一种防火涂料的制作方法

1.本发明涉及一种防火涂料，具体公开了采用改性海泡石纤维浆料作为功能组分的防火涂料。


背景技术：

2.膨胀型防火涂料主要用于钢结构防火，经济和社会的发展推动了建筑事业的发展，大型建筑如展览馆、候机楼、大型商场、体育场馆和高级宾馆及工业厂房等不断增多，并且向着大型和美观的方向发展，其主要承重构件大都是钢结构。
3.为此，钢结构的防火越来越受到人们的关注。钢材虽然属于不燃材料，但它的耐火性能远比砖石结构和钢筋混凝土结构差，随着温度的升高，钢材的机械强度会下降。当温度升高到钢材的临界温度(一般为540℃)时，其屈服应力仅为常温的40％。钢材在高温火焰直接灼烧下，只有15min的耐火极限。使用防火涂料是一种钢结构建筑防火的比较理想的方法。钢结构防火涂料涂在钢构件表面，起到防火隔热保护作用，防止钢材在火灾中迅速升温而降低强度，避免钢结构失去支撑力而导致建筑物垮塌。
4.钢结构防火涂料一般可分为厚涂型、薄涂型和超薄型，从发展趋势看，超薄型钢结构防火涂料必将最终替代厚涂型和薄涂型防火材料，超薄型防火涂料的防火功能主要是由三种组成实现，用于形成炭层的碳源、用于催化碳源物质脱水形成炭层的酸源和产生发泡气体的气源，其防火性能有待进一步提高。目前，很多研究者尝试加入其它的防火或隔热组分，以进一步提高涂料的防火性能，其中海泡石、膨胀蛭石、膨胀珍珠岩是常见的功能隔热填料，有助于提高防火性能，但是目前对上述填料进行进一步改性以提升防火性能的研究还比较少。
5.海泡石，其理论结构式为mg8si
12
o30(oh)4(oh2)4·
8h2o，在其结构单元中，硅氧四面体和镁氧八面体相互交替，具有层状和链状的过渡型特征。正是由于这种独特的结构，海泡石具有良好的吸附性、流变性和催化性，海泡石矿物纤维在水和其他高中等极性溶液中,纤维束易解散形成不规则的纤维网络,可在低浓度下形成高黏度的稳定悬浮液。在海泡石表面存在大量的si
‑
oh基,有很强的亲和力。海泡石可以分出3种类型吸附活性中心：
①
硅氧四面体中的氧原子；
②
在八面体侧面与镁离子配位的水分子；
③
在四面体外的表面由si
‑
o
‑
si键破裂而产生的si
‑
oh离子团。这些si
‑
oh离子团，能与海泡石外表吸附的分子相互作用，并具有与某些有机试剂形成共价键的能力。海泡石的比表面积高，孔隙率大；且其熔点为1500℃～1700℃，具有良好的热稳定性。海泡石中丰富的镁、硅等元素本身就是极好的卤阻燃元素，使其在阻燃研究中成为一种潜在的环境友好型阻燃剂或阻燃协效剂，且其来源广泛，无毒无害，将其应用于阻燃中有可能会达到很好的阻燃抑烟效果。海泡石具有良好的热稳定性，在燃烧过程中能保持骨架稳定，起到保护炭层的作用，而海泡石抑烟作用的原因是其多孔的结构使得其具有很大的比表面积，也就决定了其良好的吸附功能。同时，由于孔道空气导热系数远小于固体导热系数,即海泡石具有良好的阻热效果。因此将海泡石用作防火涂料或防火板的填料应当有助于提高防火涂料或防火板的耐火性能。
6.目前涂料和防火板行业中将海泡石作为防火填料具有广泛的应用，但是目前在在防火涂料或防火板材领域，其都是作为涂料或防火板领域常规的防火填料，与其他填料一同加入涂料或防火板浆料中进行分散。但是，申请人发现添加了大量海泡石纤维的涂料或防火板浆料存在多个问题：(1)相对于膨胀蛭石、氢氧化镁、三氧化二锑等阻燃剂，其阻燃性能有待进一步提高；(2)涂料或防火板在干燥固化的过程中，干燥时间过长，大幅度降低生产效率，这是因为海泡石具有良好的吸水性和保水性，吸水之后的海泡石形成阻水屏障，阻挡水由内向外表面的扩散，导致涂料漆膜、防火板出现表干，但实际内部不干的情况，也就是表干虽快，但实干时间较长；(3)在实际生产工艺中，加入量较大的海泡石的瞬间，体系粘度急剧提升，这样会破坏分散体系稳定性，导致分散时间延长、生产效率降低、分散效果不好的问题。以防火涂料为例，这是因为海泡石本身还具有增稠剂的作用，其入水时会快速吸水絮凝状，不仅吸水量大，而且会迅速提高水性涂料分散体系的粘度，这样会导致已经分散好的颜填料重新团聚，而且使得高分子胶束稳定性降低，严重的话会发生沉降。


技术实现要素：

7.本发明提供了一种防火涂料，包含如下重量百分比的组分：水性树脂乳液40
‑
60％、防火型海泡石纤维浆料5
‑
20％、涂料助剂、其他填料10
‑
30％，膨胀型阻燃剂8
‑
12％，和水10
‑
30％；其中，膨胀型阻燃剂由低分子类碳源、成炭催化剂和发泡剂组成，低分子类碳源为季戊四醇、双季戊四醇或三季戊四醇，成炭催化剂为磷酸二氢铵、磷酸一氢铵、偏磷酸铵、次磷酸铵、亚磷酸铵、亚磷酸、偏磷酸和/或正磷酸，发泡剂为双氰胺、草酸铵、尿素或六次甲基四胺；其中，按照质量比，低分子类碳源、成炭催化剂和发泡剂的重量比为(1
‑
2):(1
‑
2)：(0.5
‑
1.5)；防火型海泡石纤维浆料包含如下重量份数的组分：改性海泡石绒20
‑
50份，滑石粉5
‑
10份、植物胶粉10
‑
15份、聚丙烯纤维10
‑
20份、纤维素醚1
‑
5份、表面活性剂1
‑
3份、去离子水40
‑
150份，所述浆料的制备方法为：
8.(1)改性海泡石绒的制备：酸活化：将海泡石与酸液按照固液重量比1:(1
‑
1.5)的比例进行混合，搅拌，时间为10
‑
12h，其中酸液含有体积分数为1
‑
3％的混合酸，得到第一海泡石浆料；其中，混合酸为盐酸与磷酸的混合，其摩尔比为1：(0.8
‑
1.2)；
9.(2)碱中和：将酸活化后的第一海泡石浆料与氨水按照固液重量比1:(1
‑
1.5)的比例进行混合，搅拌，时间为10
‑
12h，得到第二海泡石浆料，其中，酸液中混合酸和氨水的摩尔比为(0.9
‑
1):1；
10.(3)在第二海泡石浆料中边搅拌边依次加入滑石粉、植物胶粉、聚丙烯纤维、纤维素醚、表面活性剂，即得防火型海泡石纤维浆料。
11.优选的，水性树脂乳液是聚氨酯乳液，聚丙烯酸酯乳液，苯丙乳液，醋丙乳液。
12.优选的，涂料助剂包括消泡剂、流平剂、分散剂、增稠剂和/或润湿剂。
13.优选的，其他填料包括钛白粉、立德粉或重质碳酸钙。
14.优选的，所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、辛基酚聚氧乙烯醚、十六烷基三甲基溴化胺、聚乙烯吡咯烷酮或月桂醇硫酸钠。
15.优选的，所述植物胶粉为黄原胶粉、瓜尔豆胶粉、罗旺子胶粉、洋槐豆胶粉、刺云豆胶粉、魔芋胶粉中的任意一种或多种的组合。
16.优选的，所述纤维素醚为羟乙基纤维、羟丙基纤维、甲基羟乙基纤维素、乙基羟乙
基纤维素、甲基羟丙基纤维素、甲基纤维素或黄原胶。
17.优选的，所述酸液含有体积分数为2％的混合酸，混合酸为盐酸与磷酸的混合，其摩尔比为1：1。
18.优选的，所述滑石粉的目数为400
‑
600目。
19.优选的，所述步骤1中，搅拌的速度为300
‑
500转/分钟，所述步骤2中，搅拌的速度为500
‑
800转/分钟，所述步骤3中，搅拌的速度为800
‑
1200转/分钟。
20.采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：
21.(1)酸活化的作用有二，其一，酸液中的h

取代骨架中的mg
2
，si
‑
o骨架生成si
‑
oh基，清除了海泡石层间和孔道里的碳酸盐杂质，使得海泡石内部通道连通，微孔发展成中孔，微孔比率减少，中孔比率增大，极大提升海泡石的比表面积，其二，更重要的是通过减少mg
2
的活性中心，能够降低其吸水性，实现海泡石失水和保水性能的平衡。
22.(2)酸液中采用盐酸的目的在于相对于硝酸和硫酸，盐酸不仅具有强酸的作用，其含有卤素氯，能够提升海泡石的整体防火性能。
23.(3)碱液处理是对强酸活化的海泡石浆料进一步处理，氨水与强酸活化析出的镁离子形成稳定的氢氧化镁固体，反应生成的氢氧化镁均匀分散在孔道中，不堵塞孔道的同时，提升海泡石结构强度和热稳定性，同时还避免了浆料中存在的镁离子对防火涂料和防火板的防腐蚀性和防水性的不利影响。另外，更为关键的作用在于生成的氢氧化镁本身是优良的阻燃剂，其在40℃的开展逐渐分解，吸收大量热量并释放水，在防火材料中主要起阻燃剂、发泡剂和消烟的作用，在火焰和高温下，不会分解成气体化合物而烧失，以它的稳定性可以起到经久耐燃的作用，进而提升还海泡石的热稳定性，与海泡石特殊的多空结构配合作用，产生极好的阻燃性能。
24.(4)在氨水与溶解在酸液中的镁离子生成氢氧化镁的同时，氨水与磷酸还会生成磷酸铵，磷酸铵是防火领域常见的脱水成炭催化剂，它在高温下生成聚磷酸，聚磷酸又能与多羟基化合物发生强烈的酯化反应并脱水，引发膨胀过程。
25.总而言之，通过连续的酸化和碱化处理，在增加海泡石比表面积的同时，通过浓度和具体物质的选择，优化了海泡石的吸水性能，改善了海泡石浆料产品的固化时间，同时，通过氢氧化镁和磷酸铵的生成，还显著提高了海泡石浆料的防火性能，进而显著改善防火涂料的阻燃性能。
26.如果盐酸和氨水用量过高，会导致磷酸镁堵塞通道，用量过低无法实现提升热稳定性、降低镁离子浓度的作用。磷酸溶液应当缓慢滴加，避免磷酸在海泡石分散浆料中局部富集，产生大量的磷酸镁堵塞通道。
27.(5)滑石粉降低了浆料的成本并提高产品的强度，聚丙烯纤维的加入提升了产品的抗开裂性能，表面活性剂的加入改善了聚丙烯纤维的亲水性，进而进一步改善了浆料的失水保水平衡性能，最终改善了防火涂料的固化干燥性能。
具体实施方式
28.下面结合具体实施例对发明的技术方案进行详细说明。
29.实施例1
30.本实施例提供一种防火型海泡石纤维浆料，该防火型海泡石纤维浆料包含如下重
量份数：改性海泡石绒30份，滑石粉5份、植物胶粉12份、聚丙烯纤维15份、纤维素醚3份、表面活性剂2份、去离子水80份，其制备方法为：
31.(1)改性海泡石绒的制备：酸活化：将海泡石与酸液按照固液重量比1:1.5的比例进行混合，搅拌，时间为12h，其中酸液含有体积分数为2％的混合酸，得到海泡石浆料1；其中，混合酸为盐酸与磷酸的混合，其摩尔比为1：1；
32.(2)碱中和：将酸活化后的第一海泡石浆料与氨水按照固液重量比1:1.5的比例进行混合，搅拌，时间为12h，得到第二海泡石浆料，其中，酸液中混合酸和氨水的摩尔比为1:1；
33.(3)在第二海泡石浆料中边搅拌边依次加入滑石粉、植物胶粉、聚丙烯纤维、纤维素醚、表面活性剂，即得防火型海泡石纤维浆料a。
34.实施例2
35.在实施例1的基础上，将步骤(1)将海泡石与酸液按照固液重量比由1:1.5的比例改变成按照固液重量比1:2的比例，其他制备步骤相同，得到防火型海泡石纤维浆料b
36.实施例3
37.在实施例1的基础上，将步骤1中盐酸替换成硫酸，其他制备步骤相同，得到防火型海泡石纤维浆料c。
38.实施例4
39.在实施例1的基础上，将步骤2中氨水替换成氢氧化钠溶液，其他制备步骤相同，得到防火型海泡石纤维浆料d。
40.实施例5
41.在实施例1的基础上，将表面活性剂替换成去离子水，其他制备步骤相同，得到防火型海泡石纤维浆料e。
42.实施例6
43.按照重量百分比，将防火型海泡石纤维浆料10％、涂料助剂和填料20％，膨胀型阻燃剂10％，聚氨酯乳液40％和自来水20％在高速分散机中以1000转/分钟进行搅拌得到防火涂料，通过采用实施例1
‑
5制备得到的防火型海泡石纤维浆料a、b、c、d、e从而得到防火涂料a、b、c、d、e。
44.防火性能测试
45.将其涂在打磨处理过的150mm
×
150mm
×
4mm木板上，每次涂0.2毫米厚左右，涂刷间隔1天，涂5次使木板涂层厚度为(1
±
0.05)毫米左右，在35℃烘箱中鼓风烘干。将测试样板放在铁圈上，涂层面朝下，铁圈与酒精喷灯口垂直距离为7厘米，待火焰温度升到1000℃时，将喷灯移到测试样板下燃烧防火涂层，并将用保温材料包裹的温度传感器头固定于木板背火面每5分钟记录一次背面温度。燃烧测试时间为80分钟。
46.根据gb14907测试防火涂料实干时间和表干时间。
47.表1防火涂料性能
48.样品类型防火型海泡石纤维浆料类型背火温度实干时间(小时)表干时间(小时)涂料a防火型海泡石纤维浆料a58114涂料b防火型海泡石纤维浆料b72193涂料c防火型海泡石纤维浆料c74183
涂料d防火型海泡石纤维浆料d75163.5涂料e防火型海泡石纤维浆料e73222.5
49.由此可见，添加了特殊工艺改性过的防火型海泡石纤维浆料的防火涂料的阻燃性能和综合固化干燥时间(主要是实干时间)具有大幅度改善。同时，在实施例6的制备过程中发现，经过海泡石的处理和浆料的预制明显降低了海泡石产品加入涂料中时涂料分散体系的粘度快速上升的趋势，保持了良好的稳定性和分散效率。