专利名称：水性环保超薄膨胀型钢结构防火涂料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种水性环保超薄膨胀型钢结构防火涂料及其制备方法。具体地讲，本发明涉及一种以水为分散介质，采用乳液作为基料，采用可膨胀石墨作为膨胀增强材料来制备的水性环保超薄膨胀型钢结构防火涂料，以及根据其固体含量不同而采用的不同的制备方法。
背景技术：
目前，经济和社会的迅速发展推动了建筑用材的不断升级和换代，使得大型建筑不断增多，而这些大型建筑的主要承重构件大多依赖于坚固而又轻便的钢材，这些钢材赋予了建筑物宽阔、轻盈、简洁流畅而又不失稳固的风格，是未来大型建筑的主要形式。目前的许多高层建筑、体育场馆、大型歌剧院、站台等设施均采用了钢结构。但是，钢结构建筑的耐火性能差，钢材的机械强度随温度的升高而降低，当温度达到某一值时，钢材便失去承载能力，这一温度被定义为钢材的临界温度，一般常用的建筑钢材的临界温度在540℃左右。对于建筑火灾，火场的温度大多在800℃～1200℃之间。对于裸露的钢材，在这样的火灾力场下，只要几分钟就可上升到540℃而达到临界值，承载能力下降并导致建筑物垮塌，从而造成重大人员伤亡和经济损失。
膨胀型钢结构防火涂料遇火即膨胀炭化，可以形成一个比原涂层厚十几倍乃至几十倍的多孔炭质层，这层炭质层具有较低的导热系数，不仅可以隔绝火焰对钢材的直接作用，而且能够显著降低热通量，保持钢结构在近2h的时间内不会超过540℃，从而有足够的时间灭火，保证钢结构建筑不坍塌。
目前市场上的防火涂料多为油性，采用二甲苯等有机物作为溶剂，在施工中会释放出有害物质，不仅影响工作人员的身体健康，而且污染环境。市场上也有以水为分散介质的水性防火涂料，无有害气体释放，其在工程中的使用量较厚型、薄型钢结构防火涂料大大减少，从而可降低工程总费用，施工方便，保持钢结构简洁流畅的外观，还可以在外层增刷不同色彩的外墙涂料而不影响防火性能，起到美化装饰效果，增强产品的竞争能力，是目前消防部门大力推广的品种。
可膨胀石墨在受到200℃以上高温时，开始膨胀可达到100倍左右，由原来的鳞片状变成密度很低的蠕虫状，形成非常良好的绝热层。可膨胀石墨本身也是膨胀体系的炭源，其在火灾中的热释放率低，质量损失小，烟气少。
这方面的相关技术有中国专利CN 1030779A，它公开了一种钢结构膨胀防火装饰涂料，采用空心微珠和硅酸铝纤维作增强材料，涂层4毫米厚，耐火只能达到1个小时。在中国专利CN 1336403A中公开了一种油性钢结构防火涂料，采用二甲苯和醋酸丁酯作溶剂，还使用了三氧化二锑，涂层3毫米厚，能够达到90分钟的耐火极限，但是溶剂挥发会释放出有害物质，而且如果发生火灾，三氧化二锑会产生致癌物质和强烈的刺激性气体。中国专利CN 1312848A公开了一种用于木质纤维素材料的膨胀型防火涂料，采用了颗粒状可膨胀石墨，用量占到了总重的20％，其主要作用是吸收加热情况下涂料放出的有毒气体，并防止产生“爆米花”现象。此外，中国专利CN 1394923A公开了一种水性薄型膨胀型钢结构防火涂料，其同样采用可膨胀石墨作为膨胀增强材料，但是所需用量较大，如4-10％，这会影响涂料的附着力，可能产生过大的内应力使膨胀层开裂；此外，在该防火涂层为3毫米厚时，其耐火极限只能达到75分钟。
发明内容
本发明的一个目的在于将鳞片状可膨胀石墨运用到钢结构防火涂料中，利用可膨胀石墨膨胀后成“蠕虫”状穿插于膨胀炭质层中，起到增强纤维的作用，弥补了传统膨胀涂料炭质层蓬松易脱落的缺点，稳定性更好，而且可膨胀石墨本身也是炭源，可以延长炭质层被完全氧化的时间，具有更长的隔热阻燃作用，显著提高防火性能。
本发明的另一个目的是提供一种钢结构防火涂料的制备方法。在本发明的钢结构防火涂料的制备方法中，先将季戊四醇溶解于水中，并在分散过程中往夹套中通入冷却水，使季戊四醇重结晶得到粒径在25μm以下的晶体，获得了比粉碎和研磨细得多的季戊四醇颗粒，而且均匀分散在涂料体系中，这样涂料膨胀后能够得到气孔更加均匀细小的炭质层。
本发明提供一种水性环保膨胀型钢结构防火涂料，以水作分散介质，施工中无有害气体释放。
本发明提供一种超薄型防火涂料，装饰性能好，用量少，施工厚度不高于3mm，成本低。
一种根据本发明的钢结构防火涂料，包括以下组分(含量以重量百分比计)水 (10----30)％基料 (20----30)％可膨胀石墨 (0.1----3)％聚合度n＞1000的聚磷酸铵 (12----25)％季戊四醇 (5----15)％发泡剂 (5----17)％无机填料 (4----10)％润湿剂 (0.1----0.2)％分散剂 (0.1----0.8)％防腐剂 (0.02----0.1)％消泡剂 (0.01----0.1)％成膜助剂 (0----4)％增稠剂 (0.5----3)％其中，该钢结构防火涂料为黏稠流体，固体含量为55---75％。
在本发明的钢结构防火涂料中，更优选的配方包括以下组分(含量以重量百分比计)水 (15----25)％基料 (20----30)％可膨胀石墨 (0.1----3)％聚合度n＞1000的聚磷酸铵 (16----22)％季戊四醇 (10----15)％发泡剂 (10----17)％
无机填料 (6----9)％润湿剂(0.1----0.2)％分散剂(0.1----0.8)％防腐剂(0.02----0.1)％消泡剂(0.01----0.1)％成膜助剂 (1----4)％增稠剂(1----3)％。
根据本发明的另一个目的，提供一种钢结构防火涂料的制备方法。其中，当防火涂料的固体含量小于或等于70％时，分散介质水的用量大，能够将季戊四醇完全溶解。在此情况下，该制备方法包括以下步骤(1)按照钢结构防火涂料的配方称取润湿剂、分散剂、防腐剂、消泡剂、成膜助剂和乙二醇等助剂，并加入到分散罐中；(2)称取可膨胀石墨、三聚氰胺、二氧化钛、聚磷酸铵等固体组分；(3)将季戊四醇加入到水中，并升温到80℃左右溶解；(4)将溶解有季戊四醇的水溶液倒入分散罐中，并立即加入上述步骤(2)的固体组分，以20m/s左右的线速度高速分散，再接通冷却水缓慢冷却，并保持涂料温度不超过40℃，这样季戊四醇结晶析出，均匀分散在涂料体系中，且粒度在25μm以下，随后高速分散5～60分钟；(5)调节线速度到6m/s左右，加入作为基料的乳液并分散5～40分钟；(6)最后加入增稠剂，搅拌2～15分钟，将粘度调节到合适值后出料。
当防火涂料的固体含量在70％以上时，由于水的用量大大减少，需要将季戊四醇粉碎研磨到一定细度以后与固体组分一起加入。在此情况下，该制备方法包括以下步骤(1)按照钢结构防火涂料的配方称取水和基料，加入润湿剂、分散剂、防腐剂、消泡剂、成膜助剂和乙二醇等助剂，然后将该混合物加入到分散罐中；(2)将粉碎过筛后的季戊四醇与三聚氰胺、二氧化钛、聚磷酸铵、
可膨胀石墨等固体组分一起混合均匀，加入分散罐后搅拌使其混和均匀，适量添加增稠剂等其它助剂后再搅拌，混合均匀后出料。
图1为涂刷到钢结构(2)表面的本发明的钢结构防火涂料(1)的图示说明；图2为在火灾中钢结构防火涂层开始膨胀的示意图；图3为本发明的钢结构防火涂料完全膨胀后，得到了一层高厚度、低导热系数的多孔绝热炭质层(3)，其包括气孔(4)和膨胀后的可膨胀石墨(5)，将热源与钢材隔离开来。
具体实施例方式
在本发明的超薄膨胀型钢结构防火涂料中，以水作为分散介质。
可用于本发明的基料包括丙烯酸乳液和氯偏乳液，以及这两种乳液不同比例的混合物。这两种乳液已经商品化，多家公司有售，例如，作为不受限制的例子，丙烯酸乳液可购自北京东方罗门哈斯科技公司(AS261)，氯偏乳液可购自上海双达化工有限公司。
本发明采用鳞片状可膨胀石墨作为膨胀增强材料，作为不受限制的例子，其可购自北京创意生物工程新材料有限公司，其长宽在0.5～3mm之间，厚度为0.1-0.5mm，膨胀后厚度可达到4～10mm。
本发明的聚磷酸铵的聚合度n大于1000，作为不受限制的例子，其可购自南通联华阻燃科技有限公司。
可用于本发明的发泡剂包括三聚氰胺、双氰胺、氯化石蜡、尿素。
可用于本发明的无机填料包括二氧化钛、二氧化硅、氧化锌、氧化铝、硅酸钙、硅酸铝、和滑石粉。
可用于本发明的润湿剂包括1，2-丙二醇、乙二醇和丙三醇。
可用于本发明的分散剂包括3-甲基丙烯酰氧基丙烯三甲氧基硅烷、二[焦磷酸二烷氧基酯]-2-羟基丙酸钛、二聚异丁烯顺丁烯二酸钠盐、二(亚磷酸二月硅酸酯)络四辛氧基钛和β-烷氧乙羧基二(焦磷酸二辛酯)钛，优选3-甲基丙烯酰氧基丙烯三甲氧基硅烷和二[焦磷酸二烷氧基酯]-2-羟基丙酸钛。
可用于本发明的防腐剂包括1，2-苯并异噻唑啉-3-酮、苯并异咪唑氨基甲酸甲酯、2，4，5，6-甲氯间苯二腈、苯并异噻唑啉酮、2-(4-噻唑基)苯并咪唑2-正辛基-4-异噻唑啉-3-酮等，优选1，2-苯并异噻唑啉-3-酮。
可用于本发明的消泡剂包括聚甲基三乙氧基硅烷、甲基聚硅氧烷、二甲基聚硅氧烷、丙二醇聚氧丙烯聚氧乙烯醚和聚氧乙烯壬基苯醚，优选聚甲基三乙氧基硅烷。
可用于本发明的成膜助剂主要包括1，2-丙二醇、1，6-己二醇。
可用于本发明的增稠剂包括有机澎润土、聚丙烯酸盐、改性丙烯酸盐的水溶液、甲基纤维素、和羟乙基纤维素。
此外，本发明的钢结构防火涂料还任选地包括其它本领域所公知的添加剂和助剂，例如疏水剂等。
本发明的防火涂料的固体含量在50％-75％，优选65％。除可膨胀石墨外，其余固体物质粒径都在25微米以下，可以采用喷涂、滚涂等多种方法施工。
本发明的防火涂料细度较低，遇火后会迅速膨胀发泡，可膨胀石墨膨胀后形成蠕虫状物质穿插于膨胀炭质层中，增强了炭质层的强度，不仅可以隔断火焰对基材的直接作用，而且可有效阻碍热量从热源向基材的传递。这使得钢结构温度能够在2个多小时的时间内不会上升到临界温度540℃，从而有足够的时间灭火保证建筑物的安全。本防火涂料为水性超薄型，施工中无有毒气体释放，可以广泛应用于各种钢结构建筑，如体育场馆、歌剧院、高层建筑等。
所述钢结构防火涂料在容器中为厚稠流体，并且无结块。通过使用本领域技术人员所公知的方法检测，该防火涂层具有以下性质表干时间＜12h；初期干燥抗裂性无裂纹；黏结强度/MP0.4；耐水性30小时无明显变化；耐冻融循环性(次)18；抗振动性挠曲L/200，涂层不起层，脱落；抗弯性挠曲L/200，涂层不起层，脱落。
下面通过以下实施例并结合附图对本发明进行进一步说明。
实施例1按照以下列出的组分和含量(重量百分比)，配制本发明的钢结构防火涂料水 17.35丙烯酸乳液 14.2氯偏乳液 14.2可膨胀石墨 0.2聚合度n＞1000的聚磷酸铵 21季戊四醇 8.5三聚氰胺 12.7二氧化钛 8滑石粉 21，2-丙二醇 0.173-甲基丙烯酰氧基丙烯三甲氧基硅烷 0.561，2-苯并异噻唑啉-3-酮 0.07聚甲基三乙氧基硅烷 0.05有机澎润土 1。
将上述助剂加入到分散罐中，再将季戊四醇加入到水中并升温到80℃左右，季戊四醇溶解后倒入分散罐中，并立即加入上述固体阻燃组分和填料，随后以20m/s左右的线速度高速分散，再接通冷却水冷却，其后将线速度调节到6m/s左右，并加入乳液分散30分钟，最后加入有机澎润土并搅拌10分钟后出料，可制得固体含量为67.6％的防火涂料。
采用10cm×10cm×0.25cm钢板，将防火涂料刷在钢板的一面和四条边上，每隔12小时刷一次，每次刷0.2mm左右，厚度达到3mm后养护30天，由此制得如图1所示的具防火涂层的钢板。将该钢板放于高温电炉中，用炉底电炉丝对防火涂料正面加热，钢板底面距炉底12cm，于钢板背面插上数字温度计，电炉四周和钢板背面用低导热系数的绝热材料隔热。如图2所示，接通电源后，在受热的情况下防火涂料开始膨胀。图3显示了在防火涂层完全膨胀后，膨胀高度达到8.5cm，可膨胀石墨成蠕虫状穿插于炭质层里面，强度高，无脱落无开裂，充分起到了隔热作用。钢板温度上升缓慢，在130分钟后达到540℃。
从实施例1的结果可见，含量仅为总防火涂层重量的0.2％的可膨胀石墨充分起到了膨胀增强材料的作用，具有有效的隔热效果，且不会令涂层的附着力降低而开裂。
实施例2按照以下列出的组分和含量(重量百分比)，配制本发明的钢结构防火涂料水 13.35丙烯酸乳液 14.7氯偏乳液14.7可膨胀石墨 0.2聚合度n＞1000的聚磷酸铵 22季戊四醇9.5三聚氰胺13.7二氧化钛8滑石粉 21，2-丙二醇 0.173-甲基丙烯酰氧基丙烯三甲氧基硅烷0.561，2-苯并异噻唑啉-3-酮 0.07聚甲基三乙氧基硅烷 0.05有机澎润土 1。
将助剂加入到分散罐中，再将粉碎过筛后的季戊四醇与三聚氰胺、二氧化钛、聚磷酸铵、可膨胀石墨等固体组分一起混合均匀，并加入分散罐后搅拌使其混和均匀，最后添加有机澎润土再搅拌10分钟，混合均匀后出料，可制得固体含量为71.1％的防火涂料。
采用同实施例1相同的方法测试耐火性能，该防火涂层的膨胀高度达到8.2cm，钢板在126分钟后达到540℃。
实施例3按照以下列出的组分和含量(重量百分比)，配制本发明的钢结构防火涂料水 20.35丙烯酸乳液 14.2氯偏乳液 14.2可膨胀石墨 0.2聚合度n＞1000的聚磷酸铵 19季戊四醇 7.5三聚氰胺 11.7二氧化钛 8滑石粉 21，2-丙二醇 0.173-甲基丙烯酰氧基丙烯三甲氧基硅烷 0.561，2-苯并异噻唑啉-3-酮 0.07聚甲基三乙氧基硅烷 0.05羟乙基纤维素 1有机澎润土 1将上述助剂加入到分散罐中，再将季戊四醇加入到水中并升温到80℃左右，季戊四醇溶解后倒入分散罐中，并立即加入上述固体阻燃组分和填料，随后以20m/s左右的线速度高速分散，再接通冷却水冷却，其后调节线速度到6m/s左右，并加入乳液分散30分钟，最后加入羟乙基纤维素和有机澎润土搅拌10分钟后出料，可制得固体含量为63.6％的防火涂料。
采用同实施例1相同的方法测试耐火性能，该防火涂料的膨胀高度为8.9cm，钢板在127分钟后达到540℃。
应该理解，尽管本发明以本文举例说明的实施例加以说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。例如，尽管本发明在实施例中以三聚氰胺为发泡剂，本领域所公知的其它发泡剂，例如双氰胺、氯化石蜡、尿素等，也可以用于本发明的防火涂层。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也要包含在本发明的范围内。
权利要求
1.一种水性环保超薄膨胀型钢结构防火涂料，所述防火涂料按重量百分比计包括水 (10----30)％基料 (20----30)％可膨胀石墨 (0.1----3)％聚磷酸铵 (12----25)％季戊四醇 (5----15)％发泡剂 (5----17)％无机填料 (4----10)％其中，所述防火涂料为黏稠流体，固体含量为55---75％。
2.如权利要求1所述的钢结构防火涂料，其中所述防火涂料按重量百分比计优选为包括水 (15----25)％基料 (20----30)％可膨胀石墨 (0.1----3)％聚磷酸铵 (16----22)％季戊四醇 (10----15)％发泡剂 (10----17)％无机填料 (6----10)％。
3.如权利要求1或2所述的钢结构防火涂料，其特征在于所述的基料选自丙烯酸乳液和氯偏乳液，以及这两种乳液不同比例的混合物。
4.如权利要求1或2所述的钢结构防火涂料，其特征在于所述的可膨胀石墨采用鳞片状，其长宽在0.5～3mm之间，厚度为0.1-0.5mm，膨胀后厚度可达到4～10mm。
5.如权利要求1或2所述的钢结构防火涂料，其特征在于所述的聚磷酸铵的聚合度n大于1000。
6.如权利要求1或2所述的钢结构防火涂料，其特征在于所述的发泡剂选自三聚氰胺、双氰胺、氯化石蜡、和尿素。
7.如权利要求1或2所述的钢结构防火涂料，其特征在于所述的无机填料选自二氧化钛、二氧化硅、氧化锌、氧化铝、硅酸钙、硅酸铝、和滑石粉。
8.如权利要求1或2所述的钢结构防火涂料，其特征在于所述钢结构防火涂料进一步包括重量百分含量为0.1-0.2％的润湿剂、0.1-0.8％的分散剂、0.02-0.1％的防腐剂、0.01-0.1％的消泡剂、0-4％的成膜助剂、和0.5-3％的增稠剂。
9.如权利要求8所述的钢结构防火涂料，其特征在于所述的增稠剂选自有机澎润土、聚丙烯酸盐、改性丙烯酸盐的水溶液、甲基纤维素、和羟乙基纤维素。
10.如权利要求8所述的钢结构防火涂料，其特征在于所述的润湿剂选自1，2-丙二醇、乙二醇和丙三醇。
11.如权利要求8所述的钢结构防火涂料，其特征在于所述的分散剂选自3-甲基丙烯酰氧基丙烯三甲氧基硅烷、二[焦磷酸二烷氧基酯]-2-羟基丙酸钛、二聚异丁烯顺丁烯二酸钠盐、二(亚磷酸二月硅酸酯)络四辛氧基钛和β-烷氧乙羧基二(焦磷酸二辛酯)钛。
12.如权利要求8所述的钢结构防火涂料，其特征在于所述的防腐剂选自1，2-苯并异噻唑啉-3-酮、苯并异咪唑氨基甲酸甲酯、2，4，5，6-甲氯间苯二腈、苯并异噻唑啉酮、和2-(4-噻唑基)苯并咪唑2-正辛基-4-异噻唑啉-3-酮。
13.如权利要求8所述的钢结构防火涂料，其特征在于所述的消泡剂选自聚甲基三乙氧基硅烷、甲基聚硅氧烷、二甲基聚硅氧烷、丙二醇聚氧丙烯聚氧乙烯醚和聚氧乙烯壬基苯醚。
14.如权利要求8所述的钢结构防火涂料，其特征在于所述的成膜助剂选自1，2-丙二醇、1，6-己二醇。
15.一种制备如权利要求1或2所述的钢结构防火涂料的方法，其特征在于所述的制备方法包括以下步骤当固体含量小于或等于70％时，先将季戊四醇加入到水中，升温到80℃溶解；在分散过程中往夹套中通入冷却水，高速分散5～60分钟；并加入所述基料，再低速分散5～40分钟；最后在加入所述增稠剂调节粘度后，搅拌2～15分钟。
16.一种制备如权利要求1或2所述的钢结构防火涂料的方法，其特征在于所述的制备方法包括以下步骤当固体含量超过70％时，将季戊四醇粉碎研磨到一定细度以后过筛，并与其它固体组分一起加入。
全文摘要
本发明提供一种水性环保超薄膨胀型钢结构防火涂料，该防火涂料以水作为分散介质，用鳞片状可膨胀石墨作为膨胀增强材料，用丙烯酸乳液、氯偏乳液等一种或多种乳液作为成膜物质，膨胀体系采用聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺等。其制备过程包括先将季戊四醇加入到水中，升温到80℃左右溶解，再加入固体组分，并高速分散，然后往分散罐夹套中通入冷却水使季戊四醇结晶析出的步骤。该防火涂料遇火后迅速膨胀发泡，能够使钢结构温度在2个多小时的时间内不会上升到临界温度540℃，从而有足够的时间灭火保证建筑物的安全。该防火涂料为水性超薄型，施工中无有毒气体释放，可以广泛应用于各种钢结构建筑，如体育场馆、歌剧院、高层建筑等。
文档编号C09D5/18GK1824716SQ200510132169
公开日2006年8月30日 申请日期2005年12月22日 优先权日2005年12月22日
发明者咸才军, 刘学军, 付若愚, 郭保文, 郭奋, 关延涛 申请人:北京首创纳米科技有限公司