膨脹型涂料組合物的制作方法
【專利說明】膨脹型涂料組合物
[0001] 本發(fā)明涉及液體膨脹型組合物、用該組合物涂布的基材及保護(hù)結(jié)構(gòu)抵抗火的方 法。自本發(fā)明涂料形成的炭具有優(yōu)良強(qiáng)度及絕熱性質(zhì)。因此，膨脹型涂料組合物可用于保 護(hù)結(jié)構(gòu)（例如海上設(shè)施）抵抗紊流烴火。
[0002] -般使用鋼框架作為建造建筑物的方法。世界上生產(chǎn)的鋼大部分用于建造建筑 物。鋼框架建筑物相對(duì)于傳統(tǒng)建筑方法提供許多優(yōu)點(diǎn)，但有一個(gè)嚴(yán)重缺點(diǎn)，即在著火時(shí)未保 護(hù)鋼的溫度快速升高至使鋼"軟化"的點(diǎn)，從而喪失其剛性并危害結(jié)構(gòu)的整體性。隨著時(shí)間 推移，建筑物將倒塌，但早在此發(fā)生之前，結(jié)構(gòu)的撓曲將使可連接至鋼框架的鑲板、包層等 松脫，從而對(duì)試圖撤離該建筑物的人群及試圖救火的消防員造成巨大危險(xiǎn)。
[0003] 試圖克服上文所提及的鋼框架的缺點(diǎn)的最簡單方式為以某種手段使鋼絕熱。絕熱 程度影響達(dá)到結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定且使用法定測(cè)試達(dá)成各種評(píng)級(jí)的點(diǎn)所耗時(shí)間。
[0004] 膨脹型涂料在多種結(jié)構(gòu)上用于延遲火的加熱效應(yīng)。涂料減慢施加有涂料的基材的 溫度上升速率。因此，涂料延長結(jié)構(gòu)因火的熱而損壞前的時(shí)間。多余時(shí)間使得消防員更有 可能能把火撲滅或至少在結(jié)構(gòu)損壞之前施用冷卻水。
[0005] 膨脹意指膨大及成炭。在暴露于熱/火中時(shí)，膨脹型涂料在其所覆蓋的表面上形 成多孔高絕熱（不可燃）的固體厚泡沫障壁。
[0006] 這些膨脹型材料相對(duì)于其他各種可得選擇的主要益處在于，在正常條件下，其實(shí) 際上不占空間（典型涂料厚度在5mm范圍內(nèi)）且其使結(jié)構(gòu)增加的額外重量可忽略不計(jì)。膨 脹型涂料已在市場上銷售多年。大部分膨脹型涂料需要底漆，需要一個(gè)或多個(gè)膨脹型材料 層以累積所需厚度的材料，且需要面漆以改進(jìn)耐氣候性。業(yè)內(nèi)需要以較少層產(chǎn)生更硬涂料 且較不易受損的膨脹型涂料。
[0007] 包含聚合粘合劑的常規(guī)膨脹型涂料通常也包含使得涂料能在暴露于熱/火后膨 脹的以下組分：酸來源、成炭劑及發(fā)泡劑。
[0008] 在常規(guī)膨脹型涂料暴露于火或過量熱時(shí)，酸來源分解以提供酸。成炭劑或炭形成 劑（也稱為成炭化合物（carbonific))與該酸反應(yīng)以形成碳質(zhì)炭。炭形成劑的實(shí)例包括 (例如）多元醇（例如季戊四醇或二季戊四醇）或其混合物。碳質(zhì)炭基于多元醇的分解而 獲得。發(fā)泡劑在經(jīng)受熱或火焰時(shí)產(chǎn)生不可燃?xì)怏w（通常為氨）。最常用發(fā)泡劑為三聚氰胺 及三聚氰胺衍生物。THEIC為三-(2-羥基乙基）異氰脲酸酯，其也為已知發(fā)泡劑。自發(fā)泡 劑放出的氣體用于使碳質(zhì)炭發(fā)泡形成泡沫。
[0009] 膨脹型涂料應(yīng)與耐火劑涂料相區(qū)分。耐火劑或阻燃劑涂料的目的為降低其所涂布 基材的可燃性并延遲其燃燒。純耐火劑不需要或不必需膨脹。因此，耐火劑涂料的組成通 常與傳統(tǒng)膨脹型涂料顯著不同。例如，耐火劑涂料有時(shí)含有大量用于防止火焰通過的材料 (某些填充劑及顏料），但這些材料也抑制涂料膨脹。
[0010] 膨脹型涂料可根據(jù)其經(jīng)設(shè)計(jì)以提供保護(hù)所抵抗的火的類型來分類。例如，一些膨 脹型涂料經(jīng)設(shè)計(jì)以提供抵抗纖維素火的保護(hù)，其他涂料經(jīng)設(shè)計(jì)以提供抵抗烴火的保護(hù)。 [0011] 纖維素火保護(hù)意指經(jīng)調(diào)配以保護(hù)結(jié)構(gòu)組件免于纖維素火暴露的涂料。纖維素火的 一個(gè)特征為燃料源如木料、紙、紡織品等。這些燃料為當(dāng)今建成環(huán)境（BuiltEnvironment) 中商業(yè)及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)項(xiàng)目的典型燃料，通常用于建成環(huán)境中的建筑應(yīng)用，包括內(nèi)部及外部暴 露的結(jié)構(gòu)型鋼框架。纖維素標(biāo)準(zhǔn)火測(cè)試曲線在約5分鐘內(nèi)達(dá)到500°C且隨時(shí)間上升至超過 1100°C[2012°F]〇
[0012] 烴火保護(hù)意指已經(jīng)特定調(diào)配以保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)組件免于烴火暴露的涂料。烴火或池 火為在汽化烴燃料池上方燃燒的火。已發(fā)現(xiàn)烴火極度紊亂且在5分鐘內(nèi)極快生熱至約 1000°C，且之后很快上升至1100°C。池火可在幾分鐘內(nèi)危害用于油氣設(shè)施的典型鋼框架的 結(jié)構(gòu)完整性。噴射火為具體一組因在高壓（2巴或更高）下連續(xù)釋放的燃料燃燒所致的以 烴為燃料的火。噴射火由于其產(chǎn)生的高熱通量及沖蝕力而代表對(duì)海上設(shè)施的重大風(fēng)險(xiǎn)。
[0013] 抵抗烴火的膨脹型涂料必須比抵抗纖維素火的膨脹型涂料更強(qiáng)、更耐用、具有更 好抗氣候性。此外，抵抗烴火的膨脹型涂料必須能形成極強(qiáng)炭，該炭具有良好結(jié)構(gòu)完整性 及對(duì)基材的粘著性，使得其在暴露于烴火的高熱通量及極高沖蝕力時(shí)不會(huì)破裂或自基材脫 落。
[0014] 在一些情況中，若膨脹型涂料產(chǎn)生強(qiáng)度（抵抗烴火的紊流力）不足的炭泡沫時(shí)，可 將各種添加劑如填充劑、纖維、二氧化硅、玻璃增強(qiáng)材料添加至膨脹型涂料組合物以提高炭 強(qiáng)度。然而，在常規(guī)膨脹型涂料組合物中使用過多量的添加劑減小涂料在暴露于過量熱/ 火時(shí)的膨大量，從而危害其熱保護(hù)。
[0015] 在其他情況中，若膨脹型涂料產(chǎn)生絕熱不充分的炭泡沫，則添加其他發(fā)泡劑，例如 胺官能基發(fā)泡劑，例如脲、雙氰胺、三聚氰胺及三聚氰胺衍生物。添加額外發(fā)泡劑的目的為 增加在膨脹過程期間產(chǎn)生的氣體量，使得形成更發(fā)泡、密度更低且更高絕熱的泡沫。然而， 通常高度發(fā)泡泡沫具有較差強(qiáng)度及粘著性。
[0016] 綜上所述，（i)產(chǎn)生足夠強(qiáng)可抵抗烴火的極強(qiáng)沖蝕力的良好強(qiáng)致密炭的膨脹型涂 料通常使其所涂布的基材絕熱的能力較差，且（ii)產(chǎn)生具有良好熱保護(hù)性的高度發(fā)泡炭 的膨脹型涂料，所述炭的強(qiáng)度不足以抵抗烴火的極強(qiáng)沖蝕力。
[0017] 提供可提供強(qiáng)度、粘著性及良好絕熱性的涂料體系的已知解決方案為提供包含兩 個(gè)涂層的涂料體系，如W096/03854中所述。W096/03854的涂料體系包含形成具有韌度及 密度的剛性成炭化合物炭泡沫的第一涂層，且第二涂層形成密度為第一涂層炭泡沫的密度 的約一半的絕熱成炭化合物炭泡沫。第一層欲防止基材斷裂及直接暴露于火條件中（即強(qiáng) 度）且第二層欲提供絕熱性。然而，W096/03854未能教示如何使用單一涂料組合物同時(shí)提 供強(qiáng)度及絕熱性。
[0018] 業(yè)內(nèi)需要一（即一種）膨脹型涂料組合物，其產(chǎn)生在暴露于熱時(shí)產(chǎn)生既具有優(yōu)良 強(qiáng)度也提供優(yōu)良熱保護(hù)的炭的涂料，使得其適用于紊流烴火中。
[0019] 業(yè)內(nèi)需要一（一種）膨脹型涂料組合物，其產(chǎn)生在暴露于熱時(shí)產(chǎn)生既具有優(yōu)良強(qiáng) 度也提供優(yōu)良熱保護(hù)的炭的涂料，達(dá)到使其適用于紊流烴火中的程度。
[0020] 本文提供膨脹型涂料組合物，其在固化且隨后暴露于熱時(shí)膨脹形成不可燃障壁， 該障壁既強(qiáng)也具有良好防火性能（絕熱性質(zhì)），達(dá)到使其適于抵抗烴火的程度。
[0021] 本發(fā)明涂料組合物提供耐久堅(jiān)固、耐用且抗氣候（水/腐蝕）的具有良好粘著性 的膜。在暴露于熱時(shí)，由本發(fā)明組合物形成的涂料產(chǎn)生具有足夠強(qiáng)度至也不需要增強(qiáng)材料 (例如網(wǎng)）的程度的涂料。
[0022] 另一優(yōu)點(diǎn)在于，涂料組合物易于施加且在固化時(shí)對(duì)基材具有良好粘著性，達(dá)到其 能在無增強(qiáng)網(wǎng)的情況下使用的程度。由于涂料可在無網(wǎng)情況下施加并使用，故可更快地施 加涂料組合物。
[0023] 本發(fā)明的液體涂料組合物可有利地通過常規(guī)方法來施加，例如刷涂、傾倒、無氣噴 霧或鏝涂。
[0024] 在本發(fā)明膨脹型涂料暴露于熱時(shí)，自磷酸或磺酸來源、硼酸來源與固化有機(jī)聚合 物之間的反應(yīng)產(chǎn)生氣體。
[0025] 這些氣體起發(fā)泡劑的作用以使碳質(zhì)炭發(fā)泡。令人驚訝的是，本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，在 將最常用發(fā)泡劑（包括三聚氰胺、三聚氰胺衍生物及異氰脲酸酯衍生物）添加至本發(fā)明涂 料組合物時(shí)，炭提供的熱保護(hù)降低或無改進(jìn)，且對(duì)炭強(qiáng)度及炭對(duì)基材的粘著性存在有害效 應(yīng)。炭強(qiáng)度及炭粘著性的降低導(dǎo)致炭自基材脫離并出現(xiàn)裂縫，這進(jìn)一步降低了炭提供的熱 保護(hù)。因此，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，組合物需要包含盡可能少的這些類型的組分，且優(yōu)選不含這些 組分。
[0026] 可預(yù)期將添加劑如填充劑、纖維、玻璃增強(qiáng)材料添加至涂料組合物可改進(jìn)炭強(qiáng)度， 但預(yù)期同時(shí)會(huì)減少涂料膨脹量并危害炭的熱保護(hù)。令人驚訝的是，在將玻璃纖維添加至本 發(fā)明涂料組合物時(shí)，未見此危害；與之相比，炭具有優(yōu)良熱保護(hù)及強(qiáng)度二者。
[0027] 本發(fā)明涂料組合物的優(yōu)良性質(zhì)為由于本文所定義組分的特定組合及用量所致。本 發(fā)明的液體膨脹型涂料組合物包含以下組分：
[0028] (a) 25. 0體積％至75. 0體積％的一或多種有機(jī)熱固性聚合物及一或多種用于有 機(jī)熱固性聚合物的固化劑，
[0029] (b) 1 · 0體積％至70. 0體積％的磷酸或磺酸來源，
[0030] (c) 6. 0體積％至60. 0體積％的硼酸來源，
[0031] (d) 0體積％至2. 0體積％的三聚氰胺或三聚氰胺衍生物，
[0032] (e) 0體積％至1. 0體積％的一或多種異氰脲酸酯衍生物，
[0033] 其中體積％為基于涂料組合物中非揮發(fā)性組分的總體積來計(jì)算。
[0034] 除非本文中另外陳述，否則本文所述的所有體積％ (vol% )值皆為基于涂料組合 物中的非揮發(fā)性組分在室溫（2