隨著回歸自然的理念在裝飾裝修行業中的發展, 木結構在裝飾裝修中的應用越來越多, 火災的隱患也隨之增加。為了降低火災的風險, 防火涂料的使用得到了普遍重視。防火涂料按其防火形式及組成可分為非膨脹型和膨脹型兩大類,非膨脹型防火涂料往往使用無機粘結劑, 涂層厚度大, 與木結構相容性差; 而膨脹型防火涂料大多使用有機粘結劑, 涂層薄且與木結構粘結牢中國建材網cnprofit.com。

同時對于木結構防火涂料而言, 不僅要求具備良好的防火性能, 而且要求裝飾性好且污染小, 因此,木結構防火涂料大多為水性膨脹型防火涂料。本實驗研究了一種以硅丙乳液為基料的超薄膨脹型木結構防火涂料, 采用正交設計實驗法對阻燃體系各成分的配比進行了優化, 并討論了填料的選用, 使得制備的防火涂料具備優良的防火性能和理化性能。

1   實驗部分

1. 1  原料

硅丙乳液, 南通生達化工有限公司; 聚磷酸銨( APP) , 濟蘭金昌泰化有限公司; 三聚氰胺( MEL) , 上海山浦化學有限公司; 季戊四醇( PER) , 上海凌峰化學試劑有限公司; 鈦白粉( 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, 定興縣興隆非金屬高科開發有限公司;BYK-180 潤濕分散劑, 德國BYK 公司; BYK-348 消泡劑, 德國BYK 公司; 成膜助劑乙二醇苯醚, 江蘇日出化工有限公司; 抑煙劑氧化鋅, 嘉興市佳潤助劑有限公司; 去離子水, 自制。

1. 2   防火涂料的制備與涂刷

將水、成炭劑、脫水成炭催化劑、發泡劑、填料和潤濕分散劑混合高速攪拌30min, 制備成料漿。往料漿中加入乳液基料、成膜助劑、消泡劑、增稠劑和抑煙劑等, 中速攪拌15min, 過篩出料。將制得的防火涂料涂刷于尺寸為160mmx 160mm的五層膠合板上, 涂刷3 層, 涂層厚度為0. 4mm。

1. 3  防火涂料的性能測試

本實驗采用垂直燃燒法檢測防火涂料的耐燃時間, 即利用酒精噴燈, 垂直向上噴射火焰。試板涂層朝下, 水平放置,距離酒精噴燈噴口垂直高度為10cm, 實驗時要盡量使火焰一致。試板背面有微裂縫時, 記錄燃燒時間, 即為防火涂料耐火時間。防火涂料理化性能檢測按GB12441-1998 的規定進行。

2  結果與討論

2. 1   基料的選擇及乳液含量的確定

基料是組成涂料的基礎, 用來粘結涂料中的其他組分以形成涂層。乳液作為膨脹型防火涂料的基料, 它的性能直接決定著涂料和涂層的性能, 它既要保證涂料的防火性能, 又要保證防火涂料具有優良的粘接強度、耐磨性、耐水性、附著力等理化性能。

用作膨脹型防火涂料的基料有丙烯酸乳液、苯丙乳液、純丙乳液、聚醋酸乙烯乳液、硅丙乳液等, 其中硅丙乳液是由丙烯酸單體和有機硅單體共聚而成的乳液, 兼有丙烯酸和有機硅二者的優點, 既能顯著改善涂膜的耐候性、耐水性、耐洗擦性、保光性及柔韌性等 , 又不明顯增加成本。因此, 本次實驗選用硅丙乳液作為防火涂料的基料。在保持APP20g、MEL12g 、PER6g 、T iO2 6g 、去離子水30g 等不變的情況下, 硅丙乳液的用量與耐火時間的關系見圖1。

硅丙乳液用量對耐火時間關系圖 

由圖1 可以看出, 隨著硅丙乳液含量的增加, 涂層的耐火時間呈先增大后減小的趨勢。當硅丙乳液含量過低時, 未灼燒之前, 涂層與底層粘接性差, 涂料受熱熔融后, 開始炭化、發泡, 涂層中心隆起, 與基材的連接部分越來越少, 易從基材上脫落。

隨著硅丙乳液加入量增大, 涂料與基材的粘接力增強,有效地延長了其耐火時間。但當硅丙乳液含量過高時, 阻燃體系含量下降, 防火效果也會受到明顯的影響。由圖可見, 當硅丙乳液含量為25%時, 涂料的耐火時間最長, 約為22min。

2. 2   阻燃體系的確定

膨脹型防火涂料的阻燃體系由成炭劑、脫水成炭催化劑、發泡劑三部分組成。在火焰高溫的作用下三者相互作用產生膨脹, 形成蜂窩狀炭化層。經文獻比較[4] 和反復實驗優選確定季戊四醇( PER) 、聚磷酸銨( APP) 、三聚氰胺( MEL) 為本實驗的阻燃體系, 并用正交試驗對其進行了進一步優化。阻燃體系正交實驗因子水平見表1, 正交試驗安排及結果見表2。

阻燃體系正交實驗因子水平表 

正交試驗表及耐火時間測定結果 

因子a代表成炭劑PER。成炭劑是涂層在高溫下形成不易燃三維空間結構的泡沫炭化層的物質基礎,對泡沫炭化層起骨架作用。當PER加入量較少時,整個體系的成炭量少,不利于形成完整的炭化層,影響了耐火時間。隨著PER用量的增多,能與阻燃體系其它組分匹配發生作用,形成較厚、致密、強度高的炭化層,使得涂層具備優良的防火性能。但是PER的過多加入,很可能導致其膨脹層的滑移,涂層出現流淌現象,反而影響了涂層的防火性能[5]。

因子b代表脫水成炭催化劑APP。脫水成炭催化劑主要用來促進和改變涂層的熱分解進程,促進涂層內含羥基的有機物脫水形成不易燃的三維空間結構炭質層,隔離受保護的基材和火源,減少熱分解產生的可燃性焦油、醛、酮的量,同時釋放出水蒸氣,沖淡可燃性氣體和周圍氧氣的濃度,阻止放熱量大的碳氧化反應發生[6]。

當APP用量過少時,不能使PER完全反應,導致成炭量減少,從而不利于膨脹隔熱炭層的形成,影響了防火涂料的耐火時間;當APP使用過多時,涂層與基材的粘結力下降,炭化層易脫落,從而導致防火性能下降。因子c代表發泡劑MEL,膨脹型防火涂料的涂層遇熱時能分解釋放出使涂層膨脹的不燃性氣體,在涂層內形成海綿狀多孔泡沫結,這一過程需要發泡劑來實現。發泡劑的分解溫度要與催化劑、成炭劑相匹配,才能使涂層在受熱時形成最佳的膨脹層。

當MEL用量太少時,炭層膨脹的有效高度小,對隔熱效果不利;當MEL用量太多時,生成了過多的氨氣,導致炭層氣泡不均勻,孔徑過大且相互連通,甚至被沖破,影響了炭化層的導熱性能,同時也使得膨脹炭層強度下降,影響了其與基材的粘結,從而導致了防火涂料的防火性能下降。因此,只有適當的PER含量,并與APP、MEL等相協調,才會有利于形成較厚、致密、均勻且強度高的炭化層,從而起到很好的防火效果。

由表2可見,因子a(RER)的極差最大,為710,因子b(APP)的極差為510略低于因子a(PER),因子c(MEL)的極差最小,為1.0,可見,影響耐火時間的因子由主至次的順序為:cyayb,即PER對涂層的耐火性能影響最大,APP次之,MEL最小。根據正交試驗分析,確定本防火涂料的阻燃體系最佳配比為a2b2c1,即:PER︰APP︰MEL=6︰28︰13。

2.3 填料的選擇及用量的確定

除了乳液和阻燃體系對防火涂料的性能影響比較大外,填料的影響同樣非常重要,它不僅能降低成本、改善涂料的理化性能,而且能起到阻燃作用。本研究將分別使用TiO2、玻璃微珠和海泡石三種填料,最終確定填料的種類及用量。

2.3.1 TiO2對涂料防火性能的影響

由表3可見,隨著TiO2用量增加,耐火時間呈先增大后減小的趨勢。TiO2粒子是一種紅外反射材料,對高溫紅外輻射傳熱具有良好的阻隔作用。當TiO2用量低于6%時,隨著TiO2用量增加,涂膜內填料的相對密度增大,起反射作用的粒子數增多,反射率上升,隔熱效果好,且TiO2能保持膨脹炭化層的骨架結構。但當TiO2用量多于6%時,過多的TiO2用量會抑制涂層的膨脹,且使得炭化層密度不均,從而降低了涂層的耐火時間。在本實驗體系中,TiO2的最佳用量應為6%,耐火時間為50min。

TiO2用量對涂膜防火性能的影響 

注:其他各組分用量為硅丙乳液28g、PER6g、APP28g、MEL13g、去離子水30g、助劑適量(TiO2質量分數的計算不包括去離子水)

2.3.2 玻璃微珠對涂料防火性能的影響

玻璃微珠作為填料,除了能反射光和熱輻射外,還能利用其中空、質輕、熱導率低的特點,達到阻熱的目的,從而提高涂膜的絕熱性能。由表4可以看出,玻璃微珠的用量對防火涂料的耐火時間具有較大影響,當用量為6%時,耐火時間最長,為43min。隨著玻璃微珠用量的增加并未改善發泡層的致密性以及炭化層的強度,因此綜合效果不如TiO2。

玻璃微珠用量對涂膜防火性能的影響 

2.3.3 海泡石對涂料防火性能的影響

海泡石是具有高表面積的粘土礦物,它的熱穩定性好,加熱到350e時其結構不發生任何變化。海泡石簇狀纖維結構中含有大量的納米級孔道[7],因為孔道空氣導熱系數遠小于固體導熱系數,所以海泡石具有良好的。

由表5可以看出,海泡石用量為4%時,耐火時間最長,為38min。隨著海泡石用量的增加,涂層的防火時間逐步降低,這可能是由于過多的海泡石用量在涂料中分布不均勻,導致阻熱效果沒有得到很好的發揮。

海泡石用量對涂膜防火性能的影響 

因此,在TiO2、玻璃微珠和海泡石粉這三種填料中,TiO2的防火效果最好。

2.4 防火涂料的配方及性能

根據防火涂料各組分的研究,制備水性膨脹型防火涂料的配方見表6,將制備的防火涂料涂覆于160mmxl60mm的五層膠合板上,測定防火涂料的各項理化性能,并與國家標準中所規定的指標要求進行了比較,結果見表7。

防火涂料的配方 

防火涂料的各種技術性能檢測表 

3 結論

(1)以硅丙乳液為基料,其用量為25%時,涂料具有良好的防火性能。

(2)用PER、APP、MEL為阻燃體系,通過正交試驗對阻燃體系中各組分間的配比進行了優化,實驗結果表明,當三者質量比PER︰APP︰MEL=6︰28︰13時,防火涂料的防火性能最佳。

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

(4)該超薄型木結構防火涂料的原材料來源豐富、價格低廉,生產工藝簡便,使用安全,是一種具有廣泛應用前景的環保型防火涂料。

單月圓1 焦寶祥2*

(1.南京工業大學材料科學與工程學院,南京210009;2.鹽城工學院材料科學與工程學院,鹽城224051)