要如磊1，翟现明1，王小建2，杨波3，秦剑坤4刘棚瑞4，游然1

　　（1.山西省建筑科学研究院有限公司，山西太原030001；2.山西阳泰环保技术服务有限公司，山西阳泉045000：3.华阳新材料科技集团有限公司，山西阳泉045000；4.阳煤集团纳谷（山西）气凝胶科创城 管理有限责任公司，山西阳泉045000）

　　摘要：为了提高水性膨胀型钢结构防火涂料的耐火性能，探究了水性成膜物质和各原料用量对耐火性能的影响。以低活性端氨基聚醚为关键原料，合成了非离子型水性聚脲，并以合成的水性聚脲为成膜物质制备了水性聚脲基膨胀型钢结构防火涂料。采用《超薄型钢结构防火涂料防火性能快速测试方法》对小试配方进行快速筛选，考察了水性聚脲、钛白粉和陶瓷纤维的添加量对其耐火性能的影响。结果表明：以水性聚脲B为成膜物质，当水性聚脲添加量20%、钛白粉添加量16%、陶瓷纤维添加量1.0%时，制备得到的膨胀型钢结构防火涂料耐火性能**佳。对优选配方按照GB14907-2018《钢结构防火涂料》进行耐火性能测试，耐火性能为1.27h/1.43mm、1.68h/2.05mm和2.02h/2.79mm，耐火性能较高。

　　关键词：水性聚脲：低活性端氨基聚醚：防火涂料

　　中图分类号：T0637.6文献标志码：A文章编号：0253-4312（2022)10-0024-07

　　doi:10.12020/j.issn.02534312.2022.10.24

Research on Waterborne Polyurea-basedIntumescent Fire

Retardant Coating for Steel Structure

Yao Rulei1,Zhai Xianming1,Wang Xiaojian2, Yang.Bo3,Qin Jiankun4,Liu Xurui4, You Ran1

(1.Shanxi Academy of Building Research Co.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi 030001,China；2.Shanxi Yangtai.Environmental Protection Technology ServiceCo.,Lid,Yangquan,ShanxiO45000,China；3.Huayang Neu Material Technology Group Co., Ltd.,Yangquan,Shanai 045000,China；4.Yangmei Group Nagu(Shanxi) Aerogel Science and Technology Innovation City Management Co.,Lid,Yangquan,Shanxi045000,China)

Abstract:In order to improve the fire resistance of water-based intumescent fireproof coatings for steel structures,the effects of the types of water-based film-forming substances and the amount of each raw material on the fire resistance were explored in this paper. The non-ionic water-based polyurea was synthesized by using low-activity amino terminated polyether as the key raw material. And the waterborne polyurea -based intumescent fire retardant coatings for steel structure was prepared by using the synthetic waterborne polyuria as film-forming substance. The“Rapid Test Method for Fire Resistance of Ultra-thin Steel Structure Fire Retardant Coatings” was used to quickly screen the small test formulations,and the effects of the additions of water-based polyurea,titanium dioxide and ceramic fiber on their fire resistance were investigated. The results showed that when the water-based polyuria B was used as the film-forming material,the water-based polyurea addition amount was 20% thetitanium dioxide addition amount was16%,and the ceramic fiber addition amount was 1.O%,the prepared intumescent fireproof coatings for steel structure had the best fire

resistance.The fire resistance of the optimized formula was tested according to GB 14907-2018 Fire Retardant Coatings for Steel Structure.The fire resistance was1.27h/1.43mm,1.68 h/2.05 mm and 2.02 h/2.79 mm, which showed high fire resistance.Key words: waterbornepolyurea;low-activity amine terminated polyether; fire retardantcoating

　　在水性膨胀型钢结构防火涂料配方体系中，各组分的协同效应的效率高低决定了其耐火性能的优劣，水性成膜物质作为水性膨胀型钢结构防火涂料的关键组分，其对膨胀型钢结构防火涂料防火性能的影响较大[1]。目前，商品化水性膨胀型防火涂料产品仍存在耐火性能较低、干膜持久性较差、抗基材形变能力差，导致耐火性能随时间推移而衰减等问题。因此，研制耐火极限高、理化性能优异的水性膨胀型钢结构防火涂料有重要意义。

　　目前，商品化的水性防火涂料用成膜物质有醋叔乳液、丙烯酸乳液、苯丙乳液等。Kalafat等研究了4种共聚物乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）、醋酸乙烯酯-叔碳酸乙烯酯（VAVV）、苯乙烯-丙烯酸酯和乙烯基甲苯-丙烯酸酯对涂层阻燃效果的影响，结果显示醋酸乙烯酯共聚物防火涂料的耐火性能更佳。Zhou等[3]采用高性能醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液为成膜物质，以聚磷酸铵、三聚氰胺和季戊四醇为原料，质量比为11:6:4，膨胀阻燃效果**好。武珊羽等[4]选用醋叔乳液3112为成膜物质，调整乳液与膨胀阻燃体系的比例，加入阻燃协效剂硼酸锌和氢氧化铝，制得防火涂料耐火性能为2h/3.3mm。于欢等[5]以水性有机硅改性丙烯酸树脂为成膜物质，制备了兼具防火防腐双功能的水性膨胀型钢结构用涂料，耐火时间为65min/1.5mm。而以水性聚脲作为成膜物质应用于膨胀型钢结构防火涂料的研究未见报道。水性聚脲分子结构中含有脲基（-NHCONH-）重复结构单元[6]，因此其具有优异的物理性能、耐老化性能和耐化学腐蚀性能，作为水性涂料的成膜物质具有广活的应用前景[7]。

　　本研究以自制低活性端氨基聚醚为关键原料，合成非离子型水性聚脲。并以合成的水性聚脲为成膜物质制备水性聚脲基膨胀型钢结构防火涂料。利用聚脲优异的物理性能，以提高水性膨胀型钢结构防火涂料的理化性能和耐火性能。通过考察水性聚脲、钛白粉和陶瓷纤维的添加量对防火涂料高温时膨胀体的膨胀倍率，膨胀体致密性和耐火时间3个关键因素的影响，进而得到优化配方，并按照GB14907-2018《钢结构防火涂料》对所得水性聚脲基膨胀型钢结构防火涂料的耐火性能进行测试。

　　1实验部分

　　1.1主要原料

　　1.1.1关键原料

　　自制低活性端氨基聚醚：聚-1，4-丁二醇双（4-氨基苯甲酸酯），官能度为2.相对分子质量为2238，分子结构如式（1）所示。

　　1.1.2其他原料

　　异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）：工业级，万华：非离子亲水扩链剂（YmerN120）：工业级，柏斯托：乙二胺：分析纯.巴斯夫：3-氨丙基三乙氧基硅烷KH550：分析纯，阿拉丁：金红石型钛白粉（ATR-312）：工业级，安纳达：聚磷酸铵（JLS-APP）、季戊四醇（JLS-PENTA）、三聚氰胺（JLS-Melamine）：工业级，杭州捷尔思：分散剂（BYK-2010）、消泡剂（BYK-024）：工业级，毕克化学：陶瓷纤维（XGCFO03）：工业级，深圳谷：pH调节剂（AMP-95）：工业级，陶氏化学：增稠剂（Vesmody？U505）：工业级，万华；丙烯酸乳液（HydroPliolite211）：工业级，欧诺法：水性聚氨酯（AH-1704-1）：工业级，安大华泰：醋叔乳液（EmultexFR728）：工业级，昕特玛。

　　1.2水性聚脲的合成

　　在装有搅拌器、温度计、氮气入口和回流装置的四口烧瓶中加入自制低活性端氨基聚醚、IPDI、YmerN120，通入氮气进行保护，在80～90℃反应至-NC0

　　达到规定值，降温加入去离子水和乙二胺（或KH550）剪切乳化，得到非离子型水性聚脲。

　　1.3膨胀型钢结构防火涂料的制备

　　将去离子水、消泡剂、分散剂、pH调节剂和金红石型钛白粉高速分散15min.再加入三聚氰胺、季戊四醇、聚磷酸铵和陶瓷纤维中速分散30min，**后加入水性聚脲和增稠剂，低速分散30min得到非离子型水性聚脲基膨胀型钢结构防火涂料，其基础配方如表1所示。

　　表1实验基础配方

　　Table1Thebasicformulaofexperiment

　　1.4样品制备

　　水性聚脲干膜样品：将得到的非离子型水性聚脲倒入聚四氟乙烯模框中，在标准试验条件下养护168h后脱模。

　　防火涂料测试样品：在洁净的80mm×40mm×1.2mm钢板上涂刷一层防火涂料专用底漆：干燥后涂覆水性聚脲基膨胀型钢结构防火涂料，保证每块钢板上涂料干膜质量为（5.00±0.10）g，且厚度均匀，约1mm；室温干燥7d以上，直到与预计的质量偏差<0.05g。

　　1.5性能测试

　　1.5.1水性聚脲性能测试

　　水性聚脲固含量、pH、**低成膜温度、钙离子稳定性、机械稳定性按照GB/T20623-2006《建筑途料用乳液》进行测试：水性聚脲干膜的拉伸强度、断裂伸长率、撕裂强度按照GB/T16777-2008《建筑防水涂料试验方法》进行测试。

　　1.5.2防火涂料耐火性能快速测试

　　采用中航白幕新材料技术工程股份有限公司生产的防火性能快速测试装置，按照企业标准Q/6S2153-2007《超薄型钢结构防火涂料防火性能快速测试方法》进行测试8。将1.4中防火涂料测试样品安装好后按照GB14907-2018《钢结构防火涂料》中的升温曲线运行，试样背温达到580℃时的时间为该防火涂料的耐火时间：测试结束后对膨胀体厚度进行测量，进而计算出膨胀倍率：用壁纸刀切割膨胀体，目测膨胀体致密程度。

　　1.5.3防火涂料理化性能和耐火性能测试

　　防火涂料的理化性能和耐火性能按照GB14907-2018《钢结构防火涂料》中的相关方法进行测试，由中国建筑科学研究院有限公司完成。

　　2结果与讨论

　　2.1水性聚脲物理性能

　　通过调整原料配比和扩链剂种类，按照1.2方法，根据水性聚脲基础配方（如表2所示），制备2种非离子型水性聚（A、B），其性能测试结果如表3所示。

　　表2水性聚脲配方

　　Table2Theformulationofwater-basedpolyurea

　　表3水性聚脲性能指标

　　Table3PerformanceindicatorsofwaterbornePolyureas

　　因非离子型水性聚脲不存在离子型乳液中的双电层结构，对电解质和体系pH不敏感，所以具有较好的机械稳定性和钙离子稳定性，其可与多种填料和不同pH的其他水性树脂共混例，满足作为膨胀型钢结构防火涂料成膜物质的基本要求。更重要的，水性聚脲分子结构中强极性的脲键基团，在整个高分子网络中会形成类似于“螯合物”的结构，使得分子结构更加稳定，宏观上表现为所得水性聚脲干膜具有优异的物理性能。由表3可知，2种水性聚脲产品均具有较优的物理性能，这会对防火涂料的有效服役寿命的延长产生积极的影响。

　　2.2成膜物质对防火涂料耐火性能的影响

　　分别选取丙烯酸乳液、水性聚氨酯、醋叔乳液、水性聚脲A、水性聚脲B、水性聚脲B/醋叔乳液混合乳液作为成膜物质制备膨胀型钢结构防火涂料，而火性能快速测试结果如表4和图1所示。

　　表4成膜物质种类对涂层耐火性能的影响

　　Table4Influenceofthetypesoffilmformingsubstanceonfireresistanceofcoatings

　　结合表4和图1可知，以水性聚脲A、水性聚脲B、水性聚脲B/醋叔乳液为成膜物质制备的膨胀型钢结构防火涂料具有更长的耐火时间，较大的膨胀倍率和较好的膨胀体致密度。主要是因为聚脲乳液中的脲基在高温下可匀速分解生成分子级不燃气体，宏观上使得膨胀体更致密且强度高，因此，耐火时间更长。水性聚脲B制备的防火涂料具有更长的耐火时间，可能是因为水性聚脲B既具有适合的柔性链段，又因具有交联作用的后扩链剂KH-550的加入使其具有了一定的刚性，在遇到高温时，膨胀体适度膨胀的同时不形成大孔，因此提高了膨胀体的膨胀倍率和致密度。

　　2.3水性聚脲加入量对防火涂料耐火性能的影响

　　颜填料与成膜物质的比值会较大地影响防火涂料受热后形成的膨胀体的膨胀高度和密度，从而对防火涂料的耐火性能产生较大影响，一般情况下，颜填料与成膜物质的比值越大，膨胀倍率越大，膨胀体致密度越好。但如果成膜物质过少，涂膜在受热时不能较好地附着于底材表面，导致受热时涂层大面积脱落而产生致命缺陷。本研究考察广水性聚脲B加入量对防火涂料耐火性能的影响，结果如表5和图2所示。

　　结合表5和图2可知，随着水性聚脲用量增加到20%，涂膜与底材的附着力提高，膨胀体的膨胀高度以及与底材结合情况都在逐渐变好，并且更多的成膜物质能够更好地捕捉到发泡气体，使膨胀体形成均致密的膨胀体。水性聚脲用量较少（15%）时，膨胀倍率越大，耐火时间也较长。但是，因成膜物质过少，会导致涂膜在受热时不能较好地附着于底材表面，在尚未开始膨胀即与基材分离脱落，导致产品的致命缺陷。而过多水性聚脲用量（>20%）会较大地束缚膨胀体的膨胀，导致膨胀倍率降低，膨胀体致密度下降，从而造成耐火时间减少。因此，水性聚脲用量为20%时，膨胀体质量和耐火性能达到**佳。

　　表5水性聚脲加入量对涂层耐火性能的影响

　　Table5Influenceofadditionamountofwaterborne

　　polyureaonfireresistanceofcoatings

　　2.4钛白粉加入量对防火涂料耐火性能的影响

　　钛白粉在防火涂料体系中不仅具有颜料的功能，同时对耐火时间、膨胀倍率等有重要的影响。实验考察了钛白粉加入量对防火涂料耐火性能的影响，结果如表6和图3所示。

　　结合表6和图3可知，随着钛白粉加入量的增加，膨胀倍率呈现先增加后减少的趋势，当钛白粉的添加量为16%时，耐火时间送到**大，同时膨胀体致密且强度高，说明钛白粉参与了膨胀层的形成，钛白粉与聚磷酸铵及其分解产物间发生了化学反应。当钛白粉添加量进一步提高（>16%），膨胀倍率和耐火时间没有明显进一步增加。这可能是因为在整个膨胀层形成对程中，季戊四醇和钛白粉两者间与聚磷酸铵存在反应竞争关系，高于该值时没有更多聚磷酸铵与之反应。因此，钛白粉在水性聚脲基膨胀型钢结构防火涂料体系中的加入量以16%为宜。

　　2.5陶瓷纤维加入量对防火涂料耐火性能的

　　影响在涂料中加入一定量的陶瓷纤维可以起到支撑泡沫炭架的作用，使膨胀体遇到高温对流气体时不易脱落，提高了膨胀层的有效隔热效率。实验采用陶瓷纤维材料，考察了纤维加入量对防火涂料耐火性能的影响，结果如表7和图4所示。

　　结合表7和图4可知，陶瓷纤维的加入提高了膨胀体的致密度和耐火时间，但同时使膨胀体膨胀时具有一定的束缚作用，降低了膨胀倍率。而对量纤维的加，较大地抑制了膨胀，耐火时间也相应缩短。因此，陶瓷纤维材料在水性聚脲基膨胀型钢结构防火涂料体系中的加入量以1.0%为宜。

　　表6钛白粉加入量对涂层耐火性能的影响

　　Table6Influenceofadditionamountoftitanium

　　Dioxideonfireresistanceofcoatings

　　表7陶瓷纤维加入量对涂层耐火性能的影响

　　Table7Influenceofadditionamountofceramic

　　Fiberonfireresistanceofcoatings

　　2.6水性聚脲基膨胀型钢结构防火涂料性能分析

　　按照研究得到的**佳配比制备水性聚脲基膨胀型钢结构防火涂料，以合成的水性聚脲B为成膜物质，水性聚脲添加量20%，钛白粉添加量16%，陶瓷纤维添加量10%，制备膨胀型钢结构防火涂料，耐火性能**佳。按照GB14907-2018中相关测试方法进行理化性能和耐火性能测试，结果如表8所示，以水性聚脲为成膜物质较大程度提高了膨胀型钢结构防火涂料的粘结强度和耐水性，得到了1.27h/1.43mm、1.68h/2.05mm和2.02h/2.79mm的测试结果（耐火性能试验采用建筑纤维素类火灾升温实验条件，试验基材为36b热轧工字钢：试件涂层构造依次为：环氧富锌底漆、防火涂料），具有较好的应用价值。

　　表8水性聚脲基膨胀型钢结构防火涂料性能

Table8Performanceofwaterbornepolyureabasedintumescentfireretardantcoatingforsteelstructure

　　3结语

　　以自制端氨基聚醚为主要原料合成得到2种高物理性能的非离子型水性聚脲，并以水性聚脲B为成膜物质.水性聚脲添加量20%，钛白粉添加量16%.陶瓷纤维添加量1.0%，制备得到了耐火性能较好的膨胀型钢结构防火涂料。水性聚脲作为成膜物质在提高膨胀型钢结构防火涂料的理化性能和耐火性能方面显示出了一定的优势，可为高品质膨胀型钢结防火涂料产品的生产提供理论和技术支持，具有较好的应用价值。

　　通过对水性聚脲进行改性和引入更多功能性填料，进一步提高防火涂料体系中各组分协同效应的效率，从而提高水性聚脲基膨胀型钢结构防火涂料的理化性能和耐火性能是今后的研究重点和方向。

　　参考文献

　　[1］翟现明，游然，要如磊，等.膨胀型防火涂料用水性成膜物质的研究进展[J].山西建筑，2021，47（21）：106-108

　　[2]KALAFATK，TARANN，PLAVANV，etal.Comparisonoffireresistanceofpolymersinintumescentcoatingsforsteelstructures[J]。Eastern-EuropeanJournalofEnterpriseTechnologies，2020，4(10):45～54.

　　[3]ZHOUJ，LIHP，HUZZ，etal.Researchonwaterborneultrathinintumescentfireretardantcoating[J]。ModernPaint&Finishing，2015.

　　[4]武珊羽，黎子昂，彭洪均，等.水性膨胀型钢结构防火涂料的设计与耐火性能研究[J].中国涂料，2022，37（3）：36～40.