水性膨胀型防火涂料的低烟化配方设计分析

王建棋 官许涛 

青岛爱尔家佳新材料股份有限公司 山东省青岛市 266100

摘要：随着社会的发展和人们生活水平的提高，对涂料的功能以及安全性能方面也提出了更高的要求。现阶段被广泛使用的是膨胀性防火涂料，这种防火涂料能够有效阻止或延缓火灾蔓延，与传统涂料相比，其安全系数更高。本文将主要分析水性膨胀型防火涂料的低烟配方，为低烟化涂料的研制提供参考依据。

关键词：水性膨胀型防火涂料；低烟化；试验分析

一、优化水性膨胀性防火涂料低烟化配方的意义

水性膨胀型防火涂料是现阶段应用较为广泛的涂料之一，这种涂料不仅能够降低火势蔓延的速度，而且隔热性能要远远高于其他材料，其制造成本要比金属类的防火材料更低，可以用用与多种环境和领域，例如建筑工程钢结构、隧道等领域都有广泛应用。膨胀型防火涂料在遭遇火灾状况时，会形成细密的炭层，炭层能够有效隔热，阻止火势的蔓延。另外，水性膨胀型防火涂料的毒性低，其所采用的原材料还具有一定的环保性能，由于其具备较好的阻燃、隔热效果而被广泛应用。在一些发达国家的应用中，此种防火涂料的应用占整体的三分之二，而且仍在上升。但是此种涂料仍然有其缺陷，那就是在火灾状况下，膨胀发泡会产生大量的有毒有害气体，增加救援困难。

二、试验设计

首先需要保证试验的配方均匀设计，以降低试验次数。水性膨胀型防火涂料中的材料需要控制在特定的范围内才能够展现出其阻燃性能，所以在进行配比时，就需要严格控制配方中的各类因素。经过研究表明，无机颜料在火灾状态下的生烟能力较弱，整体影响也较小，烟气的产生主要与其基料以及阻燃体系有关。所以，为了保证试验的均匀性，首选随机布点法进行试验。为了保证试验结果的准确度，在阻燃体系选择上以聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺为主，基料则以水性环氧树脂乳液为主。

三、试验材料的选择

试验材料包括聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺以及水性环氧树脂乳液等基础材料。试验仪器包括热重分析仪、电动搅拌器、酒精喷灯以及附着力测试仪等。

（一）确定阻燃体系

在火灾状态下，碳化剂逐渐形成碳，并且在发泡剂分解的气体作用下形成封闭的碳化层，而这个碳化层便是能够有效保护基础材料受火灾影响的重要保护罩，能够有效防止气体的扩散，同时通过氧气的隔绝来达到防火隔热的目的。由于膨胀型防火涂料的膨胀层厚度很大，所以其导热与防火效果就优于其他涂料。而膨胀阻燃体系又包括脱水催化剂、碳化剂以及发泡剂。其中脱水催化剂的主要作用是加速涂料遇到火灾状况的热分解速度，通过自身与碳化剂的化学反应而引发膨胀，从而形成炭化层，对于脱水催化剂的选用包括磷酸、硫酸等盐、酯类化合物。碳化层的形成无法脱离碳化剂，碳化剂在火灾状态下与催化剂反应形成碳以及具有阻燃作用的气体，并在发泡剂的作用下形成蜂窝状的泡沫层，其内部包含的便是不燃气体。在碳化剂的选取过程中需要注意选择含碳量高、反应速度慢的物质，同时也要适应脱水催化剂与发泡剂的分解温度，使得三者的分解温度相匹配。经实验发现，双季戊四醇的含碳量要高于其他物质，而且其碳化层的含碳量以及密度等方面的性能都高于其他物质，其热分解温度与聚磷酸铵的分解温度一致，能够达到较好的成碳效果。发泡剂是需要达到特定的温度时才能够释放不燃气体产生碳化层的，发泡剂中使用较为广泛的就是三聚氰胺，其热分解温度一般在250摄氏度，而通常为使发泡效果得到提升，经常在使用过程中会辅助氯化石蜡。

（二）成膜剂的选用

成膜剂的质量与性能直接决定了防火涂料的性能，为了保证防火涂料的阻燃、隔热作用，需要将成膜剂与其他成分进行严格配比。首先就需要保证涂料具有较强的吸附力和耐水性，还需要保证在高温状态下涂料的阻燃隔热作用能够有效发挥。现阶段使用较为广泛的成膜剂主要有丙烯酸树脂、弹性乳液以及聚有机硅氧烷乳液等等，这些成膜剂具有吸附力强、耐水性较好的特点。另外，水溶性三聚氰胺甲醛树脂尽管在发泡高度上所起的作用较小，但是对于发泡层的泡孔结构起到了明显的改善效果，使得涂料的阻燃性能增加。

（三）颜填料以及辅助剂的选用

为了有效提升防火涂料的基本功能和防火性能，通常在进行配制过程中还需要加入钛白粉、氧化锌等颜料和填料，这类颜填料所使用的纳米级粒径使得涂料的整体密度降低，而且通过适当的颜填料的加入也使得涂料的阻燃性能增加。另外，在提升涂料的质量方面，通常还加入了增稠剂、增韧剂等助剂，目的在于提升产品的质量，使得生产工艺以及施工条件方面有所改善。

四、试验方式

在水性膨胀型防火涂料的制作过程中，首先对所有颗粒物质进行研磨和筛分，然后在各个容器中加入特定计量的原材料和去离子水，并进行充分搅拌得到浆料。最后利用研磨机对浆料进行两次研磨，在研磨过后加入乳液与助剂，继续搅拌均匀，便可得到最后的防火涂料。

五、试验结果分析

（一）生烟情况分析

经过试验可以得出结论，决定烟密度的因素有很多种。在火灾发生初期，也就是熔融发泡时期，在这一时期的生烟量是迅速上升的，所以，这个时期的烟密度也就更大；而后是成碳阶段，在持续高温状态下，涂料经过发泡膨胀并逐渐成碳，而在成碳过程基本完成后，生烟量也就渐渐降低，此时测量烟密度是比较稳定的状态，此平稳状态形成的主要原因是生烟量降低引发的。同时，制作涂料的配比不同，其生烟量与烟密度等都是不同的。在进行相关性分析后可以得出，对于烟密度影响最大的是聚磷酸铵以及季戊四醇，而其他成分对于烟密度影响较小。烟密度会随着聚磷酸铵质量分数的增大而降低，而随着季戊四醇的质量分数的增大而增加。

（二）防火助剂性能分析

通常情况下，我们将防火涂料的膨胀系数作为判定涂料性能的主要指标，它直接决定了防火涂料的阻燃性能。在防火涂料中要想提高涂料的防火性能，必须要加入前期发泡剂，以避免涂层因高温发生软化而不能发泡的现象，以此来提高碳化层的膨胀率。在前期发泡剂的选择方面通常以氯化石蜡为主要助剂，但是氯化石蜡的缺陷就在于在进行受热分解过程中往往会产生出大量的有毒有害气体，对人体和环境十分不利。同时偶氮二甲酰胺的受热分解温度一般在200摄氏度左右，通常需要经过释放氮气进行发泡。基于此，我们选择偶氮二甲酰胺为前期发泡剂最为合理。

（三）成膜树脂用量分析

经试验表明，成膜树脂的用量对防火涂料的阻燃性能也有重要的影响。树脂质量分数过低，会导致发泡体积大而且疏松，降低附着力，一旦受热比较容易发生熔融现象。而当成膜树脂的质量分数过大时，发泡体积减小且比较疏松，阻燃效果难以符合预期效果。所以，一般情况下会将成膜树脂的含量定在35%-40%，此时的防火涂料碳化层硬度较高，而且附着力效果以及防火效果基本达到了最佳状态。在进行检测时，通常采用垂直燃烧检测的方式进行试验，也就是将涂料样板与酒精喷灯垂直放置，距离大约保持在十厘米左右来进行阻燃性能测试，并随时记录其状态以及温度变化。

总结

综上所述，按照优化的配比方式进行水性膨胀型防火涂料的配制，能够很大程度保证涂料具有较强的附着力和耐水性。在配制过程中还需要注意水性膨胀型防火涂料的生烟状况，也就是通过控制聚磷酸铵与季戊四醇的含量来控制生烟状况。经过试验表明，水性膨胀型防火涂料按照正常配比制作的情况下，具有较低的毒性，其隔热和阻燃性能要优于其他普通涂料，不仅节约能源，更降低了环境污染的可能性，充分相应了我国绿色环保的号召。

参考文献

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[3]戴俊文.水性膨胀型防火涂料运用现状分析[J].2021.