防火型建筑水性无机涂料的研制

修改时间：2018年01月23日18:48:28电脑XF-E排图文yjj校对灭火剂与阻燃材料防火型建筑水性无机涂料的研制施秀琴1，姚浩伟2，晏建波3,4，代培刚3,4，梁栋5（1.河南省消防总队，河南郑州450008；2.郑州轻工业学院建筑环境工程学院，河南郑州450002；3.广东产品质量监督检验研究院，广东广州510670；4.国家消防产品质量监督检验中心（广东），广东广州510670；5.中山大学广东省消防科学技术重点实验室，广东广州510006）摘要：为了研制出具有优异环保性能和防火性能的建筑水（2）硅酸钠。硅酸钠溶液能渗入缝隙和孔隙中，固化的硅凝胶能堵塞毛细孔通道，提高材料的密度和强度，从而提高材料的抗风化能力。硬化后的主要成分为硅凝胶和固体，比表面积大，具有较高的黏结力。（3）硅溶胶。硅溶胶又称胶体二氧化硅，无毒、无臭，是纳米级二氧化硅颗粒在水中的分散液，粒径为1～100故硅溶nm。由于硅溶胶中的SiO2含有大量的水及羟基，胶的化学式可以写为mSiO2·nH2O。其Si2O含量一般为20%～30%。硅溶胶由于颗粒细小，能够通过毛细管作用渗透到基材内部，有良好的分散性和渗透性。渗透到基材内部的细小颗粒与某些无机盐、金属氧化物生成新的硅酸盐无机高分子化合物，有着较强的附着力。1.1.2乳液的选择选用有机硅改性苯丙乳液作为乳液与基料进行混合。有机硅改性苯丙乳液简称硅苯丙乳液，由有机硅单体对苯丙乳液进行改性得到，抗氧化和抗分解性能较好。有机硅分子体积大、表面张力小和内聚能密度低，具有良好的抗沾污性、透气性以及疏水性。因此，有机硅改性苯丙乳液能提高涂料的耐候性和稳定性。1.1.3填料的选择建筑涂料的填料需要具备耐高温、相对密度小、导热率低、粒径分布合理等特点。选用钛白粉、高岭土、滑石粉、纳米二氧化钛作为填料。（1）钛白粉。熔点达1800℃，光泽度高，着色力、遮盖力、耐久性良好，且易分散。（2）高岭土和滑石粉。熔点均在1500℃以上，可提高涂层热弹性和抗龟裂性。（3）纳米二氧化钛。白色疏松粉末，具有三维网状结构、大的比表面积、特殊的光学性能、化学结构稳定，有良好的分散性和耐候性。在涂料干燥时能够形成网状结构，形成致密的炭质层，提高涂料的强度、抗污性和光洁度，且保持涂料不褪色，可以抗紫外老化和热老化，提高涂料的隔热性能和耐候性。1.1.4助剂的选择为保证防火涂料具有优良性能，在涂料中还须加入各种助剂，以改善和提高防火涂料的物理和化学性能。虽然性无机涂料，以无机原料硅酸钾、硅酸钠、硅溶胶为基料，添加一定比例的有机硅改性苯丙乳液，再添加钛白粉、高岭土、滑石粉、纳米二氧化钛等填料以及涂料成膜助剂制备的水性无机涂料。测试结果表明：制得的涂料物理化学性能、环保性能、防火性能良好，可广泛用于建筑行业，社会经济效益、环保效益明显。关键词：涂料；环保性能；防火性能；水性；无机中图分类号：X932,TU545,TQ637.6文献标志码：A文章编号：1009-0029（2018）02-0235-03有机聚合物性涂料（乳胶漆内墙外墙涂料）具有优异的力学性能、易涂装、价格低廉等优点，被广泛应用在建筑的外墙和内墙装饰上。但有机聚合物型涂料的防火性和耐候性差，且会挥发出大量有机化合物，给建筑物造成了很大的消防压力，并对人体和环境造成伤害和污染。水性防火型无机涂料具有如下特点：基本不使用有机树脂和有机溶剂，生产、使用过程无污染；主要以硅酸盐、无机矿物、水等为原料，来源广、省能耗、成本低，易于制备；该类涂料燃烧阻火时不产生毒性气体和烟雾；产生的无机炭质隔热层强度高，能有效抵抗燃烧气流的冲击作用，阻火性能突出；表层表面硬度高，有较好的耐磨性、耐化学性和耐老化性；加工方便，干燥快捷，储存、运输安全。因此，开发防火性能优异的水性无机涂料具有重要的现实意义。1实验1.1主要原料的选择1.1.1基料的选择将硅酸钾、硅酸钠与硅溶胶混合作为涂料基料，其具有耐火、耐水、耐磨、耐盐雾和耐沾污等优点，能够降低水玻璃碱性并提高其模数及耐热性。（1）硅酸钾。硅酸钾发生反应能生成不溶于水的干膜，具有自干性，能与表面亲水基团的物质反应成膜，并且具有不燃性和无烟性，耐酸性能好，在空气中形成无定形硅酸凝胶，能够堵塞细小孔隙从而防止水渗透，并逐渐干燥固化，由于基料自然干燥很缓慢，可加入固化剂加速干燥和提高耐水性。基金项目：广东省质量技术监督局科技项目（2015CZ12）；广东省消防科学技术重点实验室开放基金项目（2016A01）；2017中国消防协会科学技术年会“青年消防学者论坛”交流论文消防科学与技术2018年2月第37卷第2期235修改时间：2018年01月23日18:48:28助剂用量很少，但对涂料性能的改善作用明显。（1）润湿分散剂。选用磺基琥珀酸二异辛脂钠（OT—75）作为润湿分散剂，OT—75能降低物质表面张力，增强渗透性，具有很强的润湿能力，能使涂料各组分融合为均一稳定体系。（2）消泡剂。选用NXZ消泡剂作为消泡剂，添加到涂料中不仅展现出良好的初期消泡性，而且在长期储存后仍表现出良好的消泡性。在使用时添加量少，不会影响涂膜的着色性及其他性能。（3）稳定剂。选用羧甲基纤维素钠（CMC—Na）作为稳定剂，CMC-Na呈白色纤维状或颗粒状粉末。无嗅，无味，有吸湿性，能使涂料的固体份均匀地分布于溶剂中，使涂料保持稳定，长期不分层。（4）pH调节剂。选用2—氨基—2—甲基—1—丙醇（AMP-95）作为pH调节剂，AMP-95能够调节涂料的pH，使涂料保持稳定，能改进涂料的性能，稳定涂料体系的黏度，同时还具有湿润、分散作用。（5）流平剂。选用有机硅丙烯酸酯流平剂（203）作为流平剂。流平剂分子结构中含有Si—O键，与涂料中的各种乳液及助剂相容性良好，能提高涂料的平滑性，消除刷痕，使涂料成膜平坦。1.2涂料配方防火型建筑水性无机涂料的具体配方,如表1所示。表1防火型建筑水性无机涂料的基本配方原材料质量分数原材料质量分数硅酸钾15%～30%润湿分散剂0.1%～0.5%基料硅酸钠5%～15%消泡剂0.1%～0.5%纳米硅溶胶5%～15%助剂稳定剂0.2%～1.0%乳液硅苯丙乳液5%～10%pH调节剂0～5%钛白粉20%～25%流平剂0.2%～2.0%高岭土填料10%～15%滑石粉10%～15%去离子水余量纳米二氧化钛1%～5%1.3实验仪器高速研磨分散机、调漆罐、分析测试设备等。1.4生产工艺流程水性无机涂料的生产工艺流程图,如图1所示。硅酸钾、硅酸钠、钛白粉、高岭土、硅溶胶硅苯丙乳液滑石粉润湿分散剂、消泡剂、流平剂分散研磨分散消泡剂、润湿分散剂、pH调节剂去离子水稳定剂成品分散纳米二氧化钛图1涂料生产工艺流程图1.5涂料制备方法（1）按比例配好钛白粉、高岭土、滑石粉、润湿分散剂、236消泡剂、流平剂、去离子水，混合后经过低速（800r/min）分散搅拌，再进行高速（2000r/min）研磨搅拌60min。（2）将按比例配好的硅酸钾、硅酸钠、硅溶胶、硅苯丙乳液、消泡剂、润湿分散剂、pH调节剂加入到（1）的体系中，低速（800r/min）分散搅拌10min。（3）在（2）的体系中加入纳米二氧化钛、稳定剂，低速（800r/min）分散搅拌30min，再用200目筛网过滤得到涂料成品。2涂料性能检测结果对制得的建筑水性无机涂料进行物理化学性能、环保性能以及防火性能检测。2.1物理化学性能防火型建筑水性无机涂料的理化性能检测按照JG/T26—2002《外墙无机建筑涂料》规定进行，检测结果如表2所示。表2涂料的理化性能检测结果项目JG/T26-2002要求检测结果结论容器中的状态无硬块，搅拌后呈均匀状态符合合格施工性刷涂2道无障碍符合合格涂膜外观涂膜外观正常符合合格对比率（白色或浅色）≥0.951.03合格热贮存稳定性（30d）无结块、凝聚、毒变现象符合合格低温贮存稳定性（3次）无结块、凝聚现象符合合格表干时间/h≤2＜2合格耐洗刷性/次≥1000＞1000合格耐水性（168h）无起泡、裂纹、剥落，允许轻微掉粉符合合格耐碱性（168h）无起泡、裂纹、剥落，允许轻微掉粉符合合格耐温变性无起泡、裂纹、剥落，允许轻微掉粉符合合格耐沾污性（白色或浅色）≤20%16.5%合格由表2可以看出，防火型建筑水性无机涂料的物理化学性能达到了设计要求，符合相关标准要求。2.2环保性能防火型建筑水性无机涂料的环保性能,应按照GB24408-2009《建筑外墙涂料有害物质限量》测定涂料中的有害物质含量，检测结果如表3所示。表3涂料中有害物质含量检测结果项目标准要求检测结果结论挥发性有机化合物（VOC）含量/g/L≤1500.85合格游离甲醛含量/mg/kg铅（Pb）重金属含量≤≤1000合格7.0合格/mg/kg镉（Cd）≤11000004.2合格汞（Hg）≤10000合格由表3可以看出，防火型建筑水性无机涂料中的有害物质含量都符合标准要求，并远远低于标准要求限值，环保性能优异。FireScienceandTechnology，February2018,Vol37,No.22.3防火性能防火型建筑水性无机涂料的防火性能按照GB8624-2006《建筑材料及制品燃烧性能分级》测定涂料的防火性能，检测结果如表4所示。表4涂料燃烧性能检测结果项目燃烧性能等级GB8624-2006要求检测结果结论炉内平均温升/℃≤5023合格试样平均持续燃烧时间/s5合格试样平均质量损失率A2≤20≤50%28%合格总热值PCS（匀制制品）/MJ/kg≤31.9合格由表4可以看出，防火型建筑水性无机涂料的燃烧性能达到GB8624-2006中A2级，即为不燃材料制品，防火性能良好。3结论以无机原料硅酸钾、硅酸钠、硅溶胶为基料，添加一定比例的有机硅改性苯丙乳液，再添加钛白粉、高岭土、滑石粉、纳米二氧化钛等填料以及涂料成膜助剂制备水性无机涂料。经测试，其物理、化学性能达到了设计要求，符合相关标准要求；涂料中的有害物质含量都符合标准要求，低于标准要求限值，环保性能优异；燃烧性能达到GB8624-2006中A2级，为不燃材料制品，防火性能良好。防火型建筑水性无机涂料的物理、化学、环保、防火性能良好，可广泛应用于建筑行业，社会经济效益、环保效益明显。参考文献：[1]张军科.水性防火涂料的研究进展[J].涂装与电镀，2008，（3）：22.[2]赵磊，赵建龙.水性防火涂料的研究进展[J].科教导刊,2014，（7）：126.[3]刘丹，王俊胜，林贵德，等.木材用水性膨胀饰面型防火涂料阻燃及烟气特性[J].消防科学与技术，2017，36（2）：237-241.[4]朱常兰.浅析建筑外墙涂料的应用[J].黑龙江科技信息，2016，（19）：238.[5]陈修宁，许宁，何程林.水性涂料现状及展望[J].涂料技术与文摘，2016，（3）：41-45.[6]王贤明，王华进，胡静，等.环保型防火涂料发展现状[J].涂料工业，2002，（12）：48-51.[7]纵恒，吴为亚.水性有机-无机复合防火涂料[J].消防科学与技术，2015，34（9）：1217-1219.[8]王新钢，张泽江，孟东伟，等.水性透明木材防火涂料研究[J].消防科学与技术，2016，35（11）：1587-1590.[9]林红岩，王春财，杨鸿伟.水性防火涂料配方研究[J].涂料工业，2010，40（5）：63-65.[10]陈春平，宋云龙.硅酸钾-硅溶胶基水性无机重防腐涂料的制备[J].广州化工，2015，43（19）：21-23.[11]赵景涛，张贵杰，邢旭腾.硅酸系耐高温防氧化涂料的研究[J].科技创新与应用，2015，（32）：97-98.[12]林美.硅溶胶-纯丙复合乳液反射隔热涂料的制备及性能[J].高分子材料科学与工程，2017，（3）：168-173.消防科学与技术2018年2月第37卷第2期修改时间：2018年01月23日18:48:28[13]PARKYHS，YANGIM，WUETALJP.Synthesisofsilicone-acrylicresinsandtheirapplicationtosuperweatherablecoatings[J].JournalofAppliedPolymerScience,2001,81:1614-1623．[14]李小兵，周顺清，余桂英，等.多功能水性纳米复合建筑隔热涂料的制备[J].化工新型材料，2015，（1）：55-57.Developmentoffire-resistantwaterborneinorganicbuildingcoatingsSHIXiu-qin1,YAOHao-wei2,YANJian-bo3,4,DAIPei-gang3,4,LIANGDong5(1.HenanGeneralFireBrigade,HenanZhengzhou450008,China;2.SchoolofBuildingEnvironmentEngineering,ZhengzhouUniversityofLightIndustry,HenanZhengzhou450002,China;3.GuangdongInstituteofProductQualitySupervisionandInspec⁃tion.GuangdongGuangzhou510670,China;4.NationalFireProd⁃uctQualitySupervisionandInspectionCenter(Guangdong),GuangdongGuangzhou510670,China;5.GuangdongProvincialKeyLaboratoryofFireScienceandTechnology,SunYat-senUniversity,GuangdongGuangzhou510006,China)Abstract:Inordertodevelopabuildingwater-basedinorganiccoatingwithgoodenvironmentalperformanceandfireperfor⁃mance,inorganicsilicatepotassiumsilicate,sodiumsilicate,silicasolwereusedasthebasematerial,addingcertainproportionofsili⁃conemodifiedstyrene-acrylicemulsion,andthentitaniumdioxide,kaolin,talc,nanometertitaniumdioxideandotherfillerandcoat⁃ingfilmpreparationagentwereaddedtopreparewater-basedinor⁃ganiccoatings,aftertesting,itsphysicalandchemicalproperties,environmentalperformance,fireperformanceisgood,canbewide⁃lyusedintheconstructionindustry,andsocialandeconomicbene⁃fits,environmentalbenefitsaresignificant.Keywords:coatings;environmentalperformance;fireperfor⁃mance;water;inorganic作者简介:施秀琴（1970-），女，河南安阳人，河南省消防总队高级工程师，主要从事消防监督管理工作，河南省郑州市金水区福元路158号，450008。通信作者：晏建波，广东产品质量监督检验研究院高级工程师。收稿日期：2017-09-20237