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　　周娟，李惠萍，胡子昭，茹春

　　0引言

　　防火涂料涂覆于可燃件基材表面能降低被涂材料表面的可燃性，阻滯火災的迅速蔓延，或是涂覆于結(jié)構(gòu)材料表面，用于提高構(gòu)件耐火極限。目前國內(nèi)高性能防火涂料均為水性乳液膨脹型防火涂料。水性膨脹型防火涂料的特點是：以水作分散介質(zhì)、成本低、無毒、不污染環(huán)境、常溫干燥，不僅具有防火性能，也有很好的裝飾性能，涂層在常溫下是普通涂膜，在火焰或高溫作用下，可產(chǎn)生比原來涂層厚幾十倍甚至 上百倍的不易燃海綿狀炭質(zhì)層，起到有效阻止外部熱源的作用，同時產(chǎn)生不燃性氣體，如：CO2、NH3、HCl、HBr和水蒸氣等，降低可燃性氣體的濃度和空氣中氧的濃度，從而起到防火阻燃作用。水性膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的主要成分是乳液基料、膨脹體系和無機填料、助劑等。膨脹體系由發(fā)泡劑、成炭劑、脫水成炭催化劑組成。本研究選用親水性水溶性聚合物水性乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液為基料。采用APP-MEL-PER為防火阻燃體系，通過添加一些高分子聚合物填料和助劑制備了一種性能優(yōu)異的水性膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。

　　 1試驗部分

　　1.1主要原料

　　乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液（BJ-707乳液），北京東方石油化工有限公司；聚磷酸銨（APP）、三聚氰胺（MEL）、季戊四醇（PER），山東省東營市京東化工有限公司；羧甲基纖維素鈉、聚乙烯醇、聚乙二醇，濟南樂邦化工有限公司；氯偏乳液，上海天銀化工科技有限公司；助劑均為市售。

　　1.2防火涂料制備方法

　　防火涂料配方見表1，按配方稱取一定量的固體組分混合，用研缽充分研磨后加入到用水稀釋好的乳液中，加入消泡劑、分散劑等助劑，機械攪拌器200r/min條件下攪拌10min，然后800r/min條件下攪拌1h得到防火涂料。

　　1.3性能檢測

　　1.3.1耐火性能測試樣品的制備

　　將制備好的防火涂料均勻涂刷在打磨除銹后的150mm×80mm×2mm鋼板上。每次涂刷厚度約0.1mm，將涂刷好的鋼板放在50℃的鼓風干燥箱中表干后重復涂7～8次，直至厚度達到（2.5±0.2）mm，在室溫下進行干燥直至鋼板質(zhì)量不再變化。

　　1.3.2防火涂料耐火時間的測試

　　自制的簡易燃燒測試裝置見圖1，涂層樣板固定于鐵架臺的鐵圈上方，涂層朝下，樣板與酒精噴燈口的垂直距離為5～7cm，使用紅外測溫槍測量燃燒過程中鋼板背后的溫度變化。將酒精噴燈放到測試樣板的下方，使火焰直接燃燒防火涂層，并開始計時。把鋼板背面溫度升至400℃的時間作為涂層的耐火極限時間。

　　1.3.3涂層燃燒前后形貌分析

　　采用數(shù)碼相機拍攝防火涂層燃燒前后的變化情況，以評價涂層的阻燃性能。 

　　2結(jié)果與討論

　　2.1阻燃體系各組分配比的確定

　　影響涂料防火性能的因素有多種，并且各因素之間存在相互制約的關(guān)系，如果按照常規(guī)的單因素變量來考察每個因素的影響，工作量大而繁瑣。正交水平試驗設計是一種行之有效的方法，它不僅能夠縮減試驗次數(shù)，而且能夠?qū)⒏饕蛩亻g的相互關(guān)系考慮進去。本次試驗，在其他組分比例不變的條件下，選用L9（34）正交設計考察了膨脹型阻燃體系中APP/MEL/PER3組分對涂料耐火性能的影響。正交試驗的因子水平見表2。以涂層的耐火時間為評價標準，所得結(jié)果見表3。

　　表3的正交試驗結(jié)果表明，因子APP的極差**大，為15.47，因子MEL的極差明顯低于因子APP的極差，為4.77。因子PER的極差**小，可見，影響耐火時間的因子由主至次的順序為：APP＞MEL＞PER，即APP對涂層的耐火性能影響**大，MEL次之，PER**小，三者的**佳質(zhì)量比為11∶6∶4。

　　2.2阻燃體系含量對防火涂料耐火性能的影響

　　本文研制的防火涂料以聚磷酸銨、季戊四醇、三聚氰胺為阻燃體系，以乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液為成膜物質(zhì)，僅改變膨脹阻燃體系在涂料中的用量，試驗現(xiàn)象見表4，耐火時間變化見圖2。

　　由圖2可以發(fā)現(xiàn)，隨著膨脹體系用量的增加，涂料的耐火性能先是有所提高，當阻燃體系質(zhì)量分數(shù)超過45％時，其耐火性能又開始下降。而由試驗現(xiàn)象可知，阻燃體系用量的增多對膨脹炭層的影響較大，若用量過少，炭層在膨脹的過程中易形成不致密、大小不均的多孔炭層，甚至使膨脹炭層脫落。另外，若體系中阻燃體系的含量過多，涂料的固含量太多，涂膜性能不好，成膜物質(zhì)不能有效地將膨脹體系黏結(jié)在一起，涂膜的附著力和理化性能都會下降，影響了涂層的防火性能。因此，當阻燃體系質(zhì)量在涂層中占45%時，膨脹倍率適中，防火性能和理化性能等綜合性能較好。

　　2.3基料的用量對防火性能的影響

　　基料在涂料中不僅作為成膜物質(zhì)，而且對阻燃體系和助劑體系起著分散的作用，基料的用量不同，將對涂料性能有不同的影響。一般來說，乳液本身不具備阻燃性能，但是在乳液的合成過程中，往往引入一定的阻燃劑，具有一定的阻燃效果，但其對整個防火阻燃體系的貢獻確是相當有限。但是乳液中的固體成分，在阻燃的時候卻起到了一定的積極作用，參與了成炭的過程，在用量適當?shù)臅r候，對膨脹炭層的質(zhì)地起到了有益的作用，從而也影響涂料的阻燃性能。為了確定基料用量對涂料性能的影響，在不改變防火阻燃體系用量的情況下，僅改變基料用量，組成不同配方進行試驗，結(jié)果見表5和圖3。

　　由表5和圖3可以看出，基料的用量對涂料的耐火性能有很大的影響。若基料用量過少，則膨脹炭層與底材之間的附著力較小，且在火焰的沖擊下，炭層容易產(chǎn)生裂縫，大塊脫落，阻燃時間也較短。若基料用量過多，阻燃體系用量將相對較少，涂料遇火膨脹時不能形成均勻的空隙結(jié)構(gòu)，從而導致發(fā)泡率降低，炭層厚度則相對較小。從試驗結(jié)果可知，基料質(zhì)量分數(shù)在25％左右時防火效果**佳，膨脹倍率也較高。

　　2.4 增稠劑對增稠效果的影響

　　由于在防火涂料的施工過程中會經(jīng)常有垂直面，或者內(nèi)部頂部的涂刷，這樣如果涂料黏度過低，會造成一次涂刷掛壁涂層量少，造成涂刷次數(shù)增多，而增加施工成本。因此要達到一定的黏度以提高涂料在市場的競爭力。涂料增稠劑的種類很多，本試驗選用羧甲基纖維素鈉、聚乙烯、聚乙二醇來進行比較。將聚合物進行熱溶（70～80℃），其中羧甲基纖維素鈉溶液質(zhì)量分數(shù)1%，聚乙烯醇溶液質(zhì)量分數(shù)1%，聚乙二醇質(zhì)量分數(shù)2%，試驗結(jié)果見圖4。

　　羧甲基纖維素鈉的增稠效果比較明顯，這與其具有較強的吸水性相吻合。羧甲基纖維素鈉溶液的質(zhì)量分數(shù)達到10%時，放置可以成凍狀，而試驗中溶液配制成質(zhì)量分數(shù)1%，具有穩(wěn)定的流動性和一定的黏度，可以明顯觀察到對涂料起到了一定的增稠效果。

　　2.5防火涂料燃燒前后的形貌分析

　　圖5是通過數(shù)碼相機拍攝的涂層在燃燒前后的形貌變化。

　　在燃燒初期，涂層在高溫灼燒下開始受熱熔融，隨著燃燒的繼續(xù)，APP開始分解，釋放出不燃性氣體，同時生成的磷酸、聚磷酸或焦磷酸等物質(zhì)催化PER和乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液脫水成炭，PER脫水生成的水蒸氣和MEL分解產(chǎn)生的不燃性氣體使已處于熔融狀態(tài)的涂層膨脹發(fā)泡，形成致密的炭化層；炭化層在持續(xù)的高溫灼燒下，炭化層中的碳逐漸被空氣中的氧氣消耗形成二氧化碳逸出體系，同時有一部分附著力稍弱的炭化層在火焰的沖擊下被氣流帶走，**后剩下灰白的膨脹炭層。

　　 3結(jié)語

　　1）采用正交試驗設計方案，得出膨脹型阻燃劑中聚磷酸銨、三聚氰胺和季戊四醇的**佳配比為m（APP）∶m（MEL）∶m（PER）=11∶6∶4，阻燃效果**佳。

　　2）在乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液中添加膨脹型阻燃體系的質(zhì)量分數(shù)為45%左右時，涂料的耐火時間**長。本防火涂料選用乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液，質(zhì)量分數(shù)在25%左右為宜。

　　3）添加一定量的羧甲基纖維素鈉溶液，對涂料具有一定的增稠效果，可防止涂料涂刷時流掛。