水性膨脹型鋼結構防火涂料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種水性膨脹型鋼結構防火涂料及其制備方法，涂料組分包括乳液，聚磷酸銨，三聚氰胺，季戊四醇，納米二氧化鈦，絹云母，氧化石墨烯，消泡劑，潤濕分散劑，流平劑及水。制備方法：首先將聚磷酸銨，三聚氰胺，季戊四醇，納米二氧化鈦，絹云母，氧化石墨烯研磨充分混合，然后將研磨好的粉末逐漸加入水稀釋后的乳液中，機械攪拌器機械攪拌，出料得到防火涂料。所得涂料均勻無結塊，初期干燥抗裂性好，無裂紋，附著性好，燃燒膨脹性好，炭質(zhì)層強度高，各種技術指標均達到或超過國家標準。
【專利說明】水性膨脹型鋼結構防火涂料及其制備方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種防火涂料，尤其涉及一種水性膨脹型鋼結構防火涂料及其制備方法。

【背景技術】
[0002]鋼結構本身具有質(zhì)量輕、強度高、剛度大、韌性好、建筑工期短、機械化程度高等優(yōu)點。隨著經(jīng)濟迅速發(fā)展以及人們需求的逐漸提高，鋼結構在大型體育館、歌劇院、橋梁、高層及超高層建筑等方面得到了廣泛的應用。鋼材雖然不燃，但其耐火性能卻極差，隨著溫度的升高鋼結構的強度迅速下降。當溫度達到350°C、500°C、60(TC時，其強度分別下降1/3、1/2、2/3，普通建筑用鋼在全負荷情況下失去靜態(tài)平衡穩(wěn)定性的臨界溫度為540°C左右，未加保護的鋼結構只需0.25小時其自身溫度就會上升到臨界溫度以上，導致鋼結構彎曲變形，建筑物的倒塌。
[0003]使用防火涂料是鋼結構建筑防火中比較經(jīng)濟有效的措施之一。根據(jù)涂層厚度不同，防火涂料可分為厚型(7-45_)、薄型(3-7mm)和超薄型(彡3mm);根據(jù)使用溶劑的不同，可分為水性防火涂料與溶劑型防火涂料。水性防火涂料具有無毒、無溶劑的氣味，不變黃等優(yōu)點，比溶劑型更耐磨、更環(huán)保、施工更方便、經(jīng)濟性更好，因此水性防火涂料得到了越來越廣泛的應用。
[0004]水性膨脹型鋼結構防火涂料主要由水性基料(氯偏乳液、純丙乳液、苯丙乳液等)、膨脹阻燃體系(聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇)、填料和助劑組成。涂層在火焰或高溫作用下發(fā)生膨脹炭化，形成一個比原厚度厚幾倍乃至十幾倍的膨脹炭質(zhì)層，不燃的膨脹炭質(zhì)層呈蜂窩狀結構，可以隔絕火焰或熱量對鋼結構的直接作用，從而起到隔熱效果；另一方面涂層在受熱軟化、熔融以及膨脹阻燃體系的分解膨脹等一系列物理化學過程中，吸收一部分熱量對鋼結構的升溫起到了一定的延緩作用。同時在高溫條件下產(chǎn)生的不燃性氣體也有效的抑制了燃燒的進行。
[0005]國外對防火涂料的研究起步較早，一些現(xiàn)有的商業(yè)化產(chǎn)品已得到廣泛的應用。如加拿大AD防火有限責任公司的Firefilm II水基型防火涂料，當涂層厚度為3.37mm時，耐火極限達到了 180min ;德國Permatex公司生產(chǎn)的水基型38320型防火涂料，當涂層厚度為
2.63mm時，耐火極限達到了 63min [甘子瓊等涂料工業(yè)，2004，34 (3)，42-45]。國內(nèi)自從1984年四川消防研究所研制出第一種鋼結構防火涂料-LG鋼結構防火涂料后，溶劑型的防火涂料在國內(nèi)得到了迅速發(fā)展，90年代開始，隨著人們環(huán)保意識和科技水平的提高，水性防火涂料迅速發(fā)展。四川消防科研所研發(fā)的B60-2膨脹型水性防火涂料；天津消防科研所研制的FSF-1膨脹型水性防火涂料；上海涂料有限公司研制成功的B60-4膨脹型水溶性防火涂料等都是比較好的產(chǎn)品[杜克敏上海涂料，2010,48 (7)，20-22]。
[0006]目前市場上的大多數(shù)水性防火涂料都采用單一的乳液作為基體，涂料的綜合性能差，耐候性耐水性較差，燃燒后形成的炭質(zhì)層疏松易脫落，導致失去防火性能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對水性鋼結構防火涂料目前存在的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種新型鋼結構防火涂料的配方及其制備方法，采用復合乳液為基體，同時添加氧化石墨烯與絹云母增加炭質(zhì)層的高度與強度，對所制備的防火涂料進行了耐火耐水性能測試。
[0008]本發(fā)明的目的是提供一種新型水性膨脹型鋼結構防火涂料及其制備方法。該涂料既具有較好的防火性能，又具有較好的粘附性，耐水性，耐候性等優(yōu)點。
[0009]本發(fā)明的一種新型水性環(huán)保型鋼結構防火涂料，包括以下組分及質(zhì)量分數(shù):乳液，20-40 % ;水，15-35% ;阻燃體系，30-50% ;納米二氧化鈦，0.5-3% ;填料，3-10% ;助劑，0.1-2%。
[0010]本發(fā)明進一步的優(yōu)選方案是:所述乳液為氯偏乳液，純丙2468乳液，純丙AC261P乳液，苯丙996乳液，苯丙277NS乳液中的一種或二種。
[0011]本發(fā)明進一步的優(yōu)選方案是:所述阻燃體系為聚磷酸銨，三聚氰胺，季戊四醇復配體系，其配比為4: 3: 3，5: 3: 2，6: 2: 2，4: 4: 2。其中聚磷酸銨聚合度η =1000。
[0012]本發(fā)明進一步的優(yōu)選方案是:所述填料為氧化石墨烯與絹云母的復配體系。所述氧化石墨烯通過如下工藝制備:稱取1.5g的NaNO3固體溶于69ml 98%的濃硫酸中，將混合液置于冰水浴中同時磁力攪拌15min使NaNO3固體充分溶解(反應溫度控制在0°C );稱量3.0g的天然石墨加入到上述的混合液中，攪拌15min(溫度亦維持在0°C );隨后，緩慢加入一定量的高錳酸鉀，在加入過程中控制反應溫度不超過20°C，攪拌20min，將溫度調(diào)到35°C繼續(xù)攪拌Ih ;然后在混合液中加入138ml的去離子水并升溫至98°C，攪拌15min，再次加入420ml的去離子水并加入30ml 30%的H2O2來還原殘余的氧化劑，使溶液變?yōu)榱咙S色；關掉加熱并趁熱過濾，在過濾的同時用5%的鹽酸溶液洗滌，除去溶液中的MnO2 ;將過濾后得到的濾餅用一定量的去離子水稀釋，再進行超聲和離心處理；取離心后得到的上層清液，加入一定量的濃鹽酸和去離子水，充分攪拌后再次離心；將離心后得到的下層粘性物質(zhì)置于65°C的烘箱中烘干，得到氧化石墨烯。
[0013]本發(fā)明進一步的優(yōu)選方案是:所述助劑包括消泡劑，潤濕分散劑，增稠流平劑。
[0014]以上所述水性膨脹型鋼結構防火涂料的制備方法，按以上組分進行配料，其步驟為:
[0015]步驟一:稱取膨脹阻燃體系，填料，納米二氧化鈦，在研缽中進行充分研磨，得到固體粉末。
[0016]步驟二:稱取乳液，水充分混合，加入部分助劑，將步驟一得到的固體粉末逐漸加入到液體中，加入過程中用玻璃棒攪拌，靜置，機械攪拌，攪拌過程中逐步加入消泡劑，出料。
[0017]本發(fā)明進一步的優(yōu)選方案是:機械攪拌條件為在200-2000r/min條件下攪拌0.5~2h0
[0018]本發(fā)明采用的方法只需經(jīng)過研磨、混合、攪拌就能得到水性膨脹型鋼結構防火涂料，具有工藝簡單、材料制備成本低、不污染環(huán)境等特點，易實現(xiàn)大規(guī)模制備。
[0019]本發(fā)明采用復合乳液為基體，同時添加氧化石墨烯與絹云母，涂料燃燒后炭質(zhì)層膨脹高度高、強度大，涂料具有較好的耐火耐水性能，當涂刷厚度為2.5mm時，其耐火性能達到GB 14907-2002的規(guī)定，受熱60min后鋼板溫度260°C。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]附圖1涂料受熱后膨脹炭質(zhì)層的掃描電鏡(SEM)圖。
[0021]附圖2涂料受熱后膨脹炭質(zhì)層的數(shù)碼照片圖。
[0022]附圖3涂料耐火測試過程中鋼板背溫曲線圖。

【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行更詳細地說明
[0024]實施例1
[0025]首先制備氧化石墨烯，制備工藝如下:稱取1.5g的NaNO3固體溶于69ml98%的濃硫酸中，將混合液置于冰水浴中同時磁力攪拌15min使NaNO3固體充分溶解(反應溫度控制在0°C );稱量3.0g的天然石墨加入到上述的混合液中，攪拌15min(溫度亦維持在0°C )；隨后，緩慢加入一定量的高錳酸鉀，在加入過程中控制反應溫度不超過20°C，攪拌20min，將溫度調(diào)到35°C繼續(xù)攪拌Ih ;然后在混合液中加入138ml的去離子水并升溫至98°C，攪拌15min，再次加入420ml的去離子水并加入30ml 30%的H2O2來還原殘余的氧化劑，使溶液變?yōu)榱咙S色；關掉加熱并趁熱過濾，在過濾的同時用5%的鹽酸溶液洗滌，除去溶液中的MnO2 ；將過濾后得到的濾餅用一定量的去離子水稀釋，再進行超聲和離心處理；取離心后得到的上層清液，加入一定量的濃鹽酸和去離子水，充分攪拌后再次離心；將離心后得到的下層粘性物質(zhì)置于65°C的烘箱中烘干，得到氧化石墨烯。
[0026]按質(zhì)量比4: 3: 3稱取16.0g聚磷酸銨、12.0g三聚氰胺、12.0g季戊四醇，稱取氧化石墨烯5.0g，絹云母3.0g，納米二氧化鈦1.5g，將稱量的固體粉末混合，用研缽進行充分研磨。按質(zhì)量比9: 1稱取31.58氯偏乳液與3.58純丙40261卩乳液，加入25.(^去離子水，1.0g潤濕劑EDSPLAN482，I滴消泡劑BMC-806，充分混合。將研磨好的固體粉末逐漸加入到稀釋后的乳液當中，邊加邊用玻璃棒攪拌，用機械攪拌器在200r/min條件下攪拌1min, 800r/min條件下攪拌90min得到涂料，攪拌過程中加入2滴消泡劑BMC-806。
[0027]所得涂料均勻無結塊，初期干燥抗裂性好，不出現(xiàn)裂紋，耐水性好；將涂料均勻涂刷在鋼板上測其耐火極限，當厚度為2.5mm時，其耐火性能達到并超過GB 14907-2002的規(guī)定。
[0028]如附圖1掃描電鏡(SEM)圖和附圖2數(shù)碼照片圖可以看出，涂料燃燒后形成的炭質(zhì)層膨脹高度高，均勻致密，與鋼板粘附性好。
[0029]如附圖3涂料耐火測試過程中鋼板背溫曲線圖可以看出，當厚度為2.5mm時，其耐火性能達到GB 14907-2002的規(guī)定，受熱60min后鋼板溫度260°C。
[0030]實施例2
[0031]氧化石墨烯制備工藝同實施例1。按質(zhì)量比5: 3: 2稱取20.0g聚磷酸銨、12.0g三聚氰胺、8.0g季戊四醇，稱取氧化石墨烯6.0g,絹云母2.0g,納米二氧化鈦1.5g，將稱量的固體粉末混合，用研缽進行充分研磨。稱取25.0g氯偏乳液，加入25.0g去離子水，1.0g潤濕劑MET0LAT288，I滴消泡劑BYK-088，充分混合。將研磨好的固體粉末逐漸加入到稀釋后的乳液當中，邊加邊用玻璃棒攪拌，用機械攪拌器在800r/min條件下攪拌60min, IlOOr/min條件下攪拌30min得到涂料，攪拌過程中加入2滴消泡劑BYK-088。
[0032]所得涂料均勻無結塊，初期干燥抗裂性好，不出現(xiàn)裂紋，耐水性好；將涂料均勻涂刷在鋼板上測其耐火極限，當厚度為2.5mm時，其耐火性能達到并超過GB 14907-2002的規(guī)定。
[0033]實施例3
[0034]氧化石墨烯制備工藝同實施例2。按質(zhì)量比4: 4: 2稱取16.0g聚磷酸銨、16.0g三聚氰胺、8.0g季戊四醇，稱取氧化石墨烯4.0g，絹云母4.0g，納米二氧化鈦1.5g，將稱量的固體粉末混合，用研缽進行充分研磨。按質(zhì)量比22: 3稱取22.0g氯偏乳液與3.0g純丙AC261P乳液，加入25.0g去離子水，1.0g潤濕劑EDSPLAN482，I滴消泡劑BMC-806，充分混合。將研磨好的固體粉末逐漸加入到稀釋后的乳液當中，邊加邊用玻璃棒攪拌，用機械攪拌器在200r/min條件下攪拌20min, 800r/min條件下攪拌60min,得到涂料,攪拌過程中加入2滴消泡劑BMC-806。
[0035]所得涂料均勻無結塊，初期干燥抗裂性好，不出現(xiàn)裂紋，耐水性好；將涂料均勻涂刷在鋼板上測其耐火極限，當厚度為2.5mm時，其耐火性能達到并超過GB 14907-2002的規(guī)定。
[0036]實施例4
[0037]氧化石墨烯制備工藝同實施例3。按質(zhì)量比5: 3: 2稱取20.0g聚磷酸銨(η=1000) >12.0g三聚氰胺、8.0g季戍四醇,稱取氧化石墨烯5.0g,絹云母3.0g,納米二氧化鈦1.5g，將稱量的固體粉末混合，用研缽進行充分研磨。按質(zhì)量比1:1稱取12.5g氯偏乳液與12.5g苯丙996乳液，加入25.0g去離子水，1.0g潤濕劑EDSPLAN482,1滴消泡劑BYK-088，充分混合。將研磨好的固體粉末逐漸加入到稀釋后的乳液當中，邊加邊用玻璃棒攪拌，用機械攪拌器在200r/min條件下攪拌1min, 800r/min條件下攪拌90min得到涂料，攪拌過程中加入2滴消泡劑BYK-088。
[0038]所得涂料均勻無結塊，初期干燥抗裂性好，不出現(xiàn)裂紋，耐水性好；將涂料均勻涂刷在鋼板上測其耐火極限，當厚度為2.5mm時，其耐火性能達到并超過GB 14907-2002的規(guī)定。
[0039]以上已對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了具體說明，但本發(fā)明并不限于所述實施例，熟悉本領域的技術人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可作出種種的等同的變型或替換，這些等同的變型或替換均包含在本申請權利要求所限定的范圍內(nèi)。
【權利要求】
1.一種新型水性膨脹型鋼結構防火涂料，其特征在于，包括以下組分及質(zhì)量分數(shù)的含量:乳液，20-40% ;水，15-35% ;阻燃體系，30-50% ;納米二氧化鈦，0.5-3% ;填料，3-10% ；助劑，0.1-2%。
2.根據(jù)權利要求1所述水性膨脹型鋼結構防火涂料，其特征在于，所述乳液選自氯偏乳液、純丙2468乳液、純丙AC261P乳液、苯丙996乳液、苯丙277NS乳液中的一種或兩種。
3.根據(jù)權利要求1所述水性膨脹型鋼結構防火涂料，其特征在于，所述阻燃體系選自聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇，其配比為4: 3: 3，5: 3: 2，5: 4: 1，6: 2: 2，4:4:2。所述聚磷酸銨的聚合度為1000。
4.根據(jù)權利要求1所述水性膨脹型鋼結構防火涂料，其特征在于，所述納米二氧化鈦粒徑為40nm。
5.根據(jù)權利要求1所述水性膨脹型鋼結構防火涂料，其特征在于，所述填料為氧化石墨烯與絹云母的復配體系。
6.根據(jù)權利要求5所述水性膨脹型鋼結構防火涂料，其特征在于，所述氧化石墨烯通過如下工藝制備:稱取1.5g的NaNO3固體溶于69ml 98 %的濃硫酸中，將混合液置于冰水浴中同時磁力攪拌15min使NaNO3固體充分溶解(反應溫度控制在0°C );稱量3.0g的天然石墨加入到上述的混合液中，攪拌15min(溫度亦維持在0°C );隨后，緩慢加入一定量的高錳酸鉀，在加入過程中控制反應溫度不超過20°C，攪拌20min，將溫度調(diào)到35°C繼續(xù)攪拌Ih ;然后在混合液中加入138ml的去離子水并升溫至98°C，攪拌15min，再次加入420ml的去離子水并加入30ml 30%的H2O2來還原殘余的氧化劑，使溶液變?yōu)榱咙S色；關掉加熱并趁熱過濾，在過濾的同時用5%的鹽酸溶液洗滌，除去溶液中的MnO2 ;將過濾后得到的濾餅用一定量的去離子水稀釋，再進行超聲和離心處理；取離心后得到的上層清液，加入一定量的濃鹽酸和去離子水，充分攪拌后再次離心；將離心后得到的下層粘性物質(zhì)置于65°C的烘箱中烘干，得到氧化石墨烯。
7.根據(jù)權利要求1所述水性膨脹型鋼結構防火涂料，其特征在于，所述助劑包括消泡劑(BYK-088、BMC-806)，潤濕分散劑(L0P0N895、MET0LAT288、MET0LAT388 或 EDSPLAN482)，增稠流平劑(TAFIGEL PUR42)。
8.根據(jù)權利要求1所述水性膨脹型鋼結構防火涂料的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一:稱取膨脹阻燃體系，填料，納米二氧化鈦，在研缽中進行充分研磨，得到固體粉末。 步驟二:稱取乳液，水充分混合，加入部分助劑，將步驟一得到的固體粉末逐漸加入到液體中，加入過程中用玻璃棒攪拌，靜置，機械攪拌，攪拌過程中逐步加入消泡劑，出料。
9.根據(jù)權利要求6所述水性膨脹型鋼結構防火涂料的制備方法，其特征在于步驟二中，所述機械攪拌條件為在200-2000r/min條件下攪拌0.5_2h。
【文檔編號】C09D127/08GK104327619SQ201410612023
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年11月5日 優(yōu)先權日:2014年11月5日
【發(fā)明者】趙東林, 姚冉冉, 張凡, 張東東, 劉曉紅 申請人:北京化工大學