周娟，李惠萍，胡子昭，茹春

　　0引言

　　防火涂料涂覆于可燃件基材表面能降低被涂材料表面的可燃性，阻滞火灾的迅速蔓延，或是涂覆于结构材料表面，用于提高构件耐火极限。目前国内高性能防火涂料均为水性乳液膨胀型防火涂料。水性膨胀型防火涂料的特点是：以水作分散介质、成本低、无毒、不污染环境、常温干燥，不仅具有防火性能，也有很好的装饰性能，涂层在常温下是普通涂膜，在火焰或高温作用下，可产生比原来涂层厚几十倍甚至 上百倍的不易燃海绵状炭质层，起到有效阻止外部热源的作用，同时产生不燃性气体，如：CO2、NH3、HCl、HBr和水蒸气等，降低可燃性气体的浓度和空气中氧的浓度，从而起到防火阻燃作用。水性膨胀型钢结构防火涂料的主要成分是乳液基料、膨胀体系和无机填料、助剂等。膨胀体系由发泡剂、成炭剂、脱水成炭催化剂组成。本研究选用亲水性水溶性聚合物水性乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液为基料。采用APP-MEL-PER为防火阻燃体系，通过添加一些高分子聚合物填料和助剂制备了一种性能优异的水性膨胀型钢结构防火涂料。

　　 1试验部分

　　1.1主要原料

　　乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液（BJ-707乳液），北京东方石油化工有限公司；聚磷酸铵（APP）、三聚氰胺（MEL）、季戊四醇（PER），山东省东营市京东化工有限公司；羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇、聚乙二醇，济南乐邦化工有限公司；氯偏乳液，上海天银化工科技有限公司；助剂均为市售。

　　1.2防火涂料制备方法

　　防火涂料配方见表1，按配方称取一定量的固体组分混合，用研钵充分研磨后加入到用水稀释好的乳液中，加入消泡剂、分散剂等助剂，机械搅拌器200r/min条件下搅拌10min，然后800r/min条件下搅拌1h得到防火涂料。

　　1.3性能检测

　　1.3.1耐火性能测试样品的制备

　　将制备好的防火涂料均匀涂刷在打磨除锈后的150mm×80mm×2mm钢板上。每次涂刷厚度约0.1mm，将涂刷好的钢板放在50℃的鼓风干燥箱中表干后重复涂7～8次，直至厚度达到（2.5±0.2）mm，在室温下进行干燥直至钢板质量不再变化。

　　1.3.2防火涂料耐火时间的测试

　　自制的简易燃烧测试装置见图1，涂层样板固定于铁架台的铁圈上方，涂层朝下，样板与酒精喷灯口的垂直距离为5～7cm，使用红外测温枪测量燃烧过程中钢板背后的温度变化。将酒精喷灯放到测试样板的下方，使火焰直接燃烧防火涂层，并开始计时。把钢板背面温度升至400℃的时间作为涂层的耐火极限时间。

　　1.3.3涂层燃烧前后形貌分析

　　采用数码相机拍摄防火涂层燃烧前后的变化情况，以评价涂层的阻燃性能。 

　　2结果与讨论

　　2.1阻燃体系各组分配比的确定

　　影响涂料防火性能的因素有多种，并且各因素之间存在相互制约的关系，如果按照常规的单因素变量来考察每个因素的影响，工作量大而繁琐。正交水平试验设计是一种行之有效的方法，它不仅能够缩减试验次数，而且能够将各因素间的相互关系考虑进去。本次试验，在其他组分比例不变的条件下，选用L9（34）正交设计考察了膨胀型阻燃体系中APP/MEL/PER3组分对涂料耐火性能的影响。正交试验的因子水平见表2。以涂层的耐火时间为评价标准，所得结果见表3。

　　表3的正交试验结果表明，因子APP的极差**大，为15.47，因子MEL的极差明显低于因子APP的极差，为4.77。因子PER的极差**小，可见，影响耐火时间的因子由主至次的顺序为：APP＞MEL＞PER，即APP对涂层的耐火性能影响**大，MEL次之，PER**小，三者的**佳质量比为11∶6∶4。

　　2.2阻燃体系含量对防火涂料耐火性能的影响

　　本文研制的防火涂料以聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺为阻燃体系，以乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液为成膜物质，仅改变膨胀阻燃体系在涂料中的用量，试验现象见表4，耐火时间变化见图2。

　　由图2可以发现，随着膨胀体系用量的增加，涂料的耐火性能先是有所提高，当阻燃体系质量分数超过45％时，其耐火性能又开始下降。而由试验现象可知，阻燃体系用量的增多对膨胀炭层的影响较大，若用量过少，炭层在膨胀的过程中易形成不致密、大小不均的多孔炭层，甚至使膨胀炭层脱落。另外，若体系中阻燃体系的含量过多，涂料的固含量太多，涂膜性能不好，成膜物质不能有效地将膨胀体系黏结在一起，涂膜的附着力和理化性能都会下降，影响了涂层的防火性能。因此，当阻燃体系质量在涂层中占45%时，膨胀倍率适中，防火性能和理化性能等综合性能较好。

　　2.3基料的用量对防火性能的影响

　　基料在涂料中不仅作为成膜物质，而且对阻燃体系和助剂体系起着分散的作用，基料的用量不同，将对涂料性能有不同的影响。一般来说，乳液本身不具备阻燃性能，但是在乳液的合成过程中，往往引入一定的阻燃剂，具有一定的阻燃效果，但其对整个防火阻燃体系的贡献确是相当有限。但是乳液中的固体成分，在阻燃的时候却起到了一定的积极作用，参与了成炭的过程，在用量适当的时候，对膨胀炭层的质地起到了有益的作用，从而也影响涂料的阻燃性能。为了确定基料用量对涂料性能的影响，在不改变防火阻燃体系用量的情况下，仅改变基料用量，组成不同配方进行试验，结果见表5和图3。

　　由表5和图3可以看出，基料的用量对涂料的耐火性能有很大的影响。若基料用量过少，则膨胀炭层与底材之间的附着力较小，且在火焰的冲击下，炭层容易产生裂缝，大块脱落，阻燃时间也较短。若基料用量过多，阻燃体系用量将相对较少，涂料遇火膨胀时不能形成均匀的空隙结构，从而导致发泡率降低，炭层厚度则相对较小。从试验结果可知，基料质量分数在25％左右时防火效果**佳，膨胀倍率也较高。

　　2.4 增稠剂对增稠效果的影响

　　由于在防火涂料的施工过程中会经常有垂直面，或者内部顶部的涂刷，这样如果涂料黏度过低，会造成一次涂刷挂壁涂层量少，造成涂刷次数增多，而增加施工成本。因此要达到一定的黏度以提高涂料在市场的竞争力。涂料增稠剂的种类很多，本试验选用羧甲基纤维素钠、聚乙烯、聚乙二醇来进行比较。将聚合物进行热溶（70～80℃），其中羧甲基纤维素钠溶液质量分数1%，聚乙烯醇溶液质量分数1%，聚乙二醇质量分数2%，试验结果见图4。

　　羧甲基纤维素钠的增稠效果比较明显，这与其具有较强的吸水性相吻合。羧甲基纤维素钠溶液的质量分数达到10%时，放置可以成冻状，而试验中溶液配制成质量分数1%，具有稳定的流动性和一定的黏度，可以明显观察到对涂料起到了一定的增稠效果。

　　2.5防火涂料燃烧前后的形貌分析

　　图5是通过数码相机拍摄的涂层在燃烧前后的形貌变化。

　　在燃烧初期，涂层在高温灼烧下开始受热熔融，随着燃烧的继续，APP开始分解，释放出不燃性气体，同时生成的磷酸、聚磷酸或焦磷酸等物质催化PER和乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液脱水成炭，PER脱水生成的水蒸气和MEL分解产生的不燃性气体使已处于熔融状态的涂层膨胀发泡，形成致密的炭化层；炭化层在持续的高温灼烧下，炭化层中的碳逐渐被空气中的氧气消耗形成二氧化碳逸出体系，同时有一部分附着力稍弱的炭化层在火焰的冲击下被气流带走，**后剩下灰白的膨胀炭层。

　　 3结语

　　1）采用正交试验设计方案，得出膨胀型阻燃剂中聚磷酸铵、三聚氰胺和季戊四醇的**佳配比为m（APP）∶m（MEL）∶m（PER）=11∶6∶4，阻燃效果**佳。

　　2）在乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液中添加膨胀型阻燃体系的质量分数为45%左右时，涂料的耐火时间**长。本防火涂料选用乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液，质量分数在25%左右为宜。

　　3）添加一定量的羧甲基纤维素钠溶液，对涂料具有一定的增稠效果，可防止涂料涂刷时流挂。