随着回归自然的理念在装饰装修行业中的发展, 木结构在装饰装修中的应用越来越多, 火灾的隐患也随之增加。为了降低火灾的风险, 防火涂料的使用得到了普遍重视。防火涂料按其防火形式及组成可分为非膨胀型和膨胀型两大类,非膨胀型防火涂料往往使用无机粘结剂, 涂层厚度大, 与木结构相容性差; 而膨胀型防火涂料大多使用有机粘结剂, 涂层薄且与木结构粘结牢中国建材网cnprofit.com。

同时对于木结构防火涂料而言, 不仅要求具备良好的防火性能, 而且要求装饰性好且污染小, 因此,木结构防火涂料大多为水性膨胀型防火涂料。本实验研究了一种以硅丙乳液为基料的超薄膨胀型木结构防火涂料, 采用正交设计实验法对阻燃体系各成分的配比进行了优化, 并讨论了填料的选用, 使得制备的防火涂料具备优良的防火性能和理化性能。

1   实验部分

1. 1  原料

硅丙乳液, 南通生达化工有限公司; 聚磷酸铵( APP) , 济兰金昌泰化有限公司; 三聚氰胺( MEL) , 上海山浦化学有限公司; 季戊四醇( PER) , 上海凌峰化学试剂有限公司; 钛白粉( T iO2 ) , 天津市博迪化工有限公司; 玻璃微珠, 上海大亮化工有限公司; 海泡石, 定兴县兴隆非金属高科开发有限公司;BYK-180 润湿分散剂, 德国BYK 公司; BYK-348 消泡剂, 德国BYK 公司; 成膜助剂乙二醇苯醚, 江苏日出化工有限公司; 抑烟剂氧化锌, 嘉兴市佳润助剂有限公司; 去离子水, 自制。

1. 2   防火涂料的制备与涂刷

将水、成炭剂、脱水成炭催化剂、发泡剂、填料和润湿分散剂混合高速搅拌30min, 制备成料浆。往料浆中加入乳液基料、成膜助剂、消泡剂、增稠剂和抑烟剂等, 中速搅拌15min, 过筛出料。将制得的防火涂料涂刷于尺寸为160mmx 160mm的五层胶合板上, 涂刷3 层, 涂层厚度为0. 4mm。

1. 3  防火涂料的性能测试

本实验采用垂直燃烧法检测防火涂料的耐燃时间, 即利用酒精喷灯, 垂直向上喷射火焰。试板涂层朝下, 水平放置,距离酒精喷灯喷口垂直高度为10cm, 实验时要尽量使火焰一致。试板背面有微裂缝时, 记录燃烧时间, 即为防火涂料耐火时间。防火涂料理化性能检测按GB12441-1998 的规定进行。

2  结果与讨论

2. 1   基料的选择及乳液含量的确定

基料是组成涂料的基础, 用来粘结涂料中的其他组分以形成涂层。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和涂层的性能, 它既要保证涂料的防火性能, 又要保证防火涂料具有优良的粘接强度、耐磨性、耐水性、附着力等理化性能。

用作膨胀型防火涂料的基料有丙烯酸乳液、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 , 又不明显增加成本。因此, 本次实验选用硅丙乳液作为防火涂料的基料。在保持APP20g、MEL12g 、PER6g 、T iO2 6g 、去离子水30g 等不变的情况下, 硅丙乳液的用量与耐火时间的关系见图1。

硅丙乳液用量对耐火时间关系图 

由图1 可以看出, 随着硅丙乳液含量的增加, 涂层的耐火时间呈先增大后减小的趋势。当硅丙乳液含量过低时, 未灼烧之前, 涂层与底层粘接性差, 涂料受热熔融后, 开始炭化、发泡, 涂层中心隆起, 与基材的连接部分越来越少, 易从基材上脱落。

随着硅丙乳液加入量增大, 涂料与基材的粘接力增强,有效地延长了其耐火时间。但当硅丙乳液含量过高时, 阻燃体系含量下降, 防火效果也会受到明显的影响。由图可见, 当硅丙乳液含量为25%时, 涂料的耐火时间最长, 约为22min。

2. 2   阻燃体系的确定

膨胀型防火涂料的阻燃体系由成炭剂、脱水成炭催化剂、发泡剂三部分组成。在火焰高温的作用下三者相互作用产生膨胀, 形成蜂窝状炭化层。经文献比较[4] 和反复实验优选确定季戊四醇( PER) 、聚磷酸铵( APP) 、三聚氰胺( MEL) 为本实验的阻燃体系, 并用正交试验对其进行了进一步优化。阻燃体系正交实验因子水平见表1, 正交试验安排及结果见表2。

阻燃体系正交实验因子水平表 

正交试验表及耐火时间测定结果 

因子a代表成炭剂PER。成炭剂是涂层在高温下形成不易燃三维空间结构的泡沫炭化层的物质基础,对泡沫炭化层起骨架作用。当PER加入量较少时,整个体系的成炭量少,不利于形成完整的炭化层,影响了耐火时间。随着PER用量的增多,能与阻燃体系其它组分匹配发生作用,形成较厚、致密、强度高的炭化层,使得涂层具备优良的防火性能。但是PER的过多加入,很可能导致其膨胀层的滑移,涂层出现流淌现象,反而影响了涂层的防火性能[5]。

因子b代表脱水成炭催化剂APP。脱水成炭催化剂主要用来促进和改变涂层的热分解进程,促进涂层内含羟基的有机物脱水形成不易燃的三维空间结构炭质层,隔离受保护的基材和火源,减少热分解产生的可燃性焦油、醛、酮的量,同时释放出水蒸气,冲淡可燃性气体和周围氧气的浓度,阻止放热量大的碳氧化反应发生[6]。

当APP用量过少时,不能使PER完全反应,导致成炭量减少,从而不利于膨胀隔热炭层的形成,影响了防火涂料的耐火时间;当APP使用过多时,涂层与基材的粘结力下降,炭化层易脱落,从而导致防火性能下降。因子c代表发泡剂MEL,膨胀型防火涂料的涂层遇热时能分解释放出使涂层膨胀的不燃性气体,在涂层内形成海绵状多孔泡沫结,这一过程需要发泡剂来实现。发泡剂的分解温度要与催化剂、成炭剂相匹配,才能使涂层在受热时形成最佳的膨胀层。

当MEL用量太少时,炭层膨胀的有效高度小,对隔热效果不利;当MEL用量太多时,生成了过多的氨气,导致炭层气泡不均匀,孔径过大且相互连通,甚至被冲破,影响了炭化层的导热性能,同时也使得膨胀炭层强度下降,影响了其与基材的粘结,从而导致了防火涂料的防火性能下降。因此,只有适当的PER含量,并与APP、MEL等相协调,才会有利于形成较厚、致密、均匀且强度高的炭化层,从而起到很好的防火效果。

由表2可见,因子a(RER)的极差最大,为710,因子b(APP)的极差为510略低于因子a(PER),因子c(MEL)的极差最小,为1.0,可见,影响耐火时间的因子由主至次的顺序为:cyayb,即PER对涂层的耐火性能影响最大,APP次之,MEL最小。根据正交试验分析,确定本防火涂料的阻燃体系最佳配比为a2b2c1,即:PER︰APP︰MEL=6︰28︰13。

2.3 填料的选择及用量的确定

除了乳液和阻燃体系对防火涂料的性能影响比较大外,填料的影响同样非常重要,它不仅能降低成本、改善涂料的理化性能,而且能起到阻燃作用。本研究将分别使用TiO2、玻璃微珠和海泡石三种填料,最终确定填料的种类及用量。

2.3.1 TiO2对涂料防火性能的影响

由表3可见,随着TiO2用量增加,耐火时间呈先增大后减小的趋势。TiO2粒子是一种红外反射材料,对高温红外辐射传热具有良好的阻隔作用。当TiO2用量低于6%时,随着TiO2用量增加,涂膜内填料的相对密度增大,起反射作用的粒子数增多,反射率上升,隔热效果好,且TiO2能保持膨胀炭化层的骨架结构。但当TiO2用量多于6%时,过多的TiO2用量会抑制涂层的膨胀,且使得炭化层密度不均,从而降低了涂层的耐火时间。在本实验体系中,TiO2的最佳用量应为6%,耐火时间为50min。

TiO2用量对涂膜防火性能的影响 

注:其他各组分用量为硅丙乳液28g、PER6g、APP28g、MEL13g、去离子水30g、助剂适量(TiO2质量分数的计算不包括去离子水)

2.3.2 玻璃微珠对涂料防火性能的影响

玻璃微珠作为填料,除了能反射光和热辐射外,还能利用其中空、质轻、热导率低的特点,达到阻热的目的,从而提高涂膜的绝热性能。由表4可以看出,玻璃微珠的用量对防火涂料的耐火时间具有较大影响,当用量为6%时,耐火时间最长,为43min。随着玻璃微珠用量的增加并未改善发泡层的致密性以及炭化层的强度,因此综合效果不如TiO2。

玻璃微珠用量对涂膜防火性能的影响 

2.3.3 海泡石对涂料防火性能的影响

海泡石是具有高表面积的粘土矿物,它的热稳定性好,加热到350e时其结构不发生任何变化。海泡石簇状纤维结构中含有大量的纳米级孔道[7],因为孔道空气导热系数远小于固体导热系数,所以海泡石具有良好的。

由表5可以看出,海泡石用量为4%时,耐火时间最长,为38min。随着海泡石用量的增加,涂层的防火时间逐步降低,这可能是由于过多的海泡石用量在涂料中分布不均匀,导致阻热效果没有得到很好的发挥。

海泡石用量对涂膜防火性能的影响 

因此,在TiO2、玻璃微珠和海泡石粉这三种填料中,TiO2的防火效果最好。

2.4 防火涂料的配方及性能

根据防火涂料各组分的研究,制备水性膨胀型防火涂料的配方见表6,将制备的防火涂料涂覆于160mmxl60mm的五层胶合板上,测定防火涂料的各项理化性能,并与国家标准中所规定的指标要求进行了比较,结果见表7。

防火涂料的配方 

防火涂料的各种技术性能检测表 

3 结论

(1)以硅丙乳液为基料,其用量为25%时,涂料具有良好的防火性能。

(2)用PER、APP、MEL为阻燃体系,通过正交试验对阻燃体系中各组分间的配比进行了优化,实验结果表明,当三者质量比PER︰APP︰MEL=6︰28︰13时,防火涂料的防火性能最佳。

(3)TiO2、玻璃微珠和海泡石这3种填料中,TiO2的防火效果最好,且最佳用量为6%。

(4)该超薄型木结构防火涂料的原材料来源丰富、价格低廉,生产工艺简便,使用安全,是一种具有广泛应用前景的环保型防火涂料。

单月圆1 焦宝祥2*

(1.南京工业大学材料科学与工程学院,南京210009;2.盐城工学院材料科学与工程学院,盐城224051)