阅读说明：本技术 一种疏水高效防火涂料及其制备方法 (Hydrophobic efficient fireproof coating and preparation method thereof ) 是由 翟勇强 朱红芳 杨正高 陈钢 周侃 左晓佛 于 2019-10-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及防火涂料技术领域,尤其涉及一种疏水高效防火涂料及其制备方法。该防火涂料的制备方法包括：将成膜物、改性剂和气凝胶粉加入分散设备中搅拌混合均匀,再在搅拌状态下升温至80-100℃保温2-3h；将分散好的浆料移入研磨装置中,降温至5-10℃后研磨至细度达到35-45μm；将颜填料加入到研磨好的浆料中,研磨分散均匀；再移入分散设备中,降温至5-10℃后,依次加入水、阻燃剂和助剂分散；停止分散,过筛,打包。本发明将成膜物、改性剂与气凝胶粉混合后升温分散,再降温研磨,气凝胶粉表面被包覆,阻止了水分或其它小分子物质进入气凝胶粉孔洞,解决了气凝胶粉在涂料中应用分散性差、易失效的问题,使得防火涂料在受热前期导热系数明显降低,耐火时间延长。(The invention relates to the technical field of fireproof coatings, in particular to a hydrophobic high-efficiency fireproof coating and a preparation method thereof. The preparation method of the fireproof coating comprises the following steps: adding the film forming matter, the modifier and the aerogel powder into a dispersing device, stirring and mixing uniformly, and then heating to 80-100 ℃ under a stirring state and preserving heat for 2-3 h; transferring the dispersed slurry into a grinding device, cooling to 5-10 ℃, and grinding until the fineness reaches 35-45 μm; adding the pigment and the filler into the ground slurry, and uniformly grinding and dispersing; transferring into a dispersing device, cooling to 5-10 ℃, and then sequentially adding water, a flame retardant and an auxiliary agent for dispersing; stopping dispersing, sieving and packaging. According to the invention, the film forming material, the modifier and the aerogel powder are mixed, heated and dispersed, and then cooled and ground, so that the surface of the aerogel powder is coated, water or other small molecular substances are prevented from entering pores of the aerogel powder, the problems of poor dispersibility and easy failure of the aerogel powder in the coating are solved, the heat conductivity coefficient of the fireproof coating is obviously reduced in the early stage of heating, and the fire-resistant time is prolonged.)

一种疏水高效防火涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及防火涂料技术领域，尤其涉及一种疏水高效防火涂料及其制备方法。

背景技术

膨胀型防火涂料是一种功能性防护涂料，在发生火灾时能够在被涂布表面形成一层相对其漆膜厚度几十倍甚至上百倍的致密碳层，其导热系数最低可达0.002W·(m·K)^-1，有效起到隔热隔氧保护基材的作用，同时又具有密度低、易施工、成本低、可用于各种复杂形面等优点，被广泛应用于钢结构、电缆、天花板、墙壁、隧道和飞机等诸多场所的防火保护。

膨胀型防火涂料主要由基料乳液(成膜物质)、膨胀阻燃体系、无机填料、助剂等组分组成。其中，膨胀阻燃体系包括脱水催化剂、成炭剂和发泡剂等，其对防火涂料的酯化-膨胀-炭化过程具有决定性的作用。膨胀型防火涂料的防火机理为：防火涂料中的成膜物质受热熔融***，催化脱水剂与成炭剂反应生成粘稠态的酯化产物，发泡剂热分解产生惰性气体使得熔融态成膜物质和粘稠态酯化产物的混合体膨胀形成致密的防火隔热层，膨胀倍率可达涂层厚度的10-100倍，在火焰与钢结构之间形成绝热屏障，减缓热量的向内传递，提高被保护基材的耐火时间。

以目前最通用的APP-PER—MEL(聚磷酸铵-季戊四醇-三聚氰胺)膨胀体系为例，受热时季戊四醇先熔融，随后催化剂聚磷酸铵在265℃附近开始分解，生成的磷酸及多聚磷酸与炭化剂季戊四醇在气相发生酯化反应，体系中的胺可作为酯化的催化剂。发泡剂三聚氰胺在稍高的温度(约350℃)下分解释放氨气等不燃性气体，与反应中生成的水蒸气同时使熔融体系发泡膨胀；与此同时，多元醇和酯脱水炭化，形成无机物及炭化残余物，且体系进一步发泡膨胀。反应接近完成时，体系逐渐失去流动性而胶化、固化，形成多孔的泡沫炭层。

火灾发生时的热量传递过程对应公式为Q＝(Aλ△T)/L。由公式可知热量Q值的大小与传热介质的热传导率λ和热量的传递距离L有关。

λ值随膨胀程度发生变化，极值可达0.02W·(m·K)^-1左右，与空气的λ值相近。此外，膨胀过程扩大了热量的传递距离L。以上两方面的作用阻止热量向被保护基材的传递，使传递到被保护基材的热量Q降低，从而减缓了被保护基材的温度上升速率，提高了其耐火时间。

由于从室温至350℃区间膨胀体尚未形成，防火涂料的λ值接近于1W·(m·K)^-1，L值也只有原始厚度大小，进而导致被保护基材在受热前期吸收大量的热量，如能在前期使其具有较低的导热系数，则其耐火时间将大大延长。

气凝胶是具有纳米网状多孔结构，空隙中充满气态分散介质的一种高分散固态材料。其孔隙率可达99.8％，空洞尺寸小于70nm，密度仅为空气的2.75倍，是当今世界最轻的固体材料。气凝胶材料具有低导热系数、耐高温、不燃、超疏水性等特点。

将气凝胶用于膨胀型防火涂料不仅可以解决防火涂料的耐水问题，还可以有效降低防火涂料受热前期的导热系数，进而提高防火涂料的整体耐火时间；但由于气凝胶具有很高的比表面积，很难均匀分散到防火涂料体系中，同时又容易被水分子及小分子溶剂破坏，进而导致其隔热效率降低甚至于失效，因此限制了其在膨胀型防火涂料中的应用。

发明内容

针对以上技术问题，本发明提供一种疏水高效防火涂料及其制备方法，不仅解决气凝胶在膨胀型防火涂料中的分散问题，而且保持气凝胶粉不失效，改善了防火涂料的耐水问题，同时大大提升了防火涂料的耐火时间。

本发明提供一种疏水高效防火涂料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将成膜物、改性剂和气凝胶粉按比例加入到分散设备中，搅拌混合均匀，再在搅拌状态下升温至80-100℃保温2-3h；

(2)将步骤(1)中制备好的浆料移入带有冷却设备的研磨装置中，降温至5-10℃后研磨；

(3)将颜填料加入到步骤(2)研磨好的浆料中，研磨分散均匀；

(4)将步骤(3)中的浆料移入分散设备中，降温至5-10℃，开始分散并依次加入水、阻燃剂和助剂；

(5)将步骤(4)得到的浆料过筛，打包，即得；

防火涂料由以下重量份的原料组成：阻燃剂30-60份，成膜物15-25份，颜填料10-20份，气凝胶粉1-5份，改性剂1-5份，助剂1-5份，水10-30份。

进一步的，步骤(2)中浆料细度研磨至35-45μm，步骤(3)中浆料细度小于45μm。

本发明还提供一种由上述制备方法制备的疏水高效防火涂料。

进一步的，气凝胶粉为SiO₂气凝胶，Al₂O₃气凝胶，TiO₂气凝胶，炭气凝胶、SiO₂/Al₂O₃气凝胶、SiO₂/TiO₂气凝胶中的一种或几种。优选的，气凝胶粉为SiO₂气凝胶，其孔隙率≥90％，孔径在20-50nm之间，体积密度在50-100kg/m³。

进一步的，阻燃剂由酸催化剂、成炭剂、发泡剂、抑烟剂按(15-30):(5-15):(5-15):(3-5)的重量比组成。

进一步的，酸催化剂为聚磷酸铵、磷酸二氢铵、磷酸氢铵、多聚磷酸、三聚磷酸钾、磷酸三聚氰胺、磷酸双三聚氰胺、聚磷酸三聚氰胺、焦磷酸三聚氰胺、有机磷酸酯、硼酸盐或酯及衍生物中的一种或几种。优选的，酸催化剂为聚磷酸铵及聚磷酸三聚氰胺中的一种或两种。

进一步的，成炭剂为季戊四醇及衍生物、山梨醇、蔗糖、淀粉、纤维素及衍生物、膨胀石墨中的一种或几种。优选的，成炭剂为季戊四醇及衍生物中的一种或几种。

进一步的，发泡剂为三聚氰胺、三聚氰胺磷酸盐、三聚氰胺多磷酸盐、三聚氰胺硼酸盐、尿素、三聚氰胺甲醛树脂、氯化石蜡中的一种或几种。优选的，发泡剂为三聚氰胺。

进一步的，抑烟剂为硼酸盐、氢氧化镁、氢氧化铝、氢氧化钾、二氧化硅、氧化铁、氧化锌、氧化铝、氧化镁及稀土金属中的一种或几种。优选的，抑烟剂为氧化锌及二氧化硅中的一种或几种。

进一步的，成膜物为乙烯基聚合物、离聚物、丙烯酸类聚合物、丙烯酸酯类聚合物、热塑性聚氨酯、密胺聚合物中的一种或几种。

进一步的，改性剂为聚丙烯酰胺、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、硅油、硬脂酸锌、三聚氰胺甲醛树脂、铝酸酯偶联剂中的一种或几种。

进一步的，助剂为润湿分散剂、消泡剂、流平剂、杀菌剂、增稠剂、防冻剂、酸催化剂、pH调节剂中的一种或几种。

进一步的，颜填料为钛白粉、硅灰石、高岭土、滑石粉、硫酸钡、硅藻土、玻璃微珠、玻璃棉、玄武岩棉中的一种或几种。

本发明的疏水高效防火涂料及其制备方法，具有以下有益效果：

(1)本发明的疏水高效防火涂料的制备方法，将成膜物、改性剂与气凝胶粉混合后升温分散，再降温研磨，使得成膜物和改性剂将气凝胶粉包覆，气凝胶粉由裸露状态变成树脂包覆状态，阻止了水分或其它小分子物质进入气凝胶粉孔洞，解决了气凝胶粉在涂料中应用分散性差、易失效的问题，提高了防火涂料的耐水性能，使得制备得到的防火涂料可充分利用气凝胶粉的纳米孔网格结构，极大限制了对流换热，在受热前期导热系数明显降低，耐火时间延长。

(2)本发明的疏水高效防火涂料的制备方法，将经分散研磨后的气凝胶粉、成膜物、改性剂等原料组分与阻燃剂等继续混合分散，由于聚磷酸铵等酸催化剂研磨后会破坏原料界面、影响性能，因此只进行分散处理，同时为了提高防火涂料的分散均匀性，将研磨后的浆料细度控制在与酸催化剂细度近似的35-45μm之间，使得制备得到的防火涂料中各原料分散均匀，且较细的涂料细度使得涂料涂覆效果佳，使用效果优良。

(3)本发明的疏水高效防火涂料，引入气凝胶粉原料，并通过与树脂类成膜物等原料的混合，实现对气凝胶粉的包覆，有效保留了气凝胶粉内部的孔洞网格结构，保证了气凝胶粉的隔热性能。使得涂料具有优异的耐火、耐水效果，防火时间延长20min以上。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明的疏水高效防火涂料各实施例和对比例的耐水性测试图；

图2为本发明的疏水高效防火涂料各实施例和对比例的碳层形貌图；

图3为本发明的疏水高效防火涂料各实施例和对比例的耐火时间与温度关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

一种疏水高效防火涂料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将成膜物、改性剂和气凝胶粉按比例加入到分散设备中，搅拌混合均匀，再在搅拌状态下升温至80-100℃保温2-3h；

(2)将步骤(1)中制备好的浆料移入带有冷却设备的研磨装置中，降温至5-10℃后研磨，浆料细度研磨至35-45μm；

(3)将颜填料加入到步骤(2)研磨好的浆料中，研磨分散均匀，浆料细度小于45μm；

(4)将步骤(3)中的浆料移入分散设备中，降温至5-10℃，开始分散并依次加入水、阻燃剂和助剂，浆料细度小于45μm；

(5)将步骤(4)得到的浆料过100以上的筛网，打包，即得；

防火涂料由以下重量份的原料组成：阻燃剂30-60份，成膜物15-25份，颜填料10-20份，气凝胶粉1-5份，改性剂1-5份，助剂1-5份，水10-30份。

气凝胶粉为SiO₂气凝胶，Al₂O₃气凝胶，TiO₂气凝胶，炭气凝胶、SiO₂/Al₂O₃气凝胶、SiO₂/TiO₂气凝胶中的一种或几种。优选的，气凝胶粉为SiO₂气凝胶，其孔隙率≥90％，孔径在20-50nm之间，体积密度在50-100kg/m³。

二氧化硅气凝胶是目前性能最稳定、保温性能最好的气凝胶材料，其孔径尺寸低于常压下空气分子自由程，因此在气凝胶空隙中的空气分子失去了自由流动能力近似静止，从而材料处于近似真空状态，极大限制了对流换热。气凝胶纳米孔网格结构形成迷宫效应极大抑制了热传导。“区域无穷多的空隙路径”也将辐射效应降至最低。在这三方面共同作用下，几乎阻断了热传递的所有路径，使气凝胶达到其它材料无可比拟的绝热效果。

根据GB10295-2008测试，25℃时二氧化硅气凝胶导热系数约为0.013W·(m·K)^-1，100℃时其导热系数约为0.016W·(m·K)^-1，200℃时其导热系数约为0.018W·(m·K)^-1，300℃时其导热系数约为0.022W·(m·K)^-1，400℃时其导热系数约为0.025W·(m·K)^-1，500℃时其导热系数约为0.03W·(m·K)^-1。

将气凝胶用于膨胀型防火涂料不仅可以解决防火涂料的耐水问题，还可以有效降低防火涂料受热前期的导热系数，进而提高防火涂料的整体耐火时间。

由于气凝胶粉易被水分子或小分子溶剂破坏，严重影响其隔热效果。因此，本发明在防火涂料制备工艺中，将成膜物、改性剂与气凝胶粉在较高温度下混合分散，将树脂类成膜物等熔融并与气凝胶粉均匀混合，再经过降温冷却固化、研磨，使得气凝胶粉被树脂等原料包覆，有效阻止了水分子等的进入，保留了气凝胶粉的孔洞结构，使制备得到的涂料可充分利用气凝胶粉的绝热效果。同时通过包覆也有效解决了气凝胶粉的分散问题，使其在涂料中分散均匀，绝热效果好。

由于防火涂料对外观有一定要求，越细越方便；同时阻燃剂中的聚磷酸铵、聚磷酸三聚氰胺等酸催化剂细度多在45μm左右，且其不能进行研磨，因研磨后会破坏其界面导致失效。而为了保证涂料中各原料之间混合均匀，防止出现颗粒偏析现象，因此将其它原料进行研磨处理并使其细度在45μm以下，保证原料混合后具有更好的分散均匀性，且使涂料具有良好的外观特性。

以上对本发明的疏水高效防火涂料及其制备方法做了说明，下面将结合具体实施例来做进一步说明。

实施例1

一种疏水高效防火涂料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将成膜物、改性剂和气凝胶粉按比例加入到分散设备中，搅拌混合均匀，再在搅拌状态下升温至80℃保温3h；

(2)将步骤(1)中制备好的浆料移入带有冷却设备的研磨装置中，降温至5℃后研磨，浆料细度研磨至35-45μm；

(3)将颜填料加入到步骤(2)研磨好的浆料中，研磨分散均匀，浆料细度小于45μm；

(4)将步骤(3)中的浆料移入分散设备中，降温至10℃，开始分散并依次加入水、阻燃剂和助剂，浆料细度小于45μm；

(5)将步骤(4)得到的浆料过100以上的筛网，打包，即得。

本实施例中各原料配方如表1所示。

表1防火涂料的配方组成

原料	用量(质量份)
		成膜物 EVA 1120乳液	22
酸催化剂 EPFR-APP222H	23
		成炭剂 季戊四醇	12
发泡剂 三聚氰胺	11
		颜填料 硅灰石	3
颜填料 钛白粉	8
		抑烟剂 氧化镁	3
气凝胶粉 SiO<sub>2</sub>气凝胶	1.5
		改性剂 聚丙烯酰胺	1.0
助剂分散剂 BYK-154	0.6
		助剂消泡剂 BYK-012	0.4
助剂 AMP-95	0.3
		成膜助剂 醇酯十二	0.5
助剂 防冻剂	0.2
		水	13.5

对比例1

一种疏水高效防火涂料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将成膜物、改性剂和气凝胶粉按比例加入到分散设备中，搅拌混合均匀；

(2)将步骤(1)中制备好的浆料移入研磨装置中研磨，浆料混合均匀；

(3)将颜填料加入到步骤(2)研磨好的浆料中，研磨分散均匀；

(4)将步骤(3)中的浆料移入分散设备中，开始分散并依次加入水、阻燃剂和助剂，细度分散均匀；

(5)将步骤(4)得到的浆料过20以上的筛网，打包，即得。

本对比例中各原料配方与实施例1一致，具体见表1。

对比例2

本对比例中防火涂料的制备方法与实施例1一致。

本对比例中各原料配方如表2所示。

表2防火涂料的配方组成

原料	用量(质量份)
		成膜物 EVA 1120乳液	22
酸催化剂 EPFR-APP222H	23
		成炭剂 季戊四醇	12
发泡剂 三聚氰胺	11
		颜填料 硅灰石	3
颜填料 钛白粉	8
		抑烟剂 氧化镁	3
助剂分散剂 BYK-154	0.6
		助剂消泡剂 BYK-012	0.4
助剂 AMP-95	0.3
		成膜助剂 醇酯十二	0.5
助剂 防冻剂	0.2
		水	16

实施例2

一种疏水高效防火涂料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将成膜物、改性剂和气凝胶粉按比例加入到分散设备中，搅拌混合均匀，再在搅拌状态下升温至90℃保温2h；

(2)将步骤(1)中制备好的浆料移入带有冷却设备的研磨装置中，降温至10℃后研磨，浆料细度研磨至35-45μm；

(3)将颜填料加入到步骤(2)研磨好的浆料中，研磨分散均匀，浆料细度小于45μm；

(4)将步骤(3)中的浆料移入分散设备中，降温至10℃，开始分散并依次加入水、阻燃剂和助剂，浆料细度小于45μm；

(5)将步骤(4)得到的浆料过100以上的筛网，打包，即得。

本实施例中各原料配方如表3所示。

表3防火涂料的配方组成

原料	用量(质量份)
		成膜物 RS-2205乳液	20
酸催化剂 EPFR-APP224	25
		成炭剂 季戊四醇	9
发泡剂 三聚氰胺	8
		颜填料 高岭土	2
颜填料 钛白粉	9
		抑烟剂 氧化锌	2
气凝胶粉 SiO<sub>2</sub>气凝胶	4.5
		改性剂 铝酸酯偶联剂	1.5
助剂分散剂 BYK-154	0.6
		助剂消泡剂 BYK-012	0.4
助剂 AMP-95	0.3
		成膜助剂 醇酯十二	0.5
助剂 防冻剂	0.2
		水	17

对比例3

一种疏水高效防火涂料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将成膜物、改性剂和气凝胶粉按比例加入到分散设备中，搅拌混合均匀；

(2)将步骤(1)中制备好的浆料移入研磨装置中研磨，浆料混合均匀；

(3)将颜填料加入到步骤(2)研磨好的浆料中，研磨分散均匀；

(4)将步骤(3)中的浆料移入分散设备中，开始分散并依次加入水、阻燃剂和助剂，细度分散均匀；

(5)将步骤(4)得到的浆料过20以上的筛网，打包，即得。

本对比例中各原料配方与实施例2一致，具体见表3。

对比例4

本对比例中防火涂料的制备方法与实施例2一致。

本对比例中各原料配方如表4所示。

表4防火涂料的配方组成

原料	用量(质量份)
		成膜物 RS-2205乳液	20
酸催化剂 EPFR-APP224	25
		成炭剂 季戊四醇	9
发泡剂 三聚氰胺	8
		颜填料 高岭土	2
颜填料 钛白粉	9
		抑烟剂 氧化锌	3
助剂分散剂 BYK-154	0.6
		助剂消泡剂 BYK-012	0.4
助剂 AMP-95	0.3
		成膜助剂 醇酯十二	0.5
助剂 防冻剂	0.2
		水	22

将各实施例及对比例中制备的防火涂料用毛刷刷至80mm×40mm×1mm厚的钢板上，干膜厚度控制在(1.0±0.02)mm，保养15天，按照美国AATCC 22及GB 14907-2018测试其疏水性及耐水性，结果如表6：

表6耐水性能测试结果

序号	疏水性AATCC 22	耐水性GB 14907-2018
			实施例1	90	合格
对比例1	50	有鼓泡，不合格
			对比例2	65	有鼓泡，不合格
实施例2	95	合格
			对比例3	50	有鼓泡，不合格
对比例4	65	有鼓泡，不合格

实施例1-2和对比例1-4中的防火涂料按照GB 14907-2018测试的耐水性如图1所示。结合表6和图1，可明显看出对比例1-4中未添加气凝胶粉或者未进行气凝胶粉包覆工艺的涂料涂覆后，有明显的鼓泡存在，其耐水性不佳；而实施例1-2中的防火涂料涂覆后具有光滑、平整的表面，其耐水性良好。

将各实施例及对比例中制备的防火涂料采用公开号为CN 1975371A的中国发明专利“用于膨胀型防火涂料现场检测的电炉和检测方法”的测试设备及方法测试其防火性能，测试结果如表7：

表7耐火性能测试结果

序号	防火时间/min	碳层描述
			实施例1	75	碳层均匀，发泡倍率33
对比例1	39	碳层坍塌脱落
			对比例2	54	碳层均匀，发泡倍率32
实施例2	91	碳层均匀，发泡倍率36
			对比例3	51	碳层坍塌脱落
对比例4	62	碳层均匀，发泡倍率36

实施例1-2和对比例1-4中的防火涂料的碳层形貌图及耐火性能如图2-3所示。结合表7和图2-3，可见本发明各实施例中制得的防火涂料的碳层均匀，且发泡倍率较高，同时其致密性和隔热效果更佳，具有更长的耐火时间。

由表6-7和图1-3可见，本发明实施例制备的防火涂料，通过添加气凝胶粉并在制备过程中对气凝胶粉进行包覆处理，使得涂料中的气凝胶粉保留了纳米孔网格结构，极大限制了对流换热及热传导作用。与未添加气凝胶粉或者未进行包覆处理的气凝胶粉制备得到的防火涂料相比，本发明实施例的防火涂料具有更佳的疏水性和耐水性，且致密性及隔热效果更好，导热系数低，耐火时间长。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。