材公司防火涂料组研究防火涂料近30 a,早在20 世纪90 年代初期,公司产品GJ-3 溶剂型防火涂料就已经得到了大量的工程应用。结合之前积累的经验,我们试图研发一种全部采用国产原材料、具有高等级防火性能且耐水性优异的水性防火涂料。并将从涂层破坏和应对措施两方面来讨论如何提高水性防火涂料的耐水性,期望能为水性防火涂料技术的发展起到推动作用。

 

1 涂层破坏分析

涂层受水的浸湿和破坏分为以下几个过程:

(1) 水对涂层表面的浸渍、润湿;

(2) 水向涂层内部渗透;

(3) 水在涂层中的对流;

(4) 涂层的溶胀、软化、鼓泡;

(5) 涂层与基材的脱离。

由于防火涂料遇火膨胀是一个复杂的化学反应过程,是由多种填料和树脂协同作用发挥的防火性能。所以树脂和填料相互牵制,存在单一性。常规的提高树脂含量,更换片状或防锈填料等方法均不合适。在配方基本不变的情况下来提高耐水性,这是区别于其他涂料的关键所在。耐水性的好坏首先由前两个过程决定。由于防火涂料高固体含量(大多70%左右)和低树脂含量的原因,导致填料的包裹不是很完全,再加上必然存在的结构微孔,所以一定会存在渗透的情况。由此得出:提高耐水性首先是缓解水对涂层润湿和渗透的过程。

 

2 提高耐水性措施

(1) 降低涂膜干燥速度。乳液成膜是乳胶粒子吸附、挤压、排布的过程。如果让这一过程越慢,粒子排布就越密集。则干膜密度越高,结构微孔越小。但出于工程施工考虑,干燥速度过慢不利于施工工程,所以应找到一个平衡点。

(2) 减少毛细微孔。可以添加合适的填料,添加量为涂料含量的1%以内,但能形成多个成核点而形成交联网状结构。

(3) 尽可能选择难溶性或者不溶性的防火填料。由于渗透不可避免,在水的对流过程中若存在溶于水,且未被完全包裹的填料,则会随着渗透析出,从而加剧了涂膜缺陷,降低耐水性。

(4) 若配方中存在纤维,则将纤维均匀细腻地分散在涂料体系中,是提高耐水性的最关键的一步。

(5) 合理使用助剂。减小渗透压的最主要途径就是提高涂膜完整性和附着力。但使用憎水剂等通过附着于防火涂料表面而减小润湿,降低表面张力来发挥防水作用的助剂不是很适合。因为这些大分子物质附着于防火涂料表面,会改变涂料体系软化时的黏度,从而影响膨胀协调性,极大地降低了防火性能。反之,若使用的助剂作用于防火涂料和底漆之间,在一定范围内不会影响防火性能。

(6) 添加微量流变助剂,阻碍涂层在水浸渗透后涂层变软、鼓泡的速度。

 

3 实例分析

中航百慕新材公司研制了一种水性防火涂料GJ-3L,在公安部消防产品评定中心(天津所)检测获得干膜厚度2. 92 mm,耐火极限109 min 的型式认证报告。该涂料耐水性不理想(型式认证耐水性未通过,属1 项B类缺陷)。本研究从以下几方面着手,试图去提高该配方的耐水性。

(1) 由于该涂料中含有玻璃纤维,所以解决纤维分散,使体系具有很好的相容性为关键一步。本研究添加了促进纤维分散的混合物A,并调整了配制工艺,最终使得纤维均匀分散在水溶液中。纤维分散前、后的情况分别见图1、图2。

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调整前,后纤维分散情况

(2) 水性涂料普遍存在干燥速度过快,容易开裂的问题。为此采用添加适量的成膜助剂以降低干燥速度、解决开裂、促进成膜。

(3) 将配方中溶于水的季戊四醇换成难溶于水的双季戊四醇,由于双季戊四醇分解温度大于之前的季戊四醇,提高了整个体系的软化温度,导致原有的涂层软化-发泡-成炭体系不再协调,因此调整了涂层软化剂的用量,使体系软化温度与现有的磷-氮膨胀体系相协调,使得防火性能与之前保持一致。

(4) 添加了成核剂B和基材润湿剂C,增加涂膜中的网状结构,提高附着力,减小了渗透压,最大限度地减少水在涂层中的对流。

(5) 添加了润湿分散剂D,使得粉体材料被包覆得更好,增加体系流动性,提高成膜质量。涂膜干膜密度从1. 20 g/cm3提高到1. 25 g/cm3,即涂层的致密度明显提高。

经过以上5 个步骤的改进,GJ-3L涂料耐水性明显改善,结果如图3、图4所示。

图3 GJ-3L 水性涂料(改进前,后)

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涂料的防火性能测试装置采用航空材料研究院标准Q/6S2153“超薄型钢结构防火涂料防火性能快速方法”。测试装置及测试后的试样膨胀体形貌如图5~图13所示。

快速测试方法装置实物图

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装置升温曲线和标准升温曲线对比图

待测试样

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放入炉膛中的试样,测试膨胀后的试样

改进前,后(膨胀体30 mm 厚)

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助剂略微过量导致膨胀体不高

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改进后虽然膨胀体外观有略微的变化,但耐火极限保持不变,防火时间均为58 min 左右(采用Q/6S2153“超薄型钢结构防火涂料防火性能快速方法”进行测试),且膨胀体高度和强度一样,因此我们认为,上述耐水性改进方法没有影响到原涂料的防火性能。对于防火涂料,若改进配方的方法不合适或者某种助剂量略微过量,就会出现上图13 所示的情况,膨胀体高度(20~25 mm)大大降低,防火性能( 防火时间为40min)显著下降的情况。所以,在不影响防火性能的前提下提高涂料耐水性,这是研究水性防火涂料的关键所在。

 

4 结语

超薄膨胀型钢结构防火涂料遇火时会发生复杂的化学、物理反应。因此,研究一个防火涂料配方,其防火性能是核心。对于确定了防火性能的配方,其基本框架一定,我们只能在这个框架内尽可能地去提高其耐水性。所以,要真正达到防火性优异,耐水性好的目标,最根本的是提高技术水平。与此同时应确保所用原材料的品质。只有这样,才能形成一个防火涂料市场上下游产业链的良性循环,才能真正推动我国防火涂料的技术革新和发展。


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